DE102012004499A1

DE102012004499A1 - Verfahren zum Fixieren und/oder Anbinden eines Bauteils aus Kunststoff wie aus thermoplasischem Polymer an einem Bauteil aus Metall beim Fügen der Bauteile

Info

Publication number: DE102012004499A1
Application number: DE201210004499
Authority: DE
Inventors: Thomas Gigengack; Gerd Esser; Selahattin Kaya; Thomas Streubel
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: DE102012004499B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren und/oder Anbinden eines Bauteils aus Kunststoff wie aus thermoplastischen Polymer an einem Bauteil aus Metall beim Fügen der beiden Bauteile, wobei das Polymerbauteil auf dem Metallbauteil unmittelbar oder mittels einer aushärtbaren Klebstoffschicht aufgebracht wird, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Polymerbauteil an dem Metallbauteil dauerhaft zu befestigen, und wobei das Polymerbauteil an dem Metallbauteil unmittelbar oder zumindest während des Aushärtens der Klebstoffschicht durch diese an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden wird. Um eine effektive Fixierung und/oder Anbindung des Polymerbauteils an dem Metallbauteil bei Minimierung von Materialschädigung an den beiden Bauteilen zu erreichen, wird mindestens ein metallisches Fixierelement, bestehend aus einem Basisteil und mindestens einem sich von diesem erstreckenden stiftförmigen Schenkel, mit letzterem zu der dem Metallbauteil abgewandten Oberfläche des thermoplastischen Polymerbauteils geführt und zugleich vor Berührung des Polymerbauteils direkt oder indirekt auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, anschließend der mindestens eine stiftförmige Schenkel des Fixierelementes durch das thermoplastische Polymerbauteil oder durch dieses und die zwischen letzterem und dem Metallbauteil positionierte aushärtbare Klebstoffschicht getrieben, wobei das freie Ende des mindestens einen stiftförmigen Schenkels des Fixierelementes an dem Metallbauteil zur Anlage kommt, dann eine Spannung an das metallische Fixierelement und das Metallbauteil gelegt wird und das an dem Metallbauteil anliegende Ende des mindestens einen stiftförmigen Schenkels des Fixierelementes mittels des erzeugten Schweißstroms auf der dem Polymerbauteil zugewandten Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißmäßig angeschweißt und das Polymerbauteil somit an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren und/oder Anbinden eines Bauteils aus Kunststoff wie aus thermoplastischen Polymer an einem Bauteil aus Metall beim Fügen der beiden Bauteile, wobei das Polymerbauteil auf dem Metallbauteil unmittelbar oder mittels einer aushärtbaren Klebstoffschicht aufgebracht wird, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Polymerbauteil an dem Metallbauteil dauerhaft zu befestigen, und wobei das Polymerbauteil an dem Metallbauteil unmittelbar oder zumindest während des Aushärtens der Klebstoffschicht durch diese an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden wird,
Herkömmlicherweise werden beim Fügen von Thermoplasten und Metallen mechanische oder hybride Verfahren wie Kleben in Verbindung mit mechanischem Fixieren eingesetzt. Beim mechanischen Fügen kommen vor allem Stanzniete, seltener Blindniete oder selbstschneiden oder fließlochformende Schrauben zum Einsatz.
So ist aus der DE 101 49 633 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils aus einem Metallbauteil und einer Kunststoffstruktur bekannt, bei der das Metallbauteil, bei dem auf mindestens einer Fläche mindestens ein Stanzrand oder Stanzkragen vorgesehen wird, und die Kunststoffstruktur mit Hilfe eines oder mehrerer Fügewerkzeuge zusammenpresst werden, wobei der Stanzrand und/oder der Stanzkragen form- und kraftschlüssig in die Kunststoffstruktur eindringt oder diese durchdringt. Absehen von den Kosten für die Fügewerkzeuge ergeben sich durch die hier auftretenden verhältnismäßig starken Kerbwirkungen unerwünschte Schädigungen an der Kunststoffstruktur.
Weiterhin ist aus der DE 10 2009 051 392 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus mindestens einem vorzufertigenden Metallbauteil und mindestens einem Kunststoffbauteil bekannt, bei dem in einer Oberfläch des Metallbauteils, die an dem Kunststoffbauteil in Anlage zu bringen ist, eine Verzahnungsanordnung mit einer Vielzahl im Abstand zueinander angeordneter Verzahnungselemente mit jeweiliger Schneide eingeprägt wird, die einzelnen Verzahnungselemente der Verzahnungsanordnung anschließend jeweils um eine Biegekante aus der Oberfläche des Metallbauteils heraus gebogen werden und jeweils ein Eingriffselement bilden und nachfolgend beim Zusammenpressen des Metallbauteils und des Kunststoffbauteils in dieses eingeschnitten werden, wobei die einzelnen Verzahnungselemente der Verzahnungsanordnung jeweils einen Hinterschnitt in dem Kunststoffbauteil bilden und das Metallbauteil und das Kunststoffbauteil an einer entsprechenden Vielzahl formschlüssiger Verbindungen zu dem Verbundkörper verbinden.
Aus der DE 10 2008 035 465 A1 ist ferner ein Verfahren zum Fixieren eines Bauteils mit einer Kunststoffoberfläche an einem Metallbauteil bekannt, bei dem zwischen dem Kunststoffbauteil und dem Metallbauteil eine Schicht einer aushärtbaren Zusammensetzung positioniert wird, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Kunststoffbauteil an dem Metallbauteil dauerhaft zu befestigen. Hier wird die Oberfläche des Kunststoffbauteils, die mit dem Metallbauteil zu verbinden ist, einstückig mit einer Vielzahl auf das Metallbauteil auszurichtenden und im Abstand zueinander angeordneten Abstandshaltern versehen, die jeweils mit einer thermoplastischen Opfernase als einstückiges Element der Oberfläche des Kunststoffbauteils mit einer Höhe ausgebildet werden, die gleich der oder größer als die Dicke der zwischen der Kunststoffoberfläche und der Metalloberfläche vorzusehenden Schicht der aushärtbaren Zusammensetzung ist. Die thermoplastischen Opfernasen der einstückigen Elemente werden dann temporär und lokal aufgeschmolzen, auf die gegenüberliegende Oberfläche des Metallbauteils plastifiziert aufgepresst und während einer anschließenden Sekunden währenden Abkühlphase mit der Metalloberfläche zur einer festen, fixierenden Verbindung gefügt, durch die über die Aushärtezeit der Schicht der aushärtbaren Zusammensetzung hinaus die erforderliche Fixierung des an dem Metallbauteil zu befestigenden Kunststoffbauteils gegeben ist.
Insbesondere bei der Kfz-Produktion oder im Bauwesen ist es jedoch erwünscht, Kunststoffbauteile mit metallischen Bauteilen oder Werkstücken zu fixieren und/oder zu verbinden, ohne dass Schädigungen an dem Kunststoffbauteilen durch Kerbwirkungen und/oder Materialtrennungen auftreten und ohne aufwendige Werkzeuge für die Fixierung einsetzen zu müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem unter Vermeidung vorstehender Bereiche an der Fügestelle bei Minimierung von Kerbwirkungen in dem Kunststoffbauteil durch das mindestens eine Fixierelement eine einfache, schnelle und effektive Fixierung und/oder Anbindung des Kunststoffbauteils an dem Metallbauteil bei der Herstellung des entsprechenden Verbundkörpers gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs erwähnte Verfahren, das gekennzeichnet ist durch folgende Verfahrensschritte:
mindestens ein metallisches Fixierelement, bestehend aus einem Basisteil und mindestens einem sich von diesem erstreckenden stiftförmigen Schenkel wird mit diesem gegen die dem Metallbauteil abgewandte Oberfläche des thermoplastischen Polymerbauteils geführt und
zugleich vor Berührung des Polymerbauteils direkt oder indirekt auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt,
anschließend wird der mindestens eine stiftförmige Schenkel des Fixierelementes durch das thermoplastische Polymerbauteil oder durch dieses und die zwischen letzterem und dem Metallbauteil positionierte aushärtbare Klebstoffschicht getrieben, wobei das freie Ende des mindestens einen stiftförmigen Schenkels des Fixierelementes an dem Metallbauteil zur Anlage kommt,
dann wird eine Spannung an das metallische Fixierelement und das Metallbauteil gelegt und das an dem Metallbauteil anliegende Ende des mindestens einen stiftförmigen Schenkels des Fixierelementes mittels des erzeugten Schweißstroms auf der dem Polymerbauteil zugewandten Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt und das Polymerbauteil somit an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden.
Vorzugsweise wird als metallisches Fixierelement ein bügelartige Klammer aus Stahl, Aluminium oder einem thermisch schweißbaren Material verwendet, die ein Basisteil aufweist dessen beiden Enden ein sich rechtwinklig erstreckender stiftförmiger Schenkel ausgebildet ist, dessen Länge jeweils mindestens entsprechend der Dicke des Polymerbauteils gewählt wird.
Als metallisches Fixierelement kann auch ein nagelförmiges Element verwendet werden, das aus einem Nagelkopf als Basisteil und einem sieh von diesem erstreckenden spitz zulaufenden Schenkel aufweist, dessen Länge mindestens entsprechend der Dicke des Polymerbauteils gewählt wird.
Das metallische Fixierelement wird mittels einer letzteres umfassenden Heizspule oder mittels einer Elektrodeneinrichtung, die in einer senkrecht zur Oberfläche des Polymerbauteils bewegbaren Halterungsvorrichtung für das metallische Fixierelement integriert und zwischen deren Elektroden ein Isolator angeordnet ist, auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt wird, indem die Elektroden der Elektrodeneinrichtung mit dem metallischen Fixierelement unter Anlegen einer Kurzschlußspannung in Kontakt gebracht werden.
Vorzugsweis wird die metallische bügelartige Klammer mit ihrem Basisteil in einer Aufnahmerille der senkrecht zur Oberfläche des Polymerbauteils bewegbaren Halterungsvorrichtung aufgenommen, wobei die beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer senkrecht in Bezug zu dem Polymerbauteil ausgerichtet werden und die metallische bügelartige Klammer von der Halterungsvorrichtung gegen das Polymerbauteil bewegt, gleichzeitig durch Anlegen der Kurzschlussspannung an die Elektroden der Elektrodeneinrichtung der Halterungsvorrichtung aufgeheizt und anschließend mittels der Halterungsvorrichtung durch das Polmerbauteil getrieben wird, bis die freien Enden der beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer auf das Metallbauteil auftreffen. Hierbei wird der Kontaktwiderstand zwischen der metallischen bügelartigen Klammer und dem Metallbauteil überwacht, und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Kontaktwiderstandes erfolgt eine Umpolung der Spannung derart, dass diese dann zwischen der Elektrodeneinrichtung der Halterungsvorrichtung und dem Metallbauteil anliegt und ein Schweißstrom fließt, durch den die freien Enden der beiden stiftförmigen Schenkel der metallische bügelartigen Klammer bolzenschweißartig auf der Oberfläche des Metallbauteils gleichzeitig angeschweißt werden.
Die Halterungsvorrichtung kann mit der in der Aufnahmerille gehalterten metallischen bügelartigen Klammer zur Stabilisierung ihrer Bewegung senkrecht zum Polymerbauteil durch eine senkrecht zur Oberfläche des letzteren positionierte Klammerführung geführt werden. Die Aufheizung der metallischen bügelartigen Klammer kann dann bei ihrer Bewegung innerhalb der Klammerführung indirekt durch ein die Klammerführung erwärmenden Heizelement, durch induktive Erwärmung oder mittels Pertier-Elementen erfolgen.
Bevorzugt wird das metallische bügelartige Fixierelement oder die metallische bügelartige Klammer mit einer solchen Höhe h₁ und einem solchen Drahtdurchmesser d verwendet, dass die dem Polymerbauteil zugewandte Fläche des Basisteils des metallischen Fixierelementes bzw. der metallischen bügelartigen Klammer im angeschweißten Zustand des stiftförmigen Schenkels des metallischen Fixierelementes bzw. der beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer auf der zum Metallbauteil abgewandten Fläche des Polymerbauteils, dessen Höhe h₂ ist, plan zu liegen kommt, wobei h₁ – h₂ = d ist.
Das metallische Fixierelement oder die metallische bügelartige Klammer kann jedoch auch mit einer solchen Höhe h₁ verwendet werden, dass die zum stiftförmigen Schenkel bzw. zu den beiden stiftförmigen Schenkeln abgewandte Oberfläche des Basisteils des metallischen Fixierelementes bzw. der metallischen bügelartigen Klammer im angeschweißten Zustand des stiftförmigen Schenkels des metallischen Fixierelementes bzw. der beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer innerhalb des Polymerbauteils, das die Höhe h₂ aufweist, zumindest plan zu der Oberfläche des Polymerbauteils positioniert wird, die zum Metallbauteil abgewandt liegt, wobei h₁ ≤ h₂ ist Vorzugsweise wird eine Vielzahl metallischer bügelartiger Klammern nacheinander und/oder gleichzeitig im Abstand zueinander durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht getrieben und beim Auftreffen der freien Enden der jeweiligen stiftförmigen Schenkel in Form einer Tackerschweißung nacheinander und/oder gleichzeitig auf der Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt.
Als metallisches Fixierelement kann auch ein nagelförmiges Element verwendet werden, das aus einem Nagelkopf als Basisteil und einem sich von diesem erstreckenden, spitz zulaufenden Schenkel besteht und mit dem Nagelkopf in die senkrecht zur Oberfläche des Polymerbauteils bewegbare Halterungsvorrichtung eingebracht und mit dem spitz zulaufenden Schenkel zur Oberfläche des Polymerbauteils hin ausgerichtet wird. Hierbei wird der Nagelkopf des metallischen nagelförmigen Fixierelementes an den Elektroden der Elektrodeneinrichtung und den zwischen diesen positionierten Isolator angelegt, worauf das metallische nagelförmige Fixierelement durch eine an die Elektrodeneinrichtung gelegte Kurzschlußspannung mittels Widerstandsheizung auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt, zugleich senkrecht in Richtung zur Oberfläche des Polymerbauteils hin bewegt und durch das Polymerbauteil oder durch dieses und die Klebstoffschicht getrieben wird, bis der spitz zulaufenden Schenkel des metallischen nagelförmigen Fixierelementes auf das Metallbauteil auftrifft, wobei der Kontaktwiderstand zwischen dem metallischen nagelförmigen Fixierelement und dem Metallbauteil überwacht wird. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Kontaktwiderstandes erfolgt dann eine Umpolung der Spannung derart, dass diese zwischen dem metallischen nagelförmigen Fixierelement und dem Metallbauteil anliegt und ein Schweißstrom fließt, durch den der spitz zulaufende Schenkel des metallischen nagelförmigen Fixierelementes auf der Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt wird. Die Aufheizung des nagelförmigen Fixierelementes kann auch durch induktive Erwärmung des letzteren oder mittels Pertier-Elementen erfolgen.
Bevorzugt wird das metallische Fixierelement auf eine Temperatur im Bereich von 180°C bis 200°C aufgeheizt, wobei die Dauer der Aufheizung des metallischen Fixierelementes 200 ms bis 300 ms beträgt und das Anschweißen des freien Endes des stiftförmigen Schenkels des metallischen Fixierelementes auf der Oberfläche des Metallbauteils 500 ms dauert.
Die oben benannte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß auch durch ein eingangs erwähntes Verfahren gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
ein fortlaufender metallischer Draht wird um eine Umlenkrolle geführt, die am freien Ende einer senkrecht zu dem Polymerbauteil bewegbaren nadelförmigen Elektrodenvorrichtung vorgesehen wird, das dem Polymerbauteil gegenüber zu positionieren ist,
dann wird das freie Ende der nadelförmigen Elektrodeneinrichtung direkt oder indirekt auf eine Temperatur aufgeheizt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt,
darauf wird das erwärmte freie Ende der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht getrieben und dabei der um die Umlenkrolle geführte Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes von dem freien Ende der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht bis zum Anschlag an dem Metallbauteil gedrückt,
beim Anschlag des um die Umlenkrolle geführten Abschnitts des fortlaufenden metallischen Drahtes an dem Metallbauteil wird eine Spannung an die nadelförmige Elektrodenvorrichtung und an das Metallbauteil gelegt und der an das Metallbauteil von der Umlenkrolle gedrückte Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes durch den gegebenen Schweißstrom an der Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt,
darauf wird die nadelförmige Elektrodenvorrichtung senkrecht zur Oberfläche aus dem Polymerbauteil in ihre Ausgangsposition oberhalb des letzteren zurückgeführt, wobei der vorlaufenden Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes von der Umlenkrolle der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung durch das Polymerbauteil zu dessen Oberfläche geführt wird, und
anschließend parallel zur Oberfläche des Polymerbauteils um eine Strecke versetzt wird, um die im Abstand zum ersten Schweißpunkt der von Umlenkrolle der Elektrodenvorrichtung geführte Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes erneut bei sich wiederholender Verfahrensweise der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung auf der Oberfläche des Metallbauteils angeschweißt wird.
Weiterhin wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
in einer zum Polymerbauteil senkrecht bewegbaren hohlzylindrischen Nadelführung mit einem konisch zulaufenden Ende wird koaxial eine in Axialrichtung letzterer bewegbare Elektrodennadel positioniert und ein fortlaufender metallischer Draht unterhalb der Elektrodennadel durch das konisch zulaufende, dem Polymerbauteil zugewandte Ende der hohlzylindrischen Nadelführung geführt,
dann wird die hohlzylindrische Nadelführung mittels eines ihren Außenmantel umfassenden Heizelementes auf einer Temperatur erwärmt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt und anschließend mit dem konisch zulaufenden Ende durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht getrieben,
beim Anschlag des konisch zulaufenden Endes der hohlzylindrischen Nadelführung an dem Metallbauteil wird die Elektrodennadel axial in der hohlzylindrischen Nadelführung zum Metallbauteil hin bewegt,
der Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes, der innerhalb des konisch zulaufenden Endes der hohlzylindrischen Nadelführung verläuft, dabei von der Elektrodennadel an die Oberfläche des Metallbauteils angedrückt,
gleichzeitig an die Elektrodennadel und das Metallbauteil eine Spannung angelegt und
der von der Elektrodenadel an das Metallbauteil angedrückte Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes an der Oberfläche des Metallbauteils durch den gegebenen Schweißstrom angeschweißt, wobei der fortlaufende metallische Draht von einem am konisch zulaufenden Ende der hohlzylindrischen Nadelführung auf der Oberfläche des Metallbauteils positioniert gehalten wird,
nach dem Schweißvorgang wird Spannung abgeschaltet, die Elektrodennadel innerhalb der hohlzylindrischen Nadelführung axial aufwärts in ihre Ausgangsposition bewegt und die hohlzylindrische Nadelführung mit dem konisch zulaufenden Ende senkrecht aufwärts aus dem Polymerbauteil gezogen, wobei der vorlaufende Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes vom Schweißpunkt ab in dem Polymerbauteil in die Höhe gezogen wird, bis die hohlzylindrische Nadelführung in ihre Ausgangsposition zurückbewegt ist,
worauf die hohlzylindrische Nadelführung unter Mitnahme des am ersten Schweißpunkt festgelegten vorlaufenden Teils des fortlaufenden metallischen Drahte oberhalb des Polymerbauteils parallel zu dessen Oberfläche um eine Strecke versetzt wird, um die vom ersten Schweißpunkt der fortlaufende metallische Draht in sich wiederholender Verfahrensweise erneut auf der Oberfläche des Metallbauteils verschweißt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet mit sämtlichen Variationen seiner Ausführungsformen eine effektive, schnelle und kostengünstige Fixierung von Thermoplasten auf Metallen, wobei bevorstehende Bereiche an der Fügestelle vermieden und Kerbwirkungen, die zu Materialschädigungen führen können, minimiert werden. Infolge der Verwendung eines Drahtes mit geringem Querschnitt für die metallische bügelartige Klammer im Polymerbauteil beim Tackerschweißen wie auch des Einsatzes eines derartigen fortlaufenden Drahtes im Polymer beim Nähschweißen gemäß der Erfindung kann eine Materialtrennung im Metall vermieden werden.
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
1a bis 1d schematisch die Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2a bis 2d schematisch eine erste Variation der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 schematisch eine zweite Variation der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 schematisch eine dritte Variation der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 schematisch eine vierte Variation der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6a bis 6c schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7 schematisch eine erste Variation der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
8 schematisch eine Darstellung, aus der die sich wiederholende Anwendung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgeht,
9a und 9b schematisch die Verfahrensschritte einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
11a und 11b schematisch Verfahrensschritte der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
12 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
13 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Halterungsvorrichtung für metallische bügelartige Klammern, die Bestandteil einer Vorrichtung zur Durchführung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, und
14a bis 14h schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen der bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten metallischen bügelartigen Klammer.
Aus den 1a bis 1d gehen die Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Fixieren und/oder Anbinden eines Kunststoffbauteils 1 an einem Metallbauteil 2 beim Fügen dieser Bauteile hervor, wobei das Kunststoffbauteil 1 zunächst unmittelbar auf das Metallbauteil 1 aufgebracht wird. Das Kunststoffbauteil 1 kann jedoch auch mittels einer nicht dargestellten aushärtbaren Klebstoffschicht auf das Metallbauteil 2 aufgebracht werden, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Kunststoffbauteil 1 an dem Metallbauteil 2 dauerhaft zu befestigen. Das zu fügende Kunststoffbauteil 1 kann aus thermoplastischem Polymer oder aus anderen gebräuchlichen Kunststoffen oder Kunststoffverbindungen bestehen. Das zu fügende Metallbauteil 2 kann aus herkömmlichem Stahl, Aluminium oder thermisch schweißbaren Materialien bestehen.
Wie 1a zeigt, wird dann ein metallisches Fixierelement 3 in Form einer metallischen bügelartige Klammer 3, die ein Basisteil 4 und zwei stiftförmige Schenkel 5 aufweist, die sich jeweils von einem Ende des Basisteils 4 senkrecht weg erstrecken, in einer Halterungsvorrichtung 6 derart aufgenommen, dass die stiftförmigen Schenkel 5 zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 hin gerichtet sind. Die Halterungsvorrichtung 6 ist in eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens integriert und senkrecht zur Oberfläche 7 des auf dem Metallbauteil 2 aufgebrachten Polymerbauteils 1 bewegbar. Die Halterungsvorrichtung 6 weist in ihrer dem Polymerbauteil 1 zugewandten Fläche eine in 12 gezeigte Aufnahmerille 8 aufweisen, in der das Basisteil 4 der metallischen bügelartigen Klammer 3 aufgenommen wird. In die Halterungsvorrichtung 6 ist mit einer Elektrodeneinrichtung 9 kombiniert, zwischen deren Elektroden 10 ein Isolator 11 angeordnet ist.
Wie 1a zeigt, wird an die Elektroden 10 der Elektrodeneinrichtung 9 der Halterungsvorrichtung 6 eine Spannung angelegt und die in der Aufnahmerille 8 mit dem Basisteil 4 aufgenommene metallische bügelartige Klammer 3 mittels Widerstanderwärmung durch einen von der negativen Elektrode 10 zur positiven Elektrode 10 fließenden konstanten Strom I auf eine Temperatur aufgeheizt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, und zwar auf eine Temperatur im Bereich von 180°C bis 200°C bei einer Dauer der Aufheizung im Bereich von 200 ms bis 300 ms abhängig von der Eigenschaft des verwendeten Kunststoffs oder der Kunststoffverbindungen des Kunststoffbauteils 1.
Gleichzeitig wird die Halterungsvorrichtung 6 senkrecht in Richtung des Polymerbauteils 1 bewegt, wie durch den Pfeil 12 gezeigt ist, wobei die stiftförmigen Schenkel 5 der von der Halterungsvorrichtung 6 geführten aufgeheizten metallischen bügelartigen Klammer 3 in das Polymerbauteil 1 eingedrückt werden, wie 1b zeigt.
Die aufgeheizte metallische bügelartige Klammer 3 wird dann von der Halterungsvorrichtung 6 durch das Polymerbauteil 1 getrieben, bis die freien Enden 13 der beiden stiftförmigen Schenkel 5 der metallischen bügelartigen Klammer 3 auf das Metallbauteil 2 auftreffen, wobei der Kontaktwiderstand zwischen der metallischen bügelartigen Klammer 3 und dem Metallbauteil 2 überwacht und bei Überschreitung eines vorgegebenen Wertes des Kontaktwiderstandes eine Umpolung der Spannung erfolgt, so dass, wie 1c zeigt, eine Spannung zwischen der Elektrodeneinrichtung 9 der Halterungsvorrichtung 6 und dem Metallbauteil 2 angelegt wird und ein Schweißstrom fließt. Die an dem Metallbauteil 2 anliegenden freien Enden 13 der beiden stiftförmigen Schenkel 5 der aufgeheizten metallischen bügelartigen Klammer 3 werden nun mittels des Schweißstroms unmittelbar auf der dem Polymerbauteil 1 zugewandten Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 bolzenschweißartig gleichzeitig angeschweißt und die metallischen bügelartige Klammer 2 somit gefügt.
Wie 1d verdeutlicht, wird in Abhängigkeit von der Höhe h₂ des Polymerbauteils 1 die metallische bügelartige Klammer 3 im gegebenen Fall mit einer solchen Höhe h₁ und mit einem solchen Durchmesser d gewählt, dass die zu den beiden stiftförmigen Schenkeln 5 abgewandte Oberfläche 15 des Basisteils 4 der metallischen bügelartigen Klammer 3 im angeschweißten Zustand der stiftförmigen Schenkel 5 der metallischen bügelartigen Klammer 3 innerhalb des Polymerbauteils 1 plan zu der Oberfläche 7 des letzteren positioniert wird.
Bei dem Verfahrensablauf gemäß der 1a bis 1d liegt die Taktzeit für das Durchdringen der metallischen bügelartigen Klammer 3 durch das Polymerbauteil 1, für die Spannungsumpolung und für den Schweißprozess jeweils unter 1 Sekunde.
Die 2a bis 2d zeigen schematisch eine erste Variante der aus den 1a bis 1d hervorgehenden ersten Ausführungsform des Verfahrens, wobei die Verfahrensschritte nach den 2a bis 2c mit denen der 1a bis 1c übereinstimmen. Wie aus 2d ersichtlich ist, wird bei dieser Verfahrensvariante jedoch in Abhängigkeit von der Höhe h₂ des Polymerbauteils 1 eine metallische bügelartige Klammer 3 mit einer solchen Höhe h₁ und mit einem solchen Durchmesser d verwendet, dass die dem Polymerbauteil 1 zugewandte Fläche 15 des Basisteils 4 der metallischen bügelartigen Klammer 3 im angeschweißten Zustand jedes freien Endes 13 der beiden stiftförmigen Schenkel 5 der metallischen bügelartigen Klammer 2 an der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 plan auf der zu letzterem abgewandten Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 positioniert wird.
Aus 3 geht eine zweite Variante der ersten Ausführungsform des Verfahrens nach den 1a bis 1d hervor, bei der im Unterschied zum Verfahrensschritt nach 1a die Aufheizung der in der Aufnahmerille 8 der Halterungsvorrichtung 6 aufgenommenen metallischen bügelartigen Klammer 3 auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur bei der Bewegung der Haltungsvorrichtung 6 in senkrechter Richtung zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 durch ein die metallische bügelartige Klammer 3 umfassendes Heizelement 17 in Form einer Heizspule erfolgt.
4 zeigt eine dritte Variation der ersten Ausführung des Verfahrens nach den 1a bis 1d, bei der die Halterungsvorrichtung 6 mit in deren Aufnahmerille 8 aufgenommenen metallischen bügelartigen Klammer 2 senkrecht in Richtung zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 während der Aufheizphase der metallischen bügelartigen Klammer 3 entsprechend 1a und 1b zur Stabilisierung zentrisch durch eine hohlzylindrische Klammerführung 16 bewegt wird, die sich senkrecht zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 erstreckt.
Bei einer in 5 gezeigten vierten Variation der ersten Ausführungsform des Verfahrens nach den 1a bis 1d wird die Halterungsvorrichtung 6 mit in deren Aufnahmerille 8 aufgenommenen metallischen bügelartigen Klammer 3 wie bei der dritten Variation des Verfahrens nach 4 während der Aufheizphase innerhalb der hohlzylindrischen Klammerführung 16 bewegt, die Aufheizung der metallischen bügelartigen Klammer 3 erfolgt jedoch unterschiedlich zur Variation nach 4 indirekt durch das die hohlzylindrische Klammerführung 16 erwärmende Heizelement 17 bei der Bewegung der Halterungsvorrichtung 6 innerhalb der Klammerführung 16 in Richtung zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1.
Aus 6 geht eine zweite Ausführungsform des Verfahrens hervor, bei der zunächst an einer vorbestimmten Position auf dem Metallbauteil 2 ein Paar senkrecht verlaufender Löcher 18 durch das Metallbauteil 2 gebohrt wird, deren mittiger Abstand gleich der Länge des Basisteils 4 der verwendeten metallischen bügelartigen Klammer 3 ist und deren Durchmesser d₂ geringfügig größer als der Durchmessers d₁ des Drahtes ist, aus dem die metallische bügelartige Klammer 3 einstückig gebildet wird. Vorzugsweise weisen die stiftförmige Schenkel 5 der verwendeten metallischen bügelartigen Klammer 3 jeweils eine Länge auf, die mindestens gleich der Summe aus der Dicke des Metallbauteils 2 und der Dicke des Polmerbauteils 1 ist. Die metallische bügelartige Klammer 3 wird dann mit ihrem Basisteil 4 in der Aufnahmerille 8 der Halterungsvorrichtung 6 aufgenommen und durch Anlegen einer Kurzschlußspannung an die Elektroden 10 der Elektrodeneinrichtung 9 der Halterungsvorrichtung 6 auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt. Gleichzeitig wird die Halterungsvorrichtung 6 senkrecht zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 bewegt derart, dass die senkrecht zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 ausgerichteten stiftförmigen Schenkel 5 der metallischen bügelartigen Klammer 3 axial mit den jeweiligen Löchern 18 des entsprechenden Lochpaares in dem Metallbauteil 2 fluchten. Die stiftförmigen Schenkel 5 der aufgeheizten metallischen bügelartigen Klammer 3 werden dann das durch das Polymerbauteil 2 gedrückt, worauf die Kurzschlußspannung abgeschaltet und eine Spannung an die Elektroden 10 der Elektrodeneinrichtung 9 der Halterungsvorrichtung 6 und das Metallbauteil 2 gelegt wird. Die beiden stiftförmigen Schenkel 5 der metallischen bügelartigen Klammer 3 werden dann jeweils in das zugeordnete Loch 18 des entsprechenden Lochpaares durch die weitere Abwärtsbewegung der Halterungsvorrichtung 6 eingeführt, bis ihr jeweiliges freies Ende 13 das zugeordnete Loch 18 durchsetzt hat. Dabei werden die stiftförmigen Schenkel 5 der metallischen bügelartigen Klammer 6 mit ihrem in dem jeweiligen Loch 18 befindlichen Abschnitt mittels des gegebenen Schweißstroms mit der jeweiligen Lochwand 19 verschweißt.
Bei einer in 7 gezeigten Variation der zweiten Ausführungsform des Verfahrens wird eine metallische bügelartige Klammer 3 verwendet, deren beide stiftförmigen Schenkel 5 eine Länge aufweisen, die erheblich größer als die Summe aus der Dicke des Polymerbauteils 1 und der Dicke des Metallbauteils 2 ist. Hierbei werden die beiden stiftförmigen Schenkel 5 der in der Aufnahmerille 8 der Halterungsvorrichtung 6 aufgenommene metallische bügelartige Klammer 3 ohne Aufheizung durch erhöhte Druckausübung mittels der Halterungsvorrichtung 6 durch das Polymerbauteil 1 getrieben und dann durch die fluchtend im Metallbauteil 2 vorgebohrten Löcher 18 des vorbestimmten Lochpaares geführt, bis das Basisteil 4 der metallischen bügelartigen Klammer 2 auf der zum Metallbauteil 2 abgewandten Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 zu liegen kommt und die freien Ende 13 der beiden stiftförmigen Schenkel 5 aus den Löchern 18 des entsprechenden Lochpaares hinausragen und dann jeweils durch eine durch den Pfeil 20 gekennzeichnete drehmomentartige Druckbeaufschlagung nach außen plan an die Oberfläche 43 des Metallbauteils anliegend gedrückt werden, die zum Polymerbauteil 1 abgewandt ist. Auf diese Weise wird das Polymerbauteil 1 durch eine mechanische Klammerung an dem Metallbauteil 2 fixiert und/oder angebunden.
In 8 ist schematisch die sich wiederholende Anwendung der ersten Ausführungsform des Verfahrens dargestellt. Hierbei wird eine Vielzahl identischer metallischer bügelartiger Klammern 3 jeweils nach Durchführung der Verfahrensschritte gemäß 1a und 1b nacheinander und/oder gleichzeitig im vorbestimmten Abstand zueinander durch das Polymerbauteil 1 und durch die zwischen letzterem und dem Metallbauteil 2 vorgesehene aushärtbare Klebstoffschicht 21 getrieben. Beim Auftreffen der freien Enden 13 der jeweiligen stiftförmigen Schenkel 5 auf das Metallbauteil 2 werden die identischen metallischen bügelartigen Klammern 3 sozusagen mittels einer Tackerschweißung nacheinander und/oder gleichzeitig auf der der aushärtbaren Klebstoffschicht 21 zugewandten Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 bolzenschweißartig entsprechend 1d angeschweißt. Eine derartige Tackerschweißung kann zum Fixieren und/oder Anbinden des Polymerbauteils 1 an dem Metallbauteil 2 beim Fügen der beiden Bauteile effektiv von Hand oder automatisch gesteuert z. B. mittels eines Roboters erfolgen.
Die 9a und 9b zeigen schematisch die Verfahrensschritte einer dritten Ausführungsform des Verfahrens, bei dem als metallisches Fixierelement ein nagelförmiges Element 22 verwendet wird, das aus einem Nagelkopf 23 als Basisteil und einem sich von diesem erstreckenden spitz zulaufenden Schenkel 24 besteht, dessen Länge mindestens entsprechend der Höhe h₂ des Polymerbauteils 1 gewählt wird. Der Nagelkopf 23 des metallischen nagelförmigen Fixierelementes 22, der im Grundriß rund oder rechteckförmig gestaltet sein kann, wird in die senkrecht zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 bewegbare Halterungsvorrichtung 6 derart eingebracht, dass der spitz zulaufende Schenkel 24 des nagelförmigen Fixierelementes 23 zur Oberfläche 7 Polymerbauteils 1 hin ausgerichtet ist. Hierbei liegen die Elektroden 10 der in die Halterungsvorrichtung 6 integrierten Elektrodeneinrichtung 9 und der zwischen den Elektroden 10 positionierte Isolator 11 an dem Nagelkopf 23 des nagelförmigen Fixierelementes 22 an und der Isolator 11 weist zentrisch eine Durchgangsöffnung 25 auf, durch die ein den Nagelkopf 23 beaufschlagender, senkrecht zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 axial bewegbarer Antriebskolben 26 führbar ist.
Das nagelförmige Fixierelement 22 wird durch eine an die Elektrodeneinrichtung 9 gelegte Kurzschlußspannung mittels Widerstandsheizung auf die über der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt, zugleich in senkrechter Richtung (Pfeil 12) zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils hin bewegt und mittels des Antriebskolbens 26 durch das Polymerbauteil 1 und die aushärtbare Klebstoffschicht 21, die zwischen dem Polymerbauteil 1 und dem Metallbauteil 2 positioniert ist, getrieben, bis das freie Ende des spitz zulaufenden Schenkels 24 des nagelförmigen Fixierelementes 22 auf das Metallbauteil 2 trifft. In diesem Moment wird die an der Elektrodeneinrichtung 9 der Halterungsvorrichtung 6 liegenden Kurzschlußspannung abgeschaltet und eine Spannung an den Nagelkopf 23 des nagelförmigen Fixierelementes 22 beaufschlagenden Antriebskolben 26 und das Metallbauteil 2 gelegt und das freie Ende des spitz zulaufenden Schenkels 24 des nagelförmigen Fixierelementes 22 bolzenschweißartig an der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 angeschweißt, die an die Klebstoffschicht 21 grenzt.
10 zeigt schematisch den wesentlichen Teil einer Vorrichtung zur Durchführung einer vierten Ausführungsform des Verfahrens, dem sogenannten Nähschweißen, die eine nadelartige Elektrodeneinrichtung 27 aufweist, die aus einem Kopf 28 und einen sich von diesem erstreckenden nadelförmigen Körper 29 besteht. Am freien Ende des nadelförmigen Körpers 29 ist eine Umlenkrolle 30 vorgesehen, um die ein fortlaufender metallischer Draht 31 oder ein fortlaufendes metallisches Band geführt ist. Die nadelartige Elektrodeneinrichtung 27 ist mit einer in 10 nicht gezeigten Antriebsmechanik der Vorrichtung zur Durchführung des Nähschweißens verbunden und von dieser senkrecht und parallel zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 bewegbar, die zum Metallbauteil 1 abgewandt ist. Die Antriebsmechanik der nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 ist von Hand oder automatisch z. B. mittels eines Roboters zu betätigen, um die nadelartige Elektrodeneinrichtung 27 mit der Umlenkrolle 30 z. B. senkrecht auf der Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 aufzusetzen. Um für das Nähschweißen den nadelförmigen Körper 29 der von der Antriebsmechanik bewegten nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 zusammen mit dem um die Umlenkrolle 30 geführten fortlaufenden metallischen Draht 31 durch das Polymerbauteil 1 treiben zu können, ist der nadelförmige Körper 29 zuvor auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufzuheizen. Nach Durchdringen und Auftreffen des aufgeheizten nadelförmigen Körpers 29 zusammen mit dem um die Umlenkrolle 30 geführten fortlaufenden metallischen Draht 31 ist eine Spannung an den Kopf 28 der nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 und das Metallbauteils 2 zu legen, um den an dieses von der der Umlenkrolle 30 angepressten metallischen fortlaufenden Draht 31 durch den gegebenen Schweißstrom punktuell an der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 anzuschweißen. Nach erfolgtem Schweißvorgang wird der nadelförmige Körper 29 zusammen mit dem von der Umlenkrolle 30 aus vorlaufenden Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes 31 durch die an der nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 angreifenden Antriebsmechanik senkrecht zur Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 aus dem Polymerbauteil 1 zurückgezogen. Die nadelartige Elektrodeneinrichtung 27 wird dann unmittelbar parallel zur Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 um eine Strecke versetzt, um die der vorlaufenden, von der Umlenkrolle 30 der nadelartige Elektrodeneinrichtung 27 auf der Oberfläche 7 des Polymerbauteils 1 mitgeführte metallische fortlaufende Draht 31 erneut bei sich wiederholender Verfahrensweise der nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 auf der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 punktuell in Form des Nähschweißens anzuschweißen ist.
Die 11a und 11b zeigen schematisch eine Variation des im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach 10 beschriebenen Nähschweißens. Hierbei wird die nagelartige Elektrodeneinrichtung 27 nicht aufgeheizt, sondern es werden vor Beginn des Nähschweißens in das Polymerbauteil 1, das mit dem Metallbauteil 2 zu fügen ist, eine Vielzahl Durchgangslöcher 32 jeweils im vorbestimmten Abstand zueinander gebohrt. Dann wird der fortlaufende metallische Draht 31, der um die Umlenkrolle 30 der nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 geführt ist, von dem nadelförmigen Körper 29 durch das erste Durchgangslöcher 32 des Polmerbauteils 1 geführt und bei Kontakt mit dem Metallbauteil 2 in der zuvor im Zusammenhang mit 10 beschriebenen Verfahrensweise auf der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 punktmäßig angeschweißt. Dann wird der vom Schweißpunkt 33 vorlaufende Teil des fortlaufend geführten metallischen Drahtes 31 in der zuvor beschriebenen Verfahrensweise von der nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 zu dem im vorbestimmten Abstand angeordneten zweiten Durchgangsloch 32 im Polymerbauteil 1 geführt und so weiter.
11a zeigt schematisch eine Nähschweißung mit sechs Schweißpunkten 33 auf der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2, wobei sich die nadelartige Elektrodeneinrichtung 27 oberhalb des siebten Durchgangsloches 32 des Polymerbauteils 1 in der Position vor dem Einführen des vom letzten Schweißpunkt 33 vorlaufenden Teils des fortlaufend geführten metallischen Drahtes 31 befindet. 11b zeigt die Position der nadelartigen Elektrodeneinrichtung 27 innerhalb des siebten Durchgangslochs 32 während des entsprechenden Anschweißens des von der Umlenkrolle 30 an dem Metallbauteil 2 angepressten fortlaufenden metallischen Drahtes 31 auf der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2.
12 zeigt schematische den wesentlichen Teil einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung der vierten Ausführungsform des Verfahrens. Bei dieser weiteren Vorrichtung zur Durchführung des sogenannten Nähschweißens ist eine hohlzylindrische Nadelführung 34 vorgesehen, die von einer in 12 nicht dargestellten, von Hand oder automatische, z. B. von einem Roboter betätigbaren Antriebsmechanik senkrecht zum Polymerbauteil 1 zu bewegen ist, wie der Pfeil 12 anzeigt. Die hohlzylindrische Nadelführung 34 weist ein konisch zulaufendes, zum Polymerbauteil 1 ausrichtbares Ende 35 auf, durch das der fortlaufende metallische Draht 31 geführt ist, mit dem ein Niederhalter 36 in Eingriff zu bringen ist, der am konisch zulaufenden Ende 35 der hohlzylindrischen Nadelführung 34 angeordnet ist. Koaxial in der hohlzylindrischen Nadelführung 34 ist eine Elektrodennadel 37 positioniert, die von der Antriebsmechanik in Axialrichtung der hohlzylindrischen Nadelführung 34 bewegbar ist. Weiterhin ist der Außenmantel 38 der hohlzylindrischen Nadelführung 34 von einer Heizspirale 39 umfasst, von der die hohlzylindrische Nadelführung 34 auf die Temperatur aufzuheizen ist, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt.
Bei der Durchführung des Nähschweißens mit der in 12 dargestellten Vorrichtung wird zunächst der fortlaufende metallische Draht 31 durch das konisch zulaufende Ende 35 der hohlzylindrischen Nadelführung 34 unterhalb der in letzterer axial beweglichen Elektrodennadel 37 geführt. Dann wird die hohlzylindrische Nadelführung 34 mittels der Heizspirale 39 auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur erhitzt und mit ihrem konisch zulaufenden Ende 35 durch das Polymerbauteils 1 getrieben. Bei Anschlag des konisch zulaufenden Endes 35 der hohlzylindrischen Nadelführung 34 an dem Metallbauteil 2 wird die Elektrodennadel 37 in der hohlzylindrischen Nadelführung 34 axial in Richtung des Polymerbauteils 1 bewegt und dabei der Abschnitt 40 des fortlaufenden metallischen Drahtes 31, der innerhalb des konisch zulaufenden Endes 35 der hohlzylindrischen Nadelführung 34 verläuft, von der Elektrodennadel 37 zum Metallbauteil 2 geführt und an dessen Oberfläche 14 angedrückt und auf dieser vom Niederhalter 36 dabei positioniert und fixiert. Zugleich wird an die Elektrodennadel 37 und das Metallbauteil 2 eine Schweißspannung angelegt und der Abschnitt 40 des fortlaufenden metallischen Drahtes 31 an der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 punktuell angeschweißt. Nach dem Schweißvorgang wird die Schweißspannung abgeschaltet, die Elektrodennadel 37 in der hohlzylindrischen Nadelführung 34 aufwärts in ihre Ausgangsposition bewegt und die hohlzylindrische Nadelführung 34 mit dem konisch zulaufenden Ende 35 aus dem Polymerbauteil 1 bewegt, wobei die vorlaufende Länge des metallischen Drahtes 31 in dem Polymerbauteil 1 vom Schweißpunkt 33 in die Höhe gezogen wird, bis die hohlzylindrische Nadelführung 34 senkrecht zum Polymerbauteil 1 in ihre Ausgangsposition zurückbewegt ist. Dann wird die hohlzylindrische Nadelführung 34 unter Mitnahme der vorlaufenden Länge des fortlaufenden metallischen Drahtes 31 oberhalb des Polymerbauteils 1 parallel zu diesem in einer vorbestimmten, durch den Pfeil 41 in 12 gekennzeichneten Richtung um eine Strecke versetzt, um die im Abstand zum ersten Schweißpunkt 33 der fortlaufende metallische Draht 31 in sich wiederholender Verfahrensweise erneut auf der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 gemäß dem Nähschweißverfahren zu verschweißen ist.
13 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Halterungsvorrichtung, die bei der Durchführung der ersten Ausführungsform des Verfahrens Verwendung finden kann. In diesem Fall bildet die Halterungsvorrichtung zugleich die Elektrodeneinrichtung 9, zwischen deren Elektroden 10 der Isolator 11 angeordnet ist, an dessen oberer Fläche 42 die nicht gezeigte Antriebsmechanik angreift, die von Hand oder automatisch z. B. mittels eines Roboters zu betätigen ist. Auf der zur oberen Fläche 42 des Isolators 11 gegenüber liegenden Unterseite der Elektrodeneinrichtung 9 ist die Aufnahmerille 8 ausgebildet, in der die Basis 4 des metallischen Fixierelementes 3 oder der metallischen bügelartigen Klammer 3 aufgenommen wird. Die Aufnahmerille 8 erstreckt sich mittig über die Unterseite der Elektrodeneinrichtung 9 in einer Richtung, die zur senkrechten Bewegungsrichtung der Elektrodeneinrichtung 9 im rechten Winkel verläuft.
Die 14a bis 14e zeigen jeweils eine Ausführungsform der verwendbaren metallischen bügelartigen Klammer 3, wobei nach den 11a bis 11e die freien Enden 13 der beiden stiftförmigen Schenkel 5 der einzelnen Ausführungsformen unterschiedlich gestaltet sind, und zwar bei 14a keilförmig mit einwärts gerichteter Keilfläche; bei 14b keilförmig mit noch außen gerichteter Keilfläche; bei 14c spitzförmig; bei 14d mit planer Endfläche und bei 14e in abgerundeter Form. Zur Erhöhung der Verbundfestigkeit der in das Polymerbauteil 1 eingetriebenen metallischen bügelartigen Klammers 3 im angeschweißten Zustand der Enden 13 der beiden stiftförmigen Schenkel 5 auf der Oberfläche 14 des Metallbauteils 2 kann die senkrecht verlaufende Oberfläche der beiden stiftförmigen Schenkel 5 aufgerauht oder mit Rillen oder Sägezähnen versehen sein. Weiterhin kann das Basisteil 4 der metallischen bügelartigen Klammer 3 eine Breite aufweisen, die größer als der Durchmesser der stiftförmigen Schenkel 5 ist.
Bezugszeichenliste

1: Kunststoffbauteil, thermoplastisches Polymerbauteil
2: Metallbauteil
3: metallisches Fixierelement, metallische bügelartige Klammer
4: Basisteil der metallischen bügelartigen Klammer
5: Stiftförmiger Schenkel
6: Halterungsvorrichtung
7: Oberfläche des Polymerbauteils
8: Aufnahmerille
9: Elektrodeneinrichtung
10: Elektroden
11: Isolator
12: Pfeil
13: freie Ende des stiftförmigen Schenkels
14: Oberfläche des Metallbauteils
15: Fläche des Basisteils, die dem Polymerbauteil 1 zugewandt ist
16: hohlzylindrische Klammerführung
17: Heizelement
18: Löcher
19: Lochwand
20: Pfeil
21: Klebstoffschicht
22: nagelförmiges Fixierelement
23: Nagelkopf
24: spitz zulaufender Schenkel des nagelförmigen Fixierelementes
25: Durchgangsöffnung
26: Antriebskolben
27: nadelartige Elektrodeneinrichtung
28: Kopf der nadelartigen Elektrodeneinrichtung
29: nadelförmiger Körper
30: Umlenkrolle
31: fortlaufender metallischer Draht
32: Durchgangslöcher
33: Schweißpunkt
34: hohlzylindrische Nadelführung
35: konisch zulaufendes Ende
36: Niederhalter
37: Elektrodennadel
38: Außenmantel der hohlzylindrischen Nadelführung
39: Heizspirale
40: Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes
41: Pfeil
42: obere Fläche des Isolators
43: zum Polymerbauteil abgewandte Oberfläche des Metallbauteils
h₁: Höhe der metallischen bügelartigen Klammer
h₂: Höhe des Polymerbauteils
d: Durchmesser des metallischen Drahtes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10149633 A1 [0003]
DE 102009051392 A1 [0004]
DE 102008035465 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Fixieren und/oder Anbinden eines Bauteils aus Kunststoff wie aus thermoplastischen Polymer an einem Bauteil aus Metall beim Fügen der beiden Bauteile, wobei das Polymerbauteil auf dem Metallbauteil unmittelbar oder mittels einer aushärtbaren Klebstoffschicht aufgebracht wird, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Polymerbauteil an dem Metallbauteil dauerhaft zu befestigen, und wobei das Polymerbauteil an dem Metallbauteil unmittelbar oder zumindest während des Aushärtens der Klebstoffschicht durch diese an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: mindestens ein metallisches Fixierelement, bestehend aus einem Basisteil und mindestens einem sich von diesem erstreckenden stiftförmigen Schenkel wird mit diesem gegen die dem Metallbauteil abgewandte Oberfläche des thermoplastischen Polymerbauteils geführt und zugleich vor Berührung des Polymerbauteils direkt oder indirekt auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, anschließend wird der mindestens eine stiftförmige Schenkel des Fixierelementes durch das thermoplastische Polymerbauteil oder durch dieses und die zwischen letzterem und dem Metallbauteil positionierte aushärtbare Klebstoffschicht getrieben, wobei das freie Ende des mindestens einen stiftförmigen Schenkels des Fixierelementes an dem Metallbauteil zur Anlage kommt, dann wird eine Spannung an das metallische Fixierelement und das Metallbauteil gelegt und das an dem Metallbauteil anliegende Ende des mindestens einen stiftförmigen Schenkels des Fixierelementes mittels des erzeugten Schweißstroms auf der dem Polymerbauteil zugewandten Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt und das Polymerbauteil somit an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Fixierelement ein metallische bügelartige Klammer aus Stahl, Aluminium oder einem thermisch schweißbaren Material verwendet wird, die ein Basisteil aufweist, an dessen beiden Enden jeweils ein sich rechtwinklig erstreckender stiftförmige Schenkel ausgebildet ist, dessen Länge jeweils mindestens entsprechend der Dicke des Polymerbauteils gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Fixierelement ein nagelförmiges Element verwendet wird, das aus einem Nagelkopf als Basisteil und einem sich von diesem erstreckenden spitz zulaufenden Schenkel aufweist, dessen Länge mindestens entsprechend der Dicke des Polymerbauteils gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Fixierelement mittels einer letzteres umfassenden Heizspule auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Fixierelement mittels einer Elektrodeneinrichtung, die in einer senkrecht zur Oberfläche des Polymerbauteils bewegbaren Halterungsvorrichtung für das metallische Fixierelement integriert und zwischen deren Elektroden ein Isolator angeordnet ist, auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur aufgeheizt wird, indem die Elektroden der Elektrodeneinrichtung mit dem metallischen Fixierelement unter Anlegen einer Kurzschlußspannung in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische bügelartige Klammer mit ihrem Basisteil in einer Aufnahmerille der senkrecht zur Oberfläche des Polymerbauteils bewegbaren Halterungsvorrichtung aufgenommen wird und die beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer dabei senkrecht in Bezug zu dem Polymerbauteil ausgerichtet werden, die metallische bügelartige Klammer von der Halterungsvorrichtung gegen das Polymerbauteil bewegt, gleichzeitig durch Anlegen der Kurzschlussspannung an die Elektroden der Elektrodeneinrichtung der Halterungsvorrichtung aufgeheizt und anschließend mittels der Halterungsvorrichtung durch das Polymerbauteil getrieben wird, bis die freien Enden der beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer auf das Metallbauteil auftreffen, wobei der Kontaktwiderstand zwischen der metallischen bügelartigen Klammer und dem Metallbauteil überwacht wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Kontaktwiderstandes eine Umpolung der Spannung derart erfolgt, dass diese zwischen der Elektrodeneinrichtung der Halterungsvorrichtung und dem Metallbauteil anliegt und ein Schweißstrom fließt, durch den die freien Enden der beiden stiftförmigen Schenkel der metallische bügelartigen Klammer bolzenschweißartig auf der Oberfläche des Metallbauteils gleichzeitig angeschweißt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1, 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung mit der in der Aufnahmerille gehalterten metallischen bügelartigen Klammer durch eine senkrecht zur Oberfläche des Polymerbauteils positionierten Klammerführung geführt wird, wobei die senkrechte Bewegung der metallischen bügelartigen Klammer stabilisiert wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung der metallischen bügelartigen Klammer bei ihrer Bewegung innerhalb der Klammerführung indirekt durch ein die Klammerführung erwärmenden Heizelement erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische bügelartige Fixierelement oder die metallische bügelartige Klammer mit einer solchen Höhe h₁ und einem solchen Drahtdurchmesser d verwendet wird, dass die dem Polymerbauteil zugewandte Fläche des Basisteils des metallischen Fixierelementes bzw. der metallischen bügelartigen Klammer im angeschweißten Zustand des stiftförmigen Schenkels des metallischen Fixierelementes bzw. der beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer auf der zum Metallbauteil abgewandten Fläche des Polymerbauteils, dessen Höhe h₂ ist, plan zu liegen kommt, wobei h₁ – h₂ = d ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Fixierelement oder die metallische bügelartige Klammer mit einer solchen Höhe h₁ verwendet wird, dass die zum stiftförmigen Schenkel bzw. zu den beiden stiftförmigen Schenkeln abgewandte Oberfläche des Basisteils des metallischen Fixierelementes bzw. der metallischen bügelartigen Klammer im angeschweißten Zustand des stiftförmigen Schenkels des metallischen Fixierelementes bzw. der beiden stiftförmigen Schenkel der metallischen bügelartigen Klammer innerhalb des Polymerbauteils, das die Höhe h₂ aufweist, zumindest plan zu der Oberfläche des Polymerbauteils positioniert wird, die zum Metallbauteil abgewandt liegt, wobei h₁ ≤ h₂ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl metallischer bügelartiger Klammern nacheinander und/oder gleichzeitig im Abstand zueinander durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht getrieben und beim Auftreffen der freien Enden der jeweiligen stiftförmigen Schenkel in Form einer Tackerschweißung nacheinander und/oder gleichzeitig auf der Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Fixierelement ein nagelförmiges Element, das aus einem Nagelkopf als Basisteil und einem sich von diesem erstreckenden, spitz zulaufenden Schenkel besteht, verwendet und mit dem Nagelkopf in die senkrecht zur Oberfläche des Polymerbauteils bewegbare Halterungsvorrichtung eingebracht und mit dem spitz zulaufenden Schenkel zur Oberfläche des Polymerbauteils hin ausgerichtet wird, wobei der Nagelkopf des metallischen nagelförmigen Fixierelementes an den Elektroden der Elektrodeneinrichtung und den zwischen diesen positionierten Isolator angelegt wird, dann das metallische nagelförmige Fixierelement durch eine an die Elektrodeneinrichtung gelegte Kurzschlußspannung mittels Widerstandsheizung auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt, zugleich senkrecht in Richtung zur Oberfläche des Polymerbauteils hin bewegt und durch das Polymerbauteil oder durch dieses und die Klebstoffschicht getrieben wird, bis der spitz zulaufenden Schenkels des metallischen nagelförmigen Fixierelementes auf das Metallbauteil auftrifft, wobei der Kontaktwiderstand zwischen dem metallischen nagelförmigen Fixierelement und dem Metallbauteil überwacht und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Kontaktwiderstandes eine Umpolung der Spannung derart erfolgt, dass diese zwischen dem metallischen nagelförmigen Fixierelement und dem Metallbauteil anliegt und ein Schweißstrom fließt, durch den der spitz zulaufende Schenkel des metallischen nagelförmigen Fixierelementes auf der Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Fixierelement auf eine Temperatur im Bereich von 180°C bis 200°C aufgeheizt wird und die Dauer der Aufheizung des metallischen Fixierelementes 200 ms bis 300 ms sowie für das Anschweißen des freien Endes des stiftförmigen Schenkels des metallischen Fixierelementes auf der Oberfläche des Metallbauteils 500 ms beträgt.
Verfahren zum Fixieren und/oder Anbinden eines Bauteils aus Kunststoff wie aus thermoplastischen Polymer an einem Bauteil aus Metall beim Fügen der beiden Bauteile, wobei das Polymerbauteil auf dem Metallbauteil unmittelbar oder mittels einer aushärtbaren Klebstoffschicht aufgebracht wird, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Polymerbauteil an dem Metallbauteil dauerhaft zu befestigen, und wobei das Polymerbauteil an dem Metallbauteil unmittelbar oder zumindest während des Aushärtens der Klebstoffschicht durch diese an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: ein fortlaufender metallischer Draht wird um eine Umlenkrolle geführt, die am freien Ende einer senkrecht zu dem Polymerbauteil bewegbaren nadelförmigen Elektrodenvorrichtung vorgesehen wird, das dem Polymerbauteil gegenüber zu positionieren ist, dann wird das freie Ende der nadelförmigen Elektrodeneinrichtung direkt oder indirekt auf eine Temperatur aufgeheizt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, darauf wird das erwärmte freie Ende der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht getrieben und dabei der um die Umlenkrolle geführte Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes von dem freien Ende der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht bis zum Anschlag an denn Metallbauteil gedrückt, beim Anschlag des um die Umlenkrolle geführten Abschnitts des fortlaufenden metallischen Drahtes an dem Metallbauteil wird eine Spannung an die nadelförmige Elektrodenvorrichtung und an das Metallbauteil gelegt und der an das Metallbauteil von der Umlenkrolle gedrückte Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes durch den gegebenen Schweißstrom an der Oberfläche des Metallbauteils bolzenschweißartig angeschweißt, darauf wird die nadelförmige Elektrodenvorrichtung senkrecht zur Oberfläche aus dem Polymerbauteil in ihre Ausgangsposition oberhalb des letzteren zurückgeführt, wobei der vorlaufenden Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes von der Umlenkrolle der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung durch das Polymerbauteil zu dessen Oberfläche geführt wird, und anschließend parallel zur Oberfläche des Polymerbauteils um eine Strecke versetzt wird, um die im Abstand zum ersten Schweißpunkt der von Umlenkrolle der Elektrodenvorrichtung geführte Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes erneut bei sich wiederholender Verfahrensweise der nadelförmigen Elektrodenvorrichtung auf der Oberfläche des Metallbauteils angeschweißt wird.
Verfahren zum Fixieren und/oder Anbinden eines Bauteils aus Kunststoff wie aus thermoplastischen Polymer an einem Bauteil aus Metall beim Fügen der beiden Bauteile, wobei das Polymerbauteil auf dem Metallbauteil unmittelbar oder mittels einer aushärtbaren Klebstoffschicht aufgebracht wird, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Polymerbauteil an dem Metallbauteil dauerhaft zu befestigen, und wobei das Polymerbauteil an dem Metallbauteil unmittelbar oder zumindest während des Aushärtens der Klebstoffschicht durch diese an dem Metallbauteil fixiert und/oder angebunden wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: in einer zum Polymerbauteil senkrecht bewegbaren hohlzylindrischen Nadelführung mit einem konisch zulaufenden Ende wird koaxial eine in Axialrichtung letzterer bewegbare Elektrodennadel positioniert und ein fortlaufender metallischer Draht unterhalb der Elektrodennadel durch das konisch zulaufende, dem Polymerbauteil zugewandte Ende der hohlzylindrischen Nadelführung geführt, dann wird die hohlzylindrische Nadelführung mittels eines ihren Außenmantel umfassenden Heizelementes auf einer Temperatur erwärmt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt und anschließend mit dem konisch zulaufenden Ende durch das Polymerbauteil oder durch letzteres und die Klebstoffschicht getrieben, beim Anschlag des konisch zulaufenden Endes der hohlzylindrischen Nadelführung an dem Metallbauteil wird die Elektrodennadel axial in der hohlzylindrischen Nadelführung zum Metallbauteil hin bewegt, der Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes, der innerhalb des konisch zulaufenden Endes der hohlzylindrischen Nadelführung verläuft, dabei von der Elektrodennadel an die Oberfläche des Metallbauteils angedrückt, gleichzeitig an die Elektrodennadel und das Metallbauteil eine Spannung angelegt und der von der Elektrodenadel an das Metallbauteil angedrückte Abschnitt des fortlaufenden metallischen Drahtes an der Oberfläche des Metallbauteils durch den gegebenen Schweißstrom angeschweißt, wobei der fortlaufende metallische Draht von einem am konisch zulaufenden Ende der hohlzylindrischen Nadelführung auf der Oberfläche des Metallbauteils positioniert gehalten wird, nach dem Schweißvorgang wird Spannung abgeschaltet, die Elektrodennadel innerhalb der hohlzylindrischen Nadelführung axial aufwärts in ihre Ausgangsposition bewegt und die hohlzylindrische Nadelführung mit dem konisch zulaufenden Ende senkrecht aufwärts aus dem Polymerbauteil gezogen, wobei der vorlaufende Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes vom Schweißpunkt ab in dem Polymerbauteil in die Höhe gezogen wird, bis die hohlzylindrische Nadelführung in ihre Ausgangsposition zurückbewegt ist, worauf die hohlzylindrische Nadelführung unter Mitnahme des am ersten Schweißpunkt festgelegten vorlaufenden Teils des fortlaufenden metallischen Drahte oberhalb des Polymerbauteils parallel zu dessen Oberfläche um eine Strecke versetzt wird, um die vom ersten Schweißpunkt der fortlaufende metallische Draht in sich wiederholender Verfahrensweise erneut auf der Oberfläche des Metallbauteils verschweißt wird.