DE102011051301A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung - Google Patents

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Wolf Georgi
Sven Friedrich
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Heiko Lang
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen, wobei wenigstens ein erstes Bauteil aus Metall und wenigstens ein zweites Bauteil aus Kunststoff besteht, unter Anwendung eines Umformstempels zum Durchsetzfügen der Bauteile, eines Niederhalters und einer dem Stempel gegenüber angeordneten Matrize, die eine Ausnehmung aufweist, in welche mit dem Stempel der Werkstoff der Bauteile beim Durchsetzfügen eingebracht wird. Verfahrensgemäß erfolgt eine Einkopplung von Ultraschallschwingungen in einem den Stempel zumindest teilweise umringenden Bereich aus Richtung des Stempels und/oder aus Richtung der Matrize, wodurch das Material des aus Kunststoff bestehenden Bauteils zumindest teilweise plastifiziert oder aufgeschmolzen wird und dazu zeitgleich oder zeitlich versetzt bei zwischen Niederhalter und Matrize angeordnetem Werkzeug das Durchsetzfügen der Bauteile erfolgt. Dazu weist die Vorrichtung auf der Stempelseite außerhalb des Stempels und/oder auf der Seite der Matrize Mittel zur Einkopplung von Ultraschallschwingungen in die zu fügenden Bauteile auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen.
  • Aus der Druckschrift DE 101 61 250 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchsetzfügen (auch Clinchen genannt) von flächig aufeinanderliegenden Blechteilen bekannt, wobei mittels eines Fügewerkzeugs aus einem Stempel und einer einen Amboss aufweisenden Matrize Blechteile, Profile oder Mehrblechverbindungen unter der Wirkung mittels Ultraschall eingebrachten Umformenergie aus der Blechebene gemeinsam herausverlagert, gequetscht und stoffschlüssig verbunden werden. Das darin beschriebene Verfahren umfasst ein Durchsetzfügeverfahren, bei dem die Druckkräfte, die beim konventionellen Durchsetzfügen in einem Arbeitsschritt aufzubringen sind, reduziert werden. Die soll dabei mittels einer hochfrequenten Schwingung des Stempels als Sonotrode im Ultraschallbereich eingebracht werden. Ebenso kann die Umformenergie auch mittels einer hochfrequenten Schwingung der gesamten Matrix oder nur an gewissen Stellen der Matrix und bevorzugt an Stempel und Matrix eingebracht werden. Die Vorrichtung weist eine Ultraschalleinheit beispielsweise an gegenüberliegenden Stellen oder auch mehrere Ultraschalleinheiten der zu fügenden Materiallagen auf. Die Ultraschalleinheiten wirken so zusammen, dass sie ihren Energieeintrag bevorzugt gleichzeitig von gegenüberliegenden Bereichen aus dem Stempel und der Matrix in den Fügebereich der zu fügenden Materiallagen einleiten. Nachteilig ist dabei die Ausbildung des Umformstempels als Sonotrode und die Tatsache, dass nur metallische Werkstoffpaarungen gefügt werden können.
  • Eine Struktur eines Fahrzeugsitzes, bei welcher wenigstens zwei Strukturteile mittels Ultraschallschweißens an wenigstens einer Kontaktstelle miteinander verbunden werden, wird in der Druckschrift DE 10 2006 033 156 A1 beschrieben. Die Materialien können dabei Aluminium/Aluminiumlegierungen einerseits und Stahl andererseits sein. Es sind aber auch andere Materialien möglich, beispielsweise glasfaserverstärkte oder andere faserverstärkte Kunststoffe, beispielsweise in Kombination mit einem der vorgenannten Metalle. Dabei können zwei oder mehr Strukturteile gleichzeitig miteinander verbunden werden. Die Verbindung an mehreren Kontaktstellen gleichzeitig, beispielsweise mittels mehrerer, gegebenenfalls unterschiedlicher Sonotroden einer Ultraschweiß-Vorrichtung soll mit dieser Lösung ebenfalls möglich sein. Ein zusätzliches Durchsetzfügen erfolgt bei dieser Lösung nicht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen zu entwickeln, mit welchen eine zuverlässige Verbindung herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. und ... Patentanspruchs gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen, wobei wenigstens ein erstes Bauteil aus Metall und wenigstens ein zweites Bauteil aus Kunststoff besteht, unter Anwendung eines Umformstempels zum Durchsetzfügen der Bauteile, eines Niederhalters und einer dem Stempel gegenüber angeordneten Matrize, die eine Ausnehmung aufweist, in welche mit dem Stempel der Werkstoff der Bauteile beim Durchsetzfügen eingebracht wird, erfolgt erstmalig eine Einkopplung von Ultraschallschwingungen in einem den Stempel umringenden Bereich aus Richtung des Stempels und/oder aus Richtung der Matrize, wodurch das Material des aus Kunststoff bestehenden Bauteils zumindest teilweise plastifiziert oder aufgeschmolzen wird und zeitgleich oder zeitlich versetzt bei zwischen Niederhalter und Matrize angeordnetem Werkzeug das Durchsetzfügen der Bauteile erfolgt.
  • Dadurch, dass die Sonotrode in einem den Stempel umringenden Bereich angeordnet ist, wird der Werkstoff des aus Kunststoff bestehenden Bauteils über einen großen Flächenbereich plastifiziert bzw. aufgeschmolzen, der in den Stempelbereich hineinreicht und den Stempelbereich umringt. Dadurch wird zusätzlich zur Clinchverbindung ein Stoffschluss zwischen den Fügepartnern erzeugt.
  • Vorrichtungsseitig ist dabei auf der Stempelseite außerhalb des Stempels (bevorzugt diesen umringend) und/oder auf der Seite der Matrize die Mittel zur Einkopplung von Ultraschallschwingungen in die zu fügenden Bauteile angeordnet. Dadurch, dass Stempel und Sonotrode getrennt sind, können die Fügeparameter besser auf den Bauteilwerkstoff abgestimmt werden.
  • Die Herstellung einer Fügeverbindung zwischen Metall und schmelzbaren bzw. plastifizierbaren Kunststoffen mittels der erfindungsgemäßen Kombination des Clinchens und des Schmelzklebens gewährleistet eine wesentlich höhere Festigkeit der Verbindung. Bei Verbindungen, die mit dieser Verfahrenskombination hergestellt wurden, könnten ca. 20% höhere Lasten gegenüber der Summe der Einzelverfahren nachgewiesen werden. Durch das Plastifizieren bzw. Aufschmelzen des Werkstoffs des Kunststoffbauteils wird eine Schmelzklebeverbindung erzeugt, wobei der Klebstoff durch lokales Anschmelzen bzw. Plastifizieren der Oberfläche des Polymerfügeteils gebildet wird. Es wird kein separater Klebstoff zugeführt. Das Aufschmelzen erfolgt durch Einkoppeln von Ultraschall, welcher eine Relativbewegung zwischen den Fügeteilen bewirkt und zu einer Erwärmung der Fügeteile bis zum Schmelzen des Polymers führt. Entscheidend für die Erwärmung ist die Oberflächenreibung zwischen den beiden Fügepartnern. Um eine größere Flache anzubinden und ein „Verklammern“ des Polymers am Metall zu ermöglichen, können die metallischen Fügeteile vor dem Fügen zumindest an den Fügepositionen durch Oberflächenbehandlungen behandelt werden. Die Clinchverbindung wird erstmalig innerhalb der Klebefläche eingebracht. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindung sowohl in einzelnen Arbeitsschritten als auch in einer Anlage ohne Umspannen hergestellt werden kann, indem vorzugsweise der Niederhalter und/oder die Matrize der Clinchmaschine gleichzeitig als Ultraschall-Sonotrode ausgebildet sind, um die Klebeverbindung herzustellen. Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass eine Klebeverbindung und eine durch Durchsetzfügen hergestellte Verbindung zwischen Bauteilen aus Kunststoff und Metall hergestellt werden, bei welcher kein separater Klebstoff zugeführt werden muss. Als Voraussetzung dafür muss ein Fügepartner aus einem schmelzbaren/plastifizierbaren Kunststoff bestehen. Weiterhin ist die Verbindung nach dem Fügen sofort mit ihrer Maximalkraft beaufschlagbar, da es sich um einen Schmelzklebstoff handelt, der nicht aushärten muss. Die Prozesslaufzeit ist wesentlich geringer, da die Erwärmung mittels Ultraschall eingebracht und nach dem Klebevorgang die Wärme auch sehr schnell durch den metallischen Partner abgeführt wird. Als weiterer großer Vorteil ist zu nennen, dass vorhandene Clinchmaschinen, die bei produzierenden Firmen für Blech/Blech-Verbindungen genutzt werden, durch eine zusätzliche Ausstattung mit einem Stempel und/oder eine Matrize als Sonotrode zukünftig auch für solche Werkstoffverbindungen genutzt werden können.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 das Einlegen der Fügepartner in die Vorrichtung, stempelseitig (oben) ein erstes Bauteil aus Kunststoff, matrizenseitig (unten) ein zweites Bauteil aus Metall,
  • 2 das Herunterfahren des Niederhalters,
  • 3 die Einkopplung von Ultraschall mit dem Niederhalter als Sonotrode und Bildung einer Schmelzklebzone,
  • 4 Clinchen (Durchsetzfügen),
  • 5 Zurückfahren des Stempels und Öffnen des Niederhalters,
  • 6 das Entnehmen des gefügten Bauteiles,
  • 7 die fertig hergestellte Verbindung.
  • Die zu fügenden Bauteile in Form des ersten Bauteils 1 aus Kunststoff und des zweiten Bauteils 2 aus Metall werden bedarfsweise gereinigt und ggf. einer Oberflächenbehandlung unterzogen. Das zweite Bauteil aus Metall wird in der Fügemaschine auf der Seite der Matrize 3, welche eine Ausnehmung 4 aufweist, eingelegt und das erste Bauteil 1 auf der Seite des Stempels 5 und des Niederhalters 6 in der Vorrichtung positioniert (1). Der Niederhalter (6) weist eine profilierte Unterseite 6.1 auf und umringt den Stempel 5. Der Stempel 5 verjüngt sich in Richtung zu seiner Druckfläche 5.1 und somit in Richtung zur Matrize 3.
  • Nun fährt der Niederhalter 6 in Richtung zur Matrize 3 herunter und hält die Bauteile 1, 2 in Position (2). Der Niederhalter 6 ist gleichzeitig als Ultraschallsonotrode ausgebildet. Die Strukturierung auf der Unterseite 6.1 ermöglicht eine bessere Einleitung des Ultraschalls in die Bauteile 1, 2. Je nach Materialstärke und -art wird nun der Ultraschall US für eine gewisse Zeit eingekoppelt und mit einer bestimmten Kraft F1 die Bauteile 1, 2 zusammengedrückt (3). Dadurch bildet sich eine Schmelzklebezone 7 im Bereich der Sonotrode /des Niederhalters 6 aus. Unmittelbar danach fährt der Stempel 5 gemäß 4 mit einer Kraft F2 herunter und formt den Werkstoff des ersten und zweiten Bauteils 1, 2 in die Ausnehmung 4 der Matrize 3, wodurch der sogenannte Clinchpunkt P gesetzt wird. Im nächsten Schritt fahren der Stempel 5 und der Niederhalter 6 wieder nach oben und geben die durch die stoffschlüssige Verbindung und die Chlinchverbindung im Chlinchpunkt P hergestellte Metall-Kunststoff-Verbindung des ersten und zweiten Bauteils 1, 2 frei (5).
  • Die Fügeverbindung ist hergestellt und das Verbundbauteil 8 mit dem Clinchpunkt P kann jetzt gem. 6 aus der Vorrichtung entnommen werden.
  • Das hergestellte Verbundbauteil 8 ist in 7 dargestellt. Die Verbindung ist sofort einsatzbereit und voll belastbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10161250 A1 [0002]
    • DE 102006033156 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen, wobei wenigstens ein erstes Bauteil aus Metall und wenigstens ein zweites Bauteil aus Kunststoff besteht, unter Anwendung eines Umformstempels zum Durchsetzfügen der Bauteile, eines Niederhalters und einer dem Stempel gegenüber angeordneten Matrize, die eine Ausnehmung aufweist, in welche mit dem Stempel der Werkstoff der Bauteile beim Durchsetzfügen eingebracht wird, – wobei eine Einkopplung von Ultraschallschwingungen in einem den Stempel umringenden Bereich aus Richtung des Stempels und/oder aus Richtung der Matrize erfolgt, wodurch das Material des aus Kunststoff bestehenden Bauteils zumindest teilweise plastifiziert oder aufgeschmolzen wird und – dazu zeitgleich oder zeitlich versetzt bei zwischen Niederhalter und Matrize angeordnetem Werkzeug das Durchsetzfügen der Bauteile erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter und/oder die Matrize als Sonotrode ausgebildet sind und die Ultraschallschwingungen auf die Bauteile übertragen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Plastifizieren/Aufschmelzen des aus Kunststoff bestehenden Bauteils mittels der Sonotrode zuerst durchgeführt wird und anschließend das Durchsetzfügen erfolgt, wobei das aus Metall bestehende Bauteil in Richtung zur Sonotrode angeordnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Herstellung der Verbindung zumindest an der Verbindungsposition eine Aufrauung/Vergrößerung der Oberfläche des metallischen Bauteils erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – mit der Sonotrode der Ultraschall für einen ersten Zeitraum eingekoppelt und die Bauteile mit einer ersten Kraft F1 zwischen Niederhalter und Matrize zusammengedrückt werden und – anschließend der Stempel mit einer zweiten Kraft das Durchsetzfügen der Bauteile durchführt und – in nächsten Schritt der Stempel und der Niederhalter eine Rückhubbewegung vollführen und die Bauteilverbindung freigeben.
  6. Vorrichtung zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen, wobei wenigstens ein erstes Bauteil aus Metall und wenigstens ein zweites Bauteil aus Kunststoff besteht, unter Anwendung eines Umformstempels zum Durchsetzfügen der Bauteile, eines Niederhalters und einer dem Stempel gegenüber angeordneten Matrize, die eine Ausnehmung aufweist, in welche mit dem Stempel der Werkstoff der Bauteile beim Durchsetzfügen eingebracht wird, wobei auf der Stempelseite außerhalb des Stempels und/oder auf der Seite der Matrize Mittel zur Einkopplung von Ultraschallschwingungen in die zu fügenden Bauteile angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter und/oder die Matrize als Sonotrode zur Einkopplung von Ultraschallschwingungen in die zu fügenden Bauteile ausgebildet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter die Sonotrode ist und mit einer ersten Kraft F1 auf die Bauteile wirkt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize in dem die Ausnehmung umringenden Bereich als Sonotrode ausgebildet ist.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110126396A1 (en) * 2008-07-30 2011-06-02 Christopher James Clarke Joining apparatus and method
EP2754546A1 (de) * 2013-01-11 2014-07-16 Airbus Operations GmbH Verbindung von Titan und Titanlegierungen an Kohlenstofffasern und kohlenstofffaserverstärkten Polymerkomponenten durch Ultraschallschweißen
US9346241B2 (en) 2014-01-15 2016-05-24 Ford Global Technologies, Llc Composite panel for joining with a clinch joint and method of forming a clinch joint
CN105689563A (zh) * 2016-03-01 2016-06-22 西安交通大学 一种轻量化板材的平底无铆振动连接成形装置及工艺
CN105728575A (zh) * 2016-03-01 2016-07-06 西安交通大学 轻量化板材的双冲头复合多自由度平底无铆塑性连接工艺
CN108656437A (zh) * 2018-04-26 2018-10-16 浙江爱美德旅游用品有限公司 一种行李箱塑料硬壳生产方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10161250A1 (de) 2001-12-13 2003-07-03 Daimler Chrysler Ag Vorrichtung und Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechen
DE102006033156A1 (de) 2006-07-18 2008-01-24 Keiper Gmbh & Co.Kg Struktur eines Fahrzeugsitzes

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10161250A1 (de) 2001-12-13 2003-07-03 Daimler Chrysler Ag Vorrichtung und Verfahren zum mechanischen Fügen von Blechen
DE102006033156A1 (de) 2006-07-18 2008-01-24 Keiper Gmbh & Co.Kg Struktur eines Fahrzeugsitzes

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110126396A1 (en) * 2008-07-30 2011-06-02 Christopher James Clarke Joining apparatus and method
US9937548B2 (en) * 2008-07-30 2018-04-10 Henrob Limited Joining apparatus and method
EP2754546A1 (de) * 2013-01-11 2014-07-16 Airbus Operations GmbH Verbindung von Titan und Titanlegierungen an Kohlenstofffasern und kohlenstofffaserverstärkten Polymerkomponenten durch Ultraschallschweißen
US9346241B2 (en) 2014-01-15 2016-05-24 Ford Global Technologies, Llc Composite panel for joining with a clinch joint and method of forming a clinch joint
CN105689563A (zh) * 2016-03-01 2016-06-22 西安交通大学 一种轻量化板材的平底无铆振动连接成形装置及工艺
CN105728575A (zh) * 2016-03-01 2016-07-06 西安交通大学 轻量化板材的双冲头复合多自由度平底无铆塑性连接工艺
CN105728575B (zh) * 2016-03-01 2018-07-03 西安交通大学 铝合金薄板的双冲头复合多自由度平底无铆塑性连接工艺
CN108656437A (zh) * 2018-04-26 2018-10-16 浙江爱美德旅游用品有限公司 一种行李箱塑料硬壳生产方法

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