DE102012004499A1 - Verfahren zum Fixieren und/oder Anbinden eines Bauteils aus Kunststoff wie aus thermoplasischem Polymer an einem Bauteil aus Metall beim Fügen der Bauteile - Google Patents
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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 bis1d schematisch die Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2a bis2d 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 bis6c 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 und9b schematisch die Verfahrensschritte einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
11a und11b 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 bis14h schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen der bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten metallischen bügelartigen Klammer. - Aus den
1a bis1d gehen die Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Fixieren und/oder Anbinden eines Kunststoffbauteils1 an einem Metallbauteil2 beim Fügen dieser Bauteile hervor, wobei das Kunststoffbauteil1 zunächst unmittelbar auf das Metallbauteil1 aufgebracht wird. Das Kunststoffbauteil1 kann jedoch auch mittels einer nicht dargestellten aushärtbaren Klebstoffschicht auf das Metallbauteil2 aufgebracht werden, deren Adhäsion im ausgehärteten Zustand ausreichend groß ist, um das Kunststoffbauteil1 an dem Metallbauteil2 dauerhaft zu befestigen. Das zu fügende Kunststoffbauteil1 kann aus thermoplastischem Polymer oder aus anderen gebräuchlichen Kunststoffen oder Kunststoffverbindungen bestehen. Das zu fügende Metallbauteil2 kann aus herkömmlichem Stahl, Aluminium oder thermisch schweißbaren Materialien bestehen. - Wie
1a zeigt, wird dann ein metallisches Fixierelement3 in Form einer metallischen bügelartige Klammer3 , die ein Basisteil4 und zwei stiftförmige Schenkel5 aufweist, die sich jeweils von einem Ende des Basisteils4 senkrecht weg erstrecken, in einer Halterungsvorrichtung6 derart aufgenommen, dass die stiftförmigen Schenkel5 zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 hin gerichtet sind. Die Halterungsvorrichtung6 ist in eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens integriert und senkrecht zur Oberfläche7 des auf dem Metallbauteil2 aufgebrachten Polymerbauteils1 bewegbar. Die Halterungsvorrichtung6 weist in ihrer dem Polymerbauteil1 zugewandten Fläche eine in12 gezeigte Aufnahmerille8 aufweisen, in der das Basisteil4 der metallischen bügelartigen Klammer3 aufgenommen wird. In die Halterungsvorrichtung6 ist mit einer Elektrodeneinrichtung9 kombiniert, zwischen deren Elektroden10 ein Isolator11 angeordnet ist. - Wie
1a zeigt, wird an die Elektroden10 der Elektrodeneinrichtung9 der Halterungsvorrichtung6 eine Spannung angelegt und die in der Aufnahmerille8 mit dem Basisteil4 aufgenommene metallische bügelartige Klammer3 mittels Widerstanderwärmung durch einen von der negativen Elektrode10 zur positiven Elektrode10 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 Kunststoffbauteils1 . - Gleichzeitig wird die Halterungsvorrichtung
6 senkrecht in Richtung des Polymerbauteils1 bewegt, wie durch den Pfeil12 gezeigt ist, wobei die stiftförmigen Schenkel5 der von der Halterungsvorrichtung6 geführten aufgeheizten metallischen bügelartigen Klammer3 in das Polymerbauteil1 eingedrückt werden, wie1b zeigt. - Die aufgeheizte metallische bügelartige Klammer
3 wird dann von der Halterungsvorrichtung6 durch das Polymerbauteil1 getrieben, bis die freien Enden13 der beiden stiftförmigen Schenkel5 der metallischen bügelartigen Klammer3 auf das Metallbauteil2 auftreffen, wobei der Kontaktwiderstand zwischen der metallischen bügelartigen Klammer3 und dem Metallbauteil2 überwacht und bei Überschreitung eines vorgegebenen Wertes des Kontaktwiderstandes eine Umpolung der Spannung erfolgt, so dass, wie1c zeigt, eine Spannung zwischen der Elektrodeneinrichtung9 der Halterungsvorrichtung6 und dem Metallbauteil2 angelegt wird und ein Schweißstrom fließt. Die an dem Metallbauteil2 anliegenden freien Enden13 der beiden stiftförmigen Schenkel5 der aufgeheizten metallischen bügelartigen Klammer3 werden nun mittels des Schweißstroms unmittelbar auf der dem Polymerbauteil1 zugewandten Oberfläche14 des Metallbauteils2 bolzenschweißartig gleichzeitig angeschweißt und die metallischen bügelartige Klammer2 somit gefügt. - Wie
1d verdeutlicht, wird in Abhängigkeit von der Höhe h2 des Polymerbauteils1 die metallische bügelartige Klammer3 im gegebenen Fall mit einer solchen Höhe h1 und mit einem solchen Durchmesser d gewählt, dass die zu den beiden stiftförmigen Schenkeln5 abgewandte Oberfläche15 des Basisteils4 der metallischen bügelartigen Klammer3 im angeschweißten Zustand der stiftförmigen Schenkel5 der metallischen bügelartigen Klammer3 innerhalb des Polymerbauteils1 plan zu der Oberfläche7 des letzteren positioniert wird. - Bei dem Verfahrensablauf gemäß der
1a bis1d liegt die Taktzeit für das Durchdringen der metallischen bügelartigen Klammer3 durch das Polymerbauteil1 , für die Spannungsumpolung und für den Schweißprozess jeweils unter 1 Sekunde. - Die
2a bis2d zeigen schematisch eine erste Variante der aus den1a bis1d hervorgehenden ersten Ausführungsform des Verfahrens, wobei die Verfahrensschritte nach den2a bis2c mit denen der1a bis1c übereinstimmen. Wie aus2d ersichtlich ist, wird bei dieser Verfahrensvariante jedoch in Abhängigkeit von der Höhe h2 des Polymerbauteils1 eine metallische bügelartige Klammer3 mit einer solchen Höhe h1 und mit einem solchen Durchmesser d verwendet, dass die dem Polymerbauteil1 zugewandte Fläche15 des Basisteils4 der metallischen bügelartigen Klammer3 im angeschweißten Zustand jedes freien Endes13 der beiden stiftförmigen Schenkel5 der metallischen bügelartigen Klammer2 an der Oberfläche14 des Metallbauteils2 plan auf der zu letzterem abgewandten Oberfläche7 des Polymerbauteils1 positioniert wird. - Aus
3 geht eine zweite Variante der ersten Ausführungsform des Verfahrens nach den1a bis1d hervor, bei der im Unterschied zum Verfahrensschritt nach1a die Aufheizung der in der Aufnahmerille8 der Halterungsvorrichtung6 aufgenommenen metallischen bügelartigen Klammer3 auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur bei der Bewegung der Haltungsvorrichtung6 in senkrechter Richtung zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 durch ein die metallische bügelartige Klammer3 umfassendes Heizelement17 in Form einer Heizspule erfolgt. -
4 zeigt eine dritte Variation der ersten Ausführung des Verfahrens nach den1a bis1d , bei der die Halterungsvorrichtung6 mit in deren Aufnahmerille8 aufgenommenen metallischen bügelartigen Klammer2 senkrecht in Richtung zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 während der Aufheizphase der metallischen bügelartigen Klammer3 entsprechend1a und1b zur Stabilisierung zentrisch durch eine hohlzylindrische Klammerführung16 bewegt wird, die sich senkrecht zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 erstreckt. - Bei einer in
5 gezeigten vierten Variation der ersten Ausführungsform des Verfahrens nach den1a bis1d wird die Halterungsvorrichtung6 mit in deren Aufnahmerille8 aufgenommenen metallischen bügelartigen Klammer3 wie bei der dritten Variation des Verfahrens nach4 während der Aufheizphase innerhalb der hohlzylindrischen Klammerführung16 bewegt, die Aufheizung der metallischen bügelartigen Klammer3 erfolgt jedoch unterschiedlich zur Variation nach4 indirekt durch das die hohlzylindrische Klammerführung16 erwärmende Heizelement17 bei der Bewegung der Halterungsvorrichtung6 innerhalb der Klammerführung16 in Richtung zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 . - Aus
6 geht eine zweite Ausführungsform des Verfahrens hervor, bei der zunächst an einer vorbestimmten Position auf dem Metallbauteil2 ein Paar senkrecht verlaufender Löcher18 durch das Metallbauteil2 gebohrt wird, deren mittiger Abstand gleich der Länge des Basisteils4 der verwendeten metallischen bügelartigen Klammer3 ist und deren Durchmesser d2 geringfügig größer als der Durchmessers d1 des Drahtes ist, aus dem die metallische bügelartige Klammer3 einstückig gebildet wird. Vorzugsweise weisen die stiftförmige Schenkel5 der verwendeten metallischen bügelartigen Klammer3 jeweils eine Länge auf, die mindestens gleich der Summe aus der Dicke des Metallbauteils2 und der Dicke des Polmerbauteils1 ist. Die metallische bügelartige Klammer3 wird dann mit ihrem Basisteil4 in der Aufnahmerille8 der Halterungsvorrichtung6 aufgenommen und durch Anlegen einer Kurzschlußspannung an die Elektroden10 der Elektrodeneinrichtung9 der Halterungsvorrichtung6 auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt. Gleichzeitig wird die Halterungsvorrichtung6 senkrecht zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 bewegt derart, dass die senkrecht zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 ausgerichteten stiftförmigen Schenkel5 der metallischen bügelartigen Klammer3 axial mit den jeweiligen Löchern18 des entsprechenden Lochpaares in dem Metallbauteil2 fluchten. Die stiftförmigen Schenkel5 der aufgeheizten metallischen bügelartigen Klammer3 werden dann das durch das Polymerbauteil2 gedrückt, worauf die Kurzschlußspannung abgeschaltet und eine Spannung an die Elektroden10 der Elektrodeneinrichtung9 der Halterungsvorrichtung6 und das Metallbauteil2 gelegt wird. Die beiden stiftförmigen Schenkel5 der metallischen bügelartigen Klammer3 werden dann jeweils in das zugeordnete Loch18 des entsprechenden Lochpaares durch die weitere Abwärtsbewegung der Halterungsvorrichtung6 eingeführt, bis ihr jeweiliges freies Ende13 das zugeordnete Loch18 durchsetzt hat. Dabei werden die stiftförmigen Schenkel5 der metallischen bügelartigen Klammer6 mit ihrem in dem jeweiligen Loch18 befindlichen Abschnitt mittels des gegebenen Schweißstroms mit der jeweiligen Lochwand19 verschweißt. - Bei einer in
7 gezeigten Variation der zweiten Ausführungsform des Verfahrens wird eine metallische bügelartige Klammer3 verwendet, deren beide stiftförmigen Schenkel5 eine Länge aufweisen, die erheblich größer als die Summe aus der Dicke des Polymerbauteils1 und der Dicke des Metallbauteils2 ist. Hierbei werden die beiden stiftförmigen Schenkel5 der in der Aufnahmerille8 der Halterungsvorrichtung6 aufgenommene metallische bügelartige Klammer3 ohne Aufheizung durch erhöhte Druckausübung mittels der Halterungsvorrichtung6 durch das Polymerbauteil1 getrieben und dann durch die fluchtend im Metallbauteil2 vorgebohrten Löcher18 des vorbestimmten Lochpaares geführt, bis das Basisteil4 der metallischen bügelartigen Klammer2 auf der zum Metallbauteil2 abgewandten Oberfläche7 des Polymerbauteils1 zu liegen kommt und die freien Ende13 der beiden stiftförmigen Schenkel5 aus den Löchern18 des entsprechenden Lochpaares hinausragen und dann jeweils durch eine durch den Pfeil20 gekennzeichnete drehmomentartige Druckbeaufschlagung nach außen plan an die Oberfläche43 des Metallbauteils anliegend gedrückt werden, die zum Polymerbauteil1 abgewandt ist. Auf diese Weise wird das Polymerbauteil1 durch eine mechanische Klammerung an dem Metallbauteil2 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 Klammern3 jeweils nach Durchführung der Verfahrensschritte gemäß1a und1b nacheinander und/oder gleichzeitig im vorbestimmten Abstand zueinander durch das Polymerbauteil1 und durch die zwischen letzterem und dem Metallbauteil2 vorgesehene aushärtbare Klebstoffschicht21 getrieben. Beim Auftreffen der freien Enden13 der jeweiligen stiftförmigen Schenkel5 auf das Metallbauteil2 werden die identischen metallischen bügelartigen Klammern3 sozusagen mittels einer Tackerschweißung nacheinander und/oder gleichzeitig auf der der aushärtbaren Klebstoffschicht21 zugewandten Oberfläche14 des Metallbauteils2 bolzenschweißartig entsprechend1d angeschweißt. Eine derartige Tackerschweißung kann zum Fixieren und/oder Anbinden des Polymerbauteils1 an dem Metallbauteil2 beim Fügen der beiden Bauteile effektiv von Hand oder automatisch gesteuert z. B. mittels eines Roboters erfolgen. - Die
9a und9b zeigen schematisch die Verfahrensschritte einer dritten Ausführungsform des Verfahrens, bei dem als metallisches Fixierelement ein nagelförmiges Element22 verwendet wird, das aus einem Nagelkopf23 als Basisteil und einem sich von diesem erstreckenden spitz zulaufenden Schenkel24 besteht, dessen Länge mindestens entsprechend der Höhe h2 des Polymerbauteils1 gewählt wird. Der Nagelkopf23 des metallischen nagelförmigen Fixierelementes22 , der im Grundriß rund oder rechteckförmig gestaltet sein kann, wird in die senkrecht zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 bewegbare Halterungsvorrichtung6 derart eingebracht, dass der spitz zulaufende Schenkel24 des nagelförmigen Fixierelementes23 zur Oberfläche7 Polymerbauteils1 hin ausgerichtet ist. Hierbei liegen die Elektroden10 der in die Halterungsvorrichtung6 integrierten Elektrodeneinrichtung9 und der zwischen den Elektroden10 positionierte Isolator11 an dem Nagelkopf23 des nagelförmigen Fixierelementes22 an und der Isolator11 weist zentrisch eine Durchgangsöffnung25 auf, durch die ein den Nagelkopf23 beaufschlagender, senkrecht zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 axial bewegbarer Antriebskolben26 führbar ist. - Das nagelförmige Fixierelement
22 wird durch eine an die Elektrodeneinrichtung9 gelegte Kurzschlußspannung mittels Widerstandsheizung auf die über der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufgeheizt, zugleich in senkrechter Richtung (Pfeil12 ) zur Oberfläche7 des Polymerbauteils hin bewegt und mittels des Antriebskolbens26 durch das Polymerbauteil1 und die aushärtbare Klebstoffschicht21 , die zwischen dem Polymerbauteil1 und dem Metallbauteil2 positioniert ist, getrieben, bis das freie Ende des spitz zulaufenden Schenkels24 des nagelförmigen Fixierelementes22 auf das Metallbauteil2 trifft. In diesem Moment wird die an der Elektrodeneinrichtung9 der Halterungsvorrichtung6 liegenden Kurzschlußspannung abgeschaltet und eine Spannung an den Nagelkopf23 des nagelförmigen Fixierelementes22 beaufschlagenden Antriebskolben26 und das Metallbauteil2 gelegt und das freie Ende des spitz zulaufenden Schenkels24 des nagelförmigen Fixierelementes22 bolzenschweißartig an der Oberfläche14 des Metallbauteils2 angeschweißt, die an die Klebstoffschicht21 grenzt. -
10 zeigt schematisch den wesentlichen Teil einer Vorrichtung zur Durchführung einer vierten Ausführungsform des Verfahrens, dem sogenannten Nähschweißen, die eine nadelartige Elektrodeneinrichtung27 aufweist, die aus einem Kopf28 und einen sich von diesem erstreckenden nadelförmigen Körper29 besteht. Am freien Ende des nadelförmigen Körpers29 ist eine Umlenkrolle30 vorgesehen, um die ein fortlaufender metallischer Draht31 oder ein fortlaufendes metallisches Band geführt ist. Die nadelartige Elektrodeneinrichtung27 ist mit einer in10 nicht gezeigten Antriebsmechanik der Vorrichtung zur Durchführung des Nähschweißens verbunden und von dieser senkrecht und parallel zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 bewegbar, die zum Metallbauteil1 abgewandt ist. Die Antriebsmechanik der nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 ist von Hand oder automatisch z. B. mittels eines Roboters zu betätigen, um die nadelartige Elektrodeneinrichtung27 mit der Umlenkrolle30 z. B. senkrecht auf der Oberfläche7 des Polymerbauteils1 aufzusetzen. Um für das Nähschweißen den nadelförmigen Körper29 der von der Antriebsmechanik bewegten nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 zusammen mit dem um die Umlenkrolle30 geführten fortlaufenden metallischen Draht31 durch das Polymerbauteil1 treiben zu können, ist der nadelförmige Körper29 zuvor auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur aufzuheizen. Nach Durchdringen und Auftreffen des aufgeheizten nadelförmigen Körpers29 zusammen mit dem um die Umlenkrolle30 geführten fortlaufenden metallischen Draht31 ist eine Spannung an den Kopf28 der nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 und das Metallbauteils2 zu legen, um den an dieses von der der Umlenkrolle30 angepressten metallischen fortlaufenden Draht31 durch den gegebenen Schweißstrom punktuell an der Oberfläche14 des Metallbauteils2 anzuschweißen. Nach erfolgtem Schweißvorgang wird der nadelförmige Körper29 zusammen mit dem von der Umlenkrolle30 aus vorlaufenden Teil des fortlaufenden metallischen Drahtes31 durch die an der nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 angreifenden Antriebsmechanik senkrecht zur Oberfläche14 des Metallbauteils2 aus dem Polymerbauteil1 zurückgezogen. Die nadelartige Elektrodeneinrichtung27 wird dann unmittelbar parallel zur Oberfläche7 des Polymerbauteils1 um eine Strecke versetzt, um die der vorlaufenden, von der Umlenkrolle30 der nadelartige Elektrodeneinrichtung27 auf der Oberfläche7 des Polymerbauteils1 mitgeführte metallische fortlaufende Draht31 erneut bei sich wiederholender Verfahrensweise der nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 auf der Oberfläche14 des Metallbauteils2 punktuell in Form des Nähschweißens anzuschweißen ist. - Die
11a und11b zeigen schematisch eine Variation des im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach10 beschriebenen Nähschweißens. Hierbei wird die nagelartige Elektrodeneinrichtung27 nicht aufgeheizt, sondern es werden vor Beginn des Nähschweißens in das Polymerbauteil1 , das mit dem Metallbauteil2 zu fügen ist, eine Vielzahl Durchgangslöcher32 jeweils im vorbestimmten Abstand zueinander gebohrt. Dann wird der fortlaufende metallische Draht31 , der um die Umlenkrolle30 der nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 geführt ist, von dem nadelförmigen Körper29 durch das erste Durchgangslöcher32 des Polmerbauteils1 geführt und bei Kontakt mit dem Metallbauteil2 in der zuvor im Zusammenhang mit10 beschriebenen Verfahrensweise auf der Oberfläche14 des Metallbauteils2 punktmäßig angeschweißt. Dann wird der vom Schweißpunkt33 vorlaufende Teil des fortlaufend geführten metallischen Drahtes31 in der zuvor beschriebenen Verfahrensweise von der nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 zu dem im vorbestimmten Abstand angeordneten zweiten Durchgangsloch32 im Polymerbauteil1 geführt und so weiter. -
11a zeigt schematisch eine Nähschweißung mit sechs Schweißpunkten33 auf der Oberfläche14 des Metallbauteils2 , wobei sich die nadelartige Elektrodeneinrichtung27 oberhalb des siebten Durchgangsloches32 des Polymerbauteils1 in der Position vor dem Einführen des vom letzten Schweißpunkt33 vorlaufenden Teils des fortlaufend geführten metallischen Drahtes31 befindet.11b zeigt die Position der nadelartigen Elektrodeneinrichtung27 innerhalb des siebten Durchgangslochs32 während des entsprechenden Anschweißens des von der Umlenkrolle30 an dem Metallbauteil2 angepressten fortlaufenden metallischen Drahtes31 auf der Oberfläche14 des Metallbauteils2 . -
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 Nadelführung34 vorgesehen, die von einer in12 nicht dargestellten, von Hand oder automatische, z. B. von einem Roboter betätigbaren Antriebsmechanik senkrecht zum Polymerbauteil1 zu bewegen ist, wie der Pfeil12 anzeigt. Die hohlzylindrische Nadelführung34 weist ein konisch zulaufendes, zum Polymerbauteil1 ausrichtbares Ende35 auf, durch das der fortlaufende metallische Draht31 geführt ist, mit dem ein Niederhalter36 in Eingriff zu bringen ist, der am konisch zulaufenden Ende35 der hohlzylindrischen Nadelführung34 angeordnet ist. Koaxial in der hohlzylindrischen Nadelführung34 ist eine Elektrodennadel37 positioniert, die von der Antriebsmechanik in Axialrichtung der hohlzylindrischen Nadelführung34 bewegbar ist. Weiterhin ist der Außenmantel38 der hohlzylindrischen Nadelführung34 von einer Heizspirale39 umfasst, von der die hohlzylindrische Nadelführung34 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 Draht31 durch das konisch zulaufende Ende35 der hohlzylindrischen Nadelführung34 unterhalb der in letzterer axial beweglichen Elektrodennadel37 geführt. Dann wird die hohlzylindrische Nadelführung34 mittels der Heizspirale39 auf die oberhalb der Glasübergangstemperatur liegende Temperatur erhitzt und mit ihrem konisch zulaufenden Ende35 durch das Polymerbauteils1 getrieben. Bei Anschlag des konisch zulaufenden Endes35 der hohlzylindrischen Nadelführung34 an dem Metallbauteil2 wird die Elektrodennadel37 in der hohlzylindrischen Nadelführung34 axial in Richtung des Polymerbauteils1 bewegt und dabei der Abschnitt40 des fortlaufenden metallischen Drahtes31 , der innerhalb des konisch zulaufenden Endes35 der hohlzylindrischen Nadelführung34 verläuft, von der Elektrodennadel37 zum Metallbauteil2 geführt und an dessen Oberfläche14 angedrückt und auf dieser vom Niederhalter36 dabei positioniert und fixiert. Zugleich wird an die Elektrodennadel37 und das Metallbauteil2 eine Schweißspannung angelegt und der Abschnitt40 des fortlaufenden metallischen Drahtes31 an der Oberfläche14 des Metallbauteils2 punktuell angeschweißt. Nach dem Schweißvorgang wird die Schweißspannung abgeschaltet, die Elektrodennadel37 in der hohlzylindrischen Nadelführung34 aufwärts in ihre Ausgangsposition bewegt und die hohlzylindrische Nadelführung34 mit dem konisch zulaufenden Ende35 aus dem Polymerbauteil1 bewegt, wobei die vorlaufende Länge des metallischen Drahtes31 in dem Polymerbauteil1 vom Schweißpunkt33 in die Höhe gezogen wird, bis die hohlzylindrische Nadelführung34 senkrecht zum Polymerbauteil1 in ihre Ausgangsposition zurückbewegt ist. Dann wird die hohlzylindrische Nadelführung34 unter Mitnahme der vorlaufenden Länge des fortlaufenden metallischen Drahtes31 oberhalb des Polymerbauteils1 parallel zu diesem in einer vorbestimmten, durch den Pfeil41 in12 gekennzeichneten Richtung um eine Strecke versetzt, um die im Abstand zum ersten Schweißpunkt33 der fortlaufende metallische Draht31 in sich wiederholender Verfahrensweise erneut auf der Oberfläche14 des Metallbauteils2 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 Elektrodeneinrichtung9 , zwischen deren Elektroden10 der Isolator11 angeordnet ist, an dessen oberer Fläche42 die nicht gezeigte Antriebsmechanik angreift, die von Hand oder automatisch z. B. mittels eines Roboters zu betätigen ist. Auf der zur oberen Fläche42 des Isolators11 gegenüber liegenden Unterseite der Elektrodeneinrichtung9 ist die Aufnahmerille8 ausgebildet, in der die Basis4 des metallischen Fixierelementes3 oder der metallischen bügelartigen Klammer3 aufgenommen wird. Die Aufnahmerille8 erstreckt sich mittig über die Unterseite der Elektrodeneinrichtung9 in einer Richtung, die zur senkrechten Bewegungsrichtung der Elektrodeneinrichtung9 im rechten Winkel verläuft. - Die
14a bis14e zeigen jeweils eine Ausführungsform der verwendbaren metallischen bügelartigen Klammer3 , wobei nach den11a bis11e die freien Enden13 der beiden stiftförmigen Schenkel5 der einzelnen Ausführungsformen unterschiedlich gestaltet sind, und zwar bei14a keilförmig mit einwärts gerichteter Keilfläche; bei14b keilförmig mit noch außen gerichteter Keilfläche; bei14c spitzförmig; bei14d mit planer Endfläche und bei14e in abgerundeter Form. Zur Erhöhung der Verbundfestigkeit der in das Polymerbauteil1 eingetriebenen metallischen bügelartigen Klammers3 im angeschweißten Zustand der Enden13 der beiden stiftförmigen Schenkel5 auf der Oberfläche14 des Metallbauteils2 kann die senkrecht verlaufende Oberfläche der beiden stiftförmigen Schenkel5 aufgerauht oder mit Rillen oder Sägezähnen versehen sein. Weiterhin kann das Basisteil4 der metallischen bügelartigen Klammer3 eine Breite aufweisen, die größer als der Durchmesser der stiftförmigen Schenkel5 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 (15)
- 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.
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