DE102008059242A1

DE102008059242A1 - Fügeverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE102008059242A1
Application number: DE102008059242A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Gisbert Dr. Schmitt; Reinhold Opper; Andreas Becker; Michael Schmidt; Reimar Saltenberger
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-27
Also published as: CN102292207A; WO2010057598A3; JP2012509206A; KR20110099686A; JP5616898B2; EP2379309B1; US20130134153A1; US20110277906A1; WO2010057598A2; EP2379309A2; US8361270B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (80) zum axialen Fügen eines hybriden Fügebauteils (10) auf ein Werkstück (12), wobei das Fügebauteil (10) einen thermoplastischen Fügeabschnitt (16, 17) und einen erwärmbaren Metallabschnitt (18) aufweist, mit den Schritten: axiales Absenken des Fügebauteils (10) auf eine Oberfläche des Werkstückes (12); Erwärmen des Metallabschnittes (18) derart, dass der Fügeabschnitt (16, 17) zumindest teilweise schmilzt; Beenden der Erwärmung des Metallabschnittes (18), derart, dass das Fügebauteil (10) mit der Oberfläche des Werkstückes (12) eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung eingeht. Dabei wird das Fügebauteil (10) zumindest bei dem Erwärmen des Metallabschnittes (18) derart kraft- und/oder positionsgeregelt in Bezug auf das Werkstück (12) gehalten, dass das Fügebauteil (10) ohne Gegenlagerung auf die Oberfläche des Werkstückes (12) gefügt werden kann (Fig. 2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines Fügebauteils auf ein Werkstück sowie eine Fügevorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines solchen Fügeverfahrens.
Generell betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet des Fügens von Fügebauteilen, wie Befestigungselementen, auf Werkstücke wie Karosseriebauteile. Dabei weist ein solches Befestigungselement in der Regel zwei Funktionsabschnitte auf, zum einen einen Flanschabschnitt, mittels dessen die Verbindung zum Werkstück herzustellen ist. Zum anderen weist das Fügebauteil generell einen Halteabschnitt auf, der beispielsweise als Befestigungsschaft ausgebildet sein kann, um daran weitere Befestigungselemente wie Kunststoffclips festzulegen.
Derartige Fügebauteile sind als Schweißbolzen aus Metall seit langem bekannt. Diese werden im so genannten Bolzenschweißen auf Werkstücke wie Karosseriebleche geschweißt. Vorteilhaft bei dieser Befestigungsart ist es, dass ein solcher Schweißbolzen auch dann auf das Werkstück aufgeschweißt werden kann, wenn dieses nur von einer Seite aus zugänglich ist.
Ferner ist es bekannt, derartige Metallbolzen auf ein Karosserieblech zu kleben. Dabei ist eine Fügeoberfläche eines Flanschabschnittes des Bolzens mit einem thermoplastischen Klebstoff versehen, der durch Erwärmung des Bolzens aktiviert werden kann, um mit der Oberfläche des Werkstückes eine kraftschlüssige Klebeverbindung einzugehen. Eine Vorrichtung zum Bolzenkleben ist beispielsweise bekannt aus dem Dokument DE 10 2004 012 786 A1 . Hierbei wird der Bolzen mittels einer Haltevorrichtung gehalten und mittels einer Induktionsspule erwärmt, die koaxial zu einem Schaftabschnitt des gehaltenen Bolzens angeordnet ist. Ferner kann ein an der Fügevorrichtung vorgesehener Schlitten mittels eines Linearantriebs auf das Werkstück zu bewegt werden, um den Bolzen auf das Werkstück zu drücken. Bei Aktivierung und Verflüssigung des Klebstoffes ergibt sich um den äußeren Rand des Flanschabschnittes herum ein Klebstoffwulst.
Bei einer ähnlichen Vorrichtung ( US-A-4,355,222 ) wird der Bolzen vorab auf das Werkstück aufgesetzt und anschließend mittels eines Fügewerkzeuges gegen das Werkstück angedrückt, während der Klebstoff aktiviert wird.
Aus dem Dokument DE 10 2006 059 337 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus thermoplastischem Material bekannt, wobei ein Fügebauteil in Form eines Halters auf eine Fahrzeugstoßstange aus Kunststoff gefügt wird. Zwischen den miteinander zu verbindenden Oberflächen der Teile ist ein Durchbrüche, Vorsprünge und/oder Vertiefungen aufweisendes Verbindungselement angeordnet. Das Verbindungselement ist dazu ausgelegt, sich bei Anlegen eines ändernden Magnetfeldes zu erwärmen. Hierdurch wird das thermoplastische Material an den Oberflächen angeschmolzen. Beim Erstarren des geschmolzenen Materials kommt es zu einer Verbindung wenigstens zwischen den Oberflächen und dem Verbindungselement und da durch zu einer Verbindung der Teile über das Verbindungselement. Das Verbindungselement kann vorab an einem der zu verbindenden Teile angeheftet werden. Ferner wird das Verbindungselement induktiv über eine Induktions-Erwärmungseinrichtung erwärmt, die während des Fügevorgangs auf der dem Fügebauteil gegenüberliegenden Seite des Werkstückes angeordnet wird.
Vor dem obigen Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fügeverfahren und eine verbesserte Fügevorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren zum axialen Fügen eines hybriden Fügebauteils auf ein Werkstück gelöst, wobei das Fügebauteil einen thermoplastischen Fügeabschnitt und einen erwärmbaren Metallabschnitt aufweist, mit den Schritten:

a) axiales Absenken des Fügebauteils auf eine Oberfläche des Werkstückes;
b) Erwärmen des Metallabschnittes derart, dass der Fügeabschnitt zumindest teilweise schmilzt;
c) Beenden der Erwärmung des Metallabschnittes, derart, dass das Fügebauteil mit der Oberfläche des Werkstückes eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung eingeht,

Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Fügevorrichtung, die sich insbesondere zur Durchführung des oben genannten Fügeverfahrens eignet, mit

a) einem Fügewerkzeug, an dem ein Fügebauteil gehalten werden kann und das das dazu ausgelegt ist, das Fügebauteil in axialer Richtung auf eine Oberfläche eines Werkstückes zu bewegen, und
b) einer Erwärmungseinrichtung zum Erwärmen eines Metallabschnittes des Fügebauteils.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, hybride Fügebauteile bei einseitiger Zugänglichkeit auf ein Werkstück zu fügen.
Generell ist das erfindungsgemäße Fügeverfahren auf alle Arten von hybriden Fügebauteilen verwendbar, die einen thermoplastischen Fügeabschnitt und einen erwärmbaren Metallabschnitt aufweisen. Beispielsweise kann das Fügebauteil einen Grundkörper aus Metall mit einem Flanschabschnitt aufweisen, an dessen Fügeseite ein thermoplastischer Fügeabschnitt aufgebracht ist, wie ein thermisch aktivierbarer Klebstoff. Besonders bevorzugt weist das Fügebauteil jedoch einen Grundkörper aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial auf, der in der Regel einen Hülsenabschnitt und einen Flanschabschnitt definiert, wobei ein Metallabschnitt in den Flanschabschnitt integriert ist.
Ein derartiges Fügebauteil ist beschrieben in der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel ”Fügebauteil und Verfahren zum Herstellen eines Fügebauteils” der vorliegenden Anmelderin, die den gleichen Anmeldetag besitzt wie die vorliegende Patentanmeldung. Auf den Inhalt dieser parallelen Patentanmeldung wird vollumfänglich Bezug genommen.
Das Werkstück kann ein beliebiges Werkstück sein, beispielsweise ein Metallblech, eine Glasplatte oder Ähnliches. Besonders bevorzugt ist das Werkstück jedoch ein Werkstück aus einem thermoplastischen Material.
Der Begriff des axialen Absenkens soll sich vorliegend nicht nur auf eine Bewegung in Richtung der Schwerkraft nach unten sondern auf beliebige Bewegungen auf das Werkstück zu beziehen, also auch beispielsweise auf Bewegungen entgegen der Schwerkraft auf eine Oberfläche des Werkstückes zu (Überkopffügen).
Ferner kann das Werkstück in axialer Richtung elastisch deformierbar ausgebildet sein. Hierunter ist zu verstehen, dass entweder das Material des Werkstückes selbst elastisch deformierbar ist. Insbesondere ist darunter jedoch zu verstehen, dass das Werkstück aufgrund einer fehlenden Gegenlagerung in axialer Richtung elastisch auslenkbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Kraft- bzw. Positionsregelung des Fügebauteils in Bezug auf das Werkstück kann eine Fügeverbindung zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück auch dann prozesssicher durchgeführt werden, wenn das Werkstück in axialer Richtung deformiert wird.
Sofern das hybride Fügebauteil auf ein thermoplastisches Werkstück gefügt wird, wie beispielsweise eine Platte aus thermoplastischem Kunststoff, kann die fertig gestellte Fügeverbindung zumindest abschnittsweise stoffschlüssig ausgebildet sein, also eine sehr hohe Haltekraft aufweisen. In diesem Fall kann man auch von einem thermoplastischen Schweißprozess sprechen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von besonderem Vorzug, wenn das Werkstück in axialer Richtung elastisch deformierbar ist, wobei das Fügebauteil vor dem Erwärmen des Metallabschnittes so auf die Oberfläche des Werkstückes abgesenkt wird, dass das Werkstück in axialer Richtung deformiert wird.
Durch diese Maßnahme kann zum einen ein sicherer Kontakt zwischen dem Fügeabschnitt des Fügebauteils und der Oberfläche des Werkstückes erzielt werden. Ferner kann die elastische Rückstellkraft des Werkstückes während des Fügeverfahrens mit dazu beitragen, dass eine großflächige und ”innige” Fügeverbindung erzielt wird.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn zu Beginn oder im Verlauf des Absenkens auf die Oberfläche eine Nullpunktbestimmung durchgeführt wird, um die axiale Position der Oberfläche des Werkstückes im nicht deformierten Zustand zu bestimmen.
Durch diese Nullpunktbestimmung ist es möglich, eine Positionsregelung des Fügebauteils in Bezug auf die Nullpunkt-Oberfläche des Werkstückes durchzuführen. Hierdurch kann die Fügeverbindungsqualität gesteigert werden.
Bei dieser Ausführungsform ist es zum einen möglich, den Nullpunkt mittels eines Distanzsensors zu bestimmen, der an einem Fügewerkzeug angeordnet ist, an dem das Fügebauteil während des Fügeverfahrens gehalten wird.
Ein derartiger Distanzsensor kann beispielsweise ein Lasersensor oder Ähnliches sein, mittels dessen die Distanz zwischen dem Sensor und dem Nullpunkt sehr genau gemessen werden kann. Der Distanzsensor kann jedoch auch ein anderes optisches oder elektronisches Bauteil sein, mittels dessen sich die Distanz ermitteln lässt. Im einfachsten Fall muss der Distanzsensor nicht dazu in der Lage sein, verschiedene Distanzen zu messen, sondern stellt lediglich ein Nullpunktsignal bereit, sofern eine Fügeoberfläche des Fügebauteils die Oberfläche des Werkstückes erreicht hat, bevor dieses axial deformiert wird.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn der Nullpunkt über die Änderung der Kraft bestimmt wird, die zum axialen Absenken des Fügebauteils erforderlich ist.
Bei dieser Ausführungsform ist ein separater Distanzsensor nicht unbedingt notwendig. Vielmehr lässt sich durch Ermittlung der Änderung der Kraft beim Auftreffen des Fügebauteils auf dem Werkstück der Nullpunkt ermitteln.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, das Fügebauteil mit einer konstanten Geschwindigkeit auf das Werkstück zu zu bewegen (insbesondere mit Geschwindigkeitsregelung), um die Kraftänderung leicht erfassen zu können.
Die Kraft kann bei dieser Ausführungsform direkt über Kraftsensoren bestimmt werden, die diese Kraft erfassen, wie z. B. eine Druckmessdose, ein Dehnungsmessstreifen etc. Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die Änderung der Kraft mittelbar über die Kraft eines Aktuators bestimmt wird, mittels dessen das Fügebauteil auf das Werkstück abgesenkt wird. Der Aktuator kann z. B. ein elektrischer Linearmotor sein. In diesem Fall kann die Kraft proportional zu dem elektrischen Strom sein, mittels dessen der Linearmotor gesteuert wird. Die mittelbare Krafterfassung kann jedoch beispielsweise bei einem Fluidaktuator über den Fluiddruck erfolgen. Ferner kann der Aktuator ein elektromagnetischer Aktuator sein, in welchem Fall die Kraft wiederum über den elektrischen Strom ermittelbar ist.
Schließlich ist es auch denkbar, das Fügebauteil mittels einer mechanischen Feder auf das Werkstück zu zu bewegen. In diesem Fall kann die Kraft z. B. mittelbar über den zeitlichen Verlauf der Auslenkung der Feder berechnet werden.
Ferner ist es insgesamt bevorzugt, wenn die Elastizität des Werkstückes in die Nullpunktbestimmung mit eingeht. Die Elastizität des Werkstückes kann vorab bestimmt bzw. vorprogrammiert sein, so dass eine separate Erfassung bei dem jeweiligen Fügeverfahren nicht notwendig ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Fügebauteil vor dem Erwärmen des Metallabschnittes in eine vorbestimmte Fügeausgangsposition bewegt, bei der das Werkstück elastisch deformiert ist.
Das Bewegen in die Fügeausgangsposition kann insbesondere nach der Nullpunktbestimmung durchgeführt werden, so dass die vorbestimmte Fügeausgangsposition durch eine Positionsregelung einstellbar ist.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Fügeausgangsposition zwischen dem Nullpunkt und einer Deformation des Werkstückes bei der Nullpunktbestimmung liegt.
Bei dieser Ausführungsform wird der Nullpunkt insbesondere über die Änderung der Kraft bestimmt, die sich beim Auftreffen des Fügebauteils auf das Werkstück ergibt. Hierbei wird das Werkstück in aller Regel bereits relativ stark elastisch deformiert, auch, um mit einer relativ hohen Geschwindigkeit das Fügebauteil auf das Werkstück absenken zu können. Im Anschluss daran bzw. vor dem Erwärmen des Metallabschnittes wird das Fügebauteil dann in eine axiale Fügeausgangsposition bewegt, bei der eine Fügeoberfläche des Fügebauteils etwas unterhalb des Nullpunktes liegt, also insbesondere gegenüber der Deformation des Werkstückes bei der Nullpunktbestimmung zurückbewegt.
Insgesamt ist es bevorzugt, wenn die Relativposition zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück zumindest während eines Abschnittes des Erwärmens des Metallabschnittes auf eine Zielposition geregelt wird.
Während des Erwärmens des Metallabschnittes schmilzt das thermoplastische Material des Fügeabschnittes und wird aufgrund der Tatsache, dass das Fügebauteil und das Werkstück gegeneinander angedrückt sind, verdrängt, so dass sich die Relativposition zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück während des Erwärmens des Metallabschnittes ändern kann.
Bei einem starren, nicht deformierbaren Werkstück kann das thermoplastische Material dabei seitlich zur Bildung eines Wulstes herausgedrückt werden. In diesem Fall wird das Fügebauteil aufgrund einer Andruckkraft während dieses Vorganges weiter auf das Werkstück zu bewegt.
Sofern das Werkstück axial deformierbar ist, kann zumindest ein Teil der Andruckkraft durch die elektrische Rückstellkraft des Werkstücks ausgeübt werden.
Sofern das Werkstück aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist, wird bei dem Erwärmen des Metallabschnittes auch ein Oberflächenabschnitt des Werkstückes anschmelzen. Hierbei kann thermoplastisches Material in vorher nicht gefüllte Hohlräume im Bereich des Flanschabschnittes fließen oder seitlich herausgedrückt werden.
Bei dem Fügen eines hybriden Fügebauteils auf ein thermoplastisches Werkstück ist es zudem bevorzugt, wenn in der fertiggestellten Fügeverbindung eine gewisse Durchdringung erreicht wird, die ursprüngliche Fügeoberfläche des Fügeabschnittes in der fertiggestellten Fügeverbindung folglich unter der Oberfläche des Werkstückes (d. h. unter dem Nullpunkt) liegt. Hierdurch wird eine besonders innige Fügeverbindung erreicht.
Bei dieser Ausführungsform wird die Relativposition zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück vorzugsweise derart positionsgeregelt, dass eine vordefinierte Durchdringung erzielt wird.
Eine solche Positionsregelung kann jedoch auch bei starren Werkstücken, die nicht aus thermoplastischem Material bestehen, von Vorteil sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt sich die Relativposition zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück zumindest während eines Abschnittes des Erwärmens des Metallabschnittes durch eine Regelung auf eine Zielkraft ein, mit der das Fügebauteil auf das Werkstück gedrückt wird.
Bei dieser Ausführungsform stellt sich die Relativposition durch eine Kraftregelung ein, so dass variierende Randbedingungen (variierende Materialeigenschaften etc.) gut ausgeglichen werden können.
Dabei ist es von besonderem Vorzug, wenn die Kraftregelung auf eine Positionsregelung umgestellt wird, wenn die Relativposition zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück eine voreingestellte maximale Relativposition erreicht.
Bei dieser Ausführungsform wird während der Kraftregelung auch ständig die Relativposition zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück gemessen. Sofern eine voreingestellte maximale Relativposition erreicht wird, wird auf eine Positionsregelung umgestellt. Hierdurch kann verhindert werden, dass das Fügebauteil zu einer gegenüberliegenden Oberfläche des Werkstückes durchgedrückt wird. Ferner können hierdurch konsistentere Fügeergebnisse erreicht werden.
Sofern weiter oben von einer Zielposition oder eine Zielkraft die Rede ist, kann es sich hierbei um feste voreingestellte Größen handeln. Es kann sich hierbei jedoch auch um vorgegebene Positions- bzw. Kraftverläufe handeln.
Insgesamt ist es bevorzugt, wenn das Werkstück aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist und wenn die Erwärmung des Metallabschnittes derart erfolgt, dass der Fügeabschnitt des Fügebauteils und ein Oberflächenabschnitt des Werkstückes angeschmolzen werden, was oben bereits als thermoplastisches Schweißen angesprochen wurde.
Ferner ist es insgesamt bevorzugt, wenn das Fügebauteil einen thermoplastischen Grundkörper mit einem Flanschabschnitt aufweist, in den das Metallelement integriert ist, wobei das Fügeverfahren so durchgeführt wird, dass das Metallelement in der fertiggestellten Fügeverbindung vollständig von thermoplastischem Material umgeben ist.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, das Metallelement gegenüber der umgebenden Atmosphäre einzukapseln. Insbesondere können so Korrosionsprobleme der fertiggestellten Fügeverbindung vermieden werden.
Gemäß einer weiteren insgesamt bevorzugten Ausführungsform weist das Fügebauteil einen thermoplastischen Grundkörper mit einem Flanschabschnitt auf, in den das Metallelement integriert ist, derart, dass der Metallabschnitt von einem Rand des Flanschabschnittes umgeben ist, wobei das Fügeverfahren so durchgeführt wird, dass der Rand aufgeschmolzen wird.
Das Aufschmelzen des Randes kann dazu beitragen, das Metallelement in der fertiggestellten Fügeverbindung vollständig zu umgeben.
Andererseits kann das Aufschmelzen des Randes auch dazu beitragen, in radialer Richtung eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Metallelement und dem thermoplastischen Material zu erzielen.
Es ist ferner insgesamt bevorzugt, wenn zumindest während des Erwärmens des Metallabschnittes die Temperatur der Fügezone gemessen wird und die so gemessene Temperatur in die Steuerung des Fügeverfahrens eingeht.
Hierdurch kann das Verfahren leichter auf variierende Randbedingungen eingestellt werden.
Insgesamt ist es auch bevorzugt, wenn die Form eines sich im Randbereich der Fügezone ausbildenden Wulstes aus thermoplastischem Material überwacht wird und die so gemessene Form in die Steuerung des Fügeverfahrens eingeht.
Hierbei kann die jeweils gemessene Form beispielsweise im Wege der Mustererkennung kategorisiert und mit vorab gespeicherten Mustern verglichen werden.
Demzufolge kann die Entwicklung der Wulstform beobachtet werden und in die Steuerung des Fügeverfahrens eingehen.
Alternativ ist es möglich, die Erfassung der Form des Wulstes zur Prozessüberwachung einzusetzen, um nach dem Fertigstellen einer Fügeverbindung zu kontrollieren, ob die Fügeverbindung ordnungsgemäß hergestellt worden ist.
Bei der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ist es von besonderem Vorteil, wenn die Erwärmungseinrichtung eine Induktions-Erwärmungseinrichtung mit einer Spule und einem Ferritkern aufweist, wobei der Ferritkern einen Hülsenabschnitt aufweist und wobei das Fügebauteil so an dem Fügewerkzeug gehalten werden kann, dass ein Halteabschnitt des Fügebauteils von dem Hülsenabschnitt umgeben ist.
Bei dieser Ausführungsform kann die Funktion der Erwärmungseinrichtung effizient gestaltet werden. Ferner kann die Erwärmungseinrichtung mit der Halteeinrichtung konstruktiv einfach kombiniert werden.
Dies gilt insbesondere, wenn der Hülsenabschnitt vorteilhafterweise mit einer Vakuum-Halteeinrichtung verbunden ist, die dazu ausgelegt ist, auf den Halteabschnitt des Fügebauteils eine Vakuum-Haltekraft auszuüben.
Bei dieser Ausführungsform ist von besonderem Vorteil, dass die Halteeinrichtung keine störenden Metallteile im Bereich der Induktions-Erwärmungseinrichtung aufweisen muss. Das Fügebauteil kann vielmehr per Vakuum gehalten werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn dem Fügewerkzeug ein Temperatursensor zugeordnet ist, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Fügezone zu messen.
Hierdurch kann die Qualität des mit der Fügevorrichtung durchgeführten Fügeverfahrens verbessert werden.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn der Temperatursensor an dem Hülsenabschnitt angeordnet ist.
Beispielsweise kann der Hülsenabschnitt eine axial durchgehende Bohrung aufweisen, über die ein Temperaturfühler in die Nähe der Fügezone gebracht wird. Der Sensor kann dabei vorzugsweise aus nichtmetallischen Materialien aufgebaut sein, wie z. B. einer Glasfaser zum Leiten von Wärmestrahlen, so dass das auf den Metallabschnitt auszuübende Induktionsfeld nicht oder nicht wesentlich gestört wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Erwärmungseinrichtung und eine Halteeinrichtung zum Halten des Fügebauteils an einem Schlitten angeordnet, der mittels eines Linearantriebs in Bezug auf ein Gehäuse des Fügewerkzeugs bewegbar ist.
Bei dieser Ausführungsform kann der Schritt des Absenkens des Fügebauteils auf das Werkstück mittels des Schlittens durchgeführt werden. Auch kann der Schlitten schnell wieder von der Fügezone entfernt werden, sobald die Fügeverbindung fertiggestellt ist. Schließlich ist es möglich, mittels des Schlittens ein neues Fügebauteil für einen weiteren Fügevorgang aufzunehmen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Fügevorrichtung einen Positionssensor zur Erfassung der Position des Schlittens aufweist.
Bei dieser Ausführungsform kann insbesondere vor und während der Erwärmung des Metallabschnittes eine Positionsregelung durchgeführt werden. Ferner kann mittels des Positionssensors eine Nullpunktbestimmung durchgeführt werden, die ohne zusätzlichen Sensor mittelbar über die von einem Aktuator auf den Schlitten aufgebrachte Kraft durchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Fügevorrichtung einen Kraftsensor zur Erfassung der Kraft auf, mit der das Fügebauteil an das Werkstück angedrückt wird.
Der Kraftsensor kann ein separater Sensor wie eine Druckmessdose oder Ähnliches sein. Der Kraftsensor kann jedoch auch ein Sensor sein, der eine Stellgröße eines Aktuators misst, wie beispielsweise den Strom eines Linearmotors.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Fügevorrichtung einen Lagesensor zur Erfassung der Lage des Fügewerkzeuges im Raum aufweist.
Auf diese Weise kann eine Kraftregelung unter Berücksichtigung der Gravitationskraft durchgeführt werden, da in die Kraftregelung mit eingehen kann, ob das Fügewerkzeug nach unten oder nach oben (”über Kopf”) ausgerichtet ist.
Ferner ist es bevorzugt, wenn das Fügewerkzeug einen Drehaktuator aufweist, mittels dessen das Fügebauteil vor oder während des Bewegens auf das Werkstück in eine vorbestimmte Drehlage um die Längsachse herum ausgerichtet werden kann.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, ein Fügebauteil, das einen nicht ebenen sondern an eine gekrümmte Werkstückoberfläche angepassten Flanschabschnitt aufweist, vor dem Aufsetzen auf das Werkstück zu verdrehen, um eine korrekte Relativlage in Drehrichtung in Bezug auf das Werkstück zu erreichen.
Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn das Fügewerkzeug und/oder die Erwärmungsseinrichtung einen Speicher für einen Identifikationscode aufweist, der an eine übergeordnete Steuereinheit übertragbar ist.
Der Speicher ist vorzugsweise elektronischer Art und ermöglicht es, dem Fügewerkzeug bzw. der Erwärmungseinrichtung Betriebsparameter zuzuweisen, die für den speziellen Identifikationscode beispielsweise in der übergeordneten Steuereinheit abgespeichert sein können. Alternativ ist es natürlich auch möglich, diese Betriebsparameter direkt in dem Speicher abzulegen, der dann von der übergeordneten Steuereinheit auslesbar ist.
Als Betriebsparameter kommt beispielsweise die temperaturmäßige Belastbarkeit in Frage. Beispielsweise können für unterschiedliche Typen von Fügewerkzeugen bzw. Erwärmungseinrichtungen unterschiedliche temperaturmäßige Belastbarkeiten vorhanden sein. In der übergeordneten Steuereinheit kann die Ansteuerung in Abhängigkeit hiervon dann so festgelegt werden, dass das Fügewerkzeug bzw. die Erwärmungseinrichtung temperaturmäßig nicht überbelastet wird. Dies kann zum Beispiel durch eine Begrenzung der Pulsweite bei einem Wechselstrom sein, der dem Fügewerkzeug von der Steuereinheit bereitgestellt wird. Alternativ kann auch die Größe einer Spannung typabhängig begrenzt werden, die dem Fügewerkzeug bereitgestellt wird.
Generell wird mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren bzw. mit dem erfindungsgemäßen Fügewerkzeug wenigstens einer der folgenden Vorteile erzielt:
Ein Fügen von thermoplastischen Fügebauteilen auf Werkstücke ist bei nur einseitiger Zugänglichkeit ohne die Notwendigkeit eines Gegenlagers möglich.
Das Verfahren kann unter Berücksichtigung der Gestaltung des Fügebauteils derart durchgeführt werden, dass eine form-, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen den thermoplastischen Kunststoffkomponenten gleicher sowie unterschiedlicher Art und einem integrierten Metallabschnitt zustande kommt.
Ein Ferritkern einer Induktions-Erwärmungseinrichtung kann rein hülsenförmig ausgebildet sein, kann jedoch auch als U-Kern mit rechteckigem Querschnitt oder als E-Kern mit rechteckigem oder rundem Querschnitt ausgebildet sein.
Eine Spule einer solchen Induktions-Erwärmungseinrichtung kann 1 bis maximal 100 Windungen aufweisen.
Ferner kann die Induktions-Erwärmungseinrichtung mit einer Temperatursensorik ausgestattet sein, um die Temperatur der Spule zu erfassen. Aufgrund dessen kann die Spule mittels eines Kühlmediums wie z. B. Kühlluft gekühlt werden.
Die Fügezonentemperatur kann mittelbar über die Temperatur eines Fügeflansches des Fügebauteils gemessen werden, und zwar z. B. mittels einer Glasfaserleitung an der der Fügezone gegenüberliegenden Oberseite des Flanschabschnittes.
Es können pneumatische Stellglieder zur Bereitstellung von Unterdruck in das Fügewerkzeug integriert sein, der zum Aufnehmen und Halten des Fügebauteils und/oder zur Bereitstellung von Kühlluft und/oder zur pneumatisch betätigten Schlittenbewegung verwendet werden kann. Die pneumatischen Stellglieder können mit einer Sensorik zur Druck- und/oder Unterdruckmessung verbunden sein, um das Vorhandensein von Druckluft im Fügewerkzeug bzw. das Vorhandensein eines Fügebauteils in der Halteeinrichtung erkennen zu können.
In dem Fügewerkzeug kann eine untergeordnete Steuerelektronik zur Ausführung von Ansteueraktionen, zur Übertragung von Mess- und Kenndaten an eine übergeordnete Steuereinheit und/oder zum Empfangen von Steuerdaten von einer übergeordneten Steuereinheit vorgesehen sein, beispielsweise via einer seriellen Datenübertragung.
Das Fügewerkzeug kann über eine hybride Leitung mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden sein, wobei die hybride Leitung beispielsweise Leitungen zur Übertragung von Energie (zum Betrieb der Erwärmungseinrichtung), Datenleitungen und/oder pneumatische Leitungen zur Versorgung mit Druckluft bzw. Unterdruck beinhaltet.
Die Induktions-Erwärmungseinrichtungen bzw. Halteeinrichtungen können für das manuelle und für das automatische Fügen von Fügebauteilen auf Werkstücke im Bereich der magnetischen Kopplung zwischen der Induktions-Erwärmungseinrichtung und dem Fügebauteil geometrisch und elektrisch gleich gestaltet und ausgelegt sein, um positionsbezogen mit gleichen Fügeparametern arbeiten zu können.
Bei dünnen Werkstücken ist es von Vorzug, wenn die Kraft- und/oder Positionsregelung während des Erwärmens des Metallabschnittes so erfolgt, dass an der Rückseite des Werkstückes keine sicht- oder fühlbaren Verformungen auftreten.
Fügebauteile können bei einem automatischen Fügewerkzeug einzeln vor jedem Fügeverfahren aufgenommen werden, beispielsweise von einer Bereitstellungsstation.
Weiterhin ist es auch möglich, dass das automatisierte Fügewerkzeug jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Fügebauteilen (z. B. in einem Magazin) übernimmt. Anschließend kann eine Anzahl von Fügevorgängen durchgeführt werden, bis das Magazin entleert ist und ein Magazinaustausch notwendig ist.
In dem Magazin können die Befestigungselemente insbesondere dann, wenn sie einen thermoplastischen Grundkörper aufweisen, endlos gehaltert bzw. gegurtet miteinander verkettet sein, wobei eine Vereinzelung in dem Fügewerkzeug stattfindet.
Generell ist es auch denkbar, Fügebauteile in einer Bereitstellungsstation zu vereinzeln und mittels eines Zuführschlauches jeweils einzeln vor einem Fügeverfahren dem Fügewerkzeug zuzuführen.
Ferner lässt sich das Fügeverfahren überwachen, indem die Daten von Sensoren und andere Fügeparameter gespeichert werden. Ferner kann die jeweilige Durchdringung beim Fügen auf thermoplastische Werkstücke gemessen und mit einer Hüllkurve überlagert werden.
Die Durchdringung kann bereits ermittelt werden, bevor das Fügewerkzeug von der fertiggestellten Fügeverbindung abgezogen wird.
Ferner können auch die Temperaturverläufe der Fügeverfahren in Bezug auf jede Fügeposition gemessen und mit entsprechenden Hüllkurven überlagert werden, um bei Abweichungen aus der Hüllkurve eine Wartungsanzeige oder Ähnliches herauszugeben.
Generell können Fügeverbindungen, bei denen Hüllkurven über- bzw. unterschritten sind, als verdächtig gekennzeichnet werden, und bei einer definierten Häufigkeit solcher Fügeprozesse können Instandhaltungsmaßnahmen eingeleitet werden.
Die Messergebnisse des Nullpunktes sowie der erzielten Durchdringung können mit einer zulässigen Toleranz belegt werden, wobei der jeweilige Fügeprozess bei Über- bzw. Unterschreitung der Toleranz abgebrochen bzw. als verdächtiger Fügeprozess gekennzeichnet wird.
Die Fügekräfte, mittels derer das Fügebauteil auf das Werkstück angedrückt wird, können im Bereich von 1 bis 100 N liegen.
Die Position des Schlittens kann über optische Sensoren (”Encoder”) oder magnetoresistive Wegaufnehmer erfasst werden. Aus der Positionserfassung lassen sich Geschwindigkeit und Beschleunigung des Schlittens ableiten (beispielsweise in der Steuereinrichtung, die in dem Fügewerkzeug vorhanden ist).
Die Kraft, mittels der das Fügebauteil auf das Werkstück gedrückt wird, kann direkt über einen Kraftsensor erfasst werden (z. B. Kraftmessdose) oder indirekt über eine Aktuatorstellgröße, wie der elektrische Strom eines Linearmotors.
Anstelle eines separaten Sensors zur Erfassung der Lage des Fügewerkzeuges im Raum kann diese Lage auch aus den Ergebnissen der Kraftmessung berechnet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung zum Fügen eines Fügebauteils auf ein Werkstück;
1a eine fertiggestellte Fügeverbindung mit einem thermoplastischen Werkstück;
1b eine fertiggestellte Fügeverbindung mit einem Werkstück aus nichtschmelzbarem Material wie Metall;
2 schematische Diagramme des axialen Weges eines Schlittens, des Stromes eines Linearmotors zum Bewegen des Schlittens und des Stromes zur Aktivierung einer Induktions-Erwärmungseinrichtung über der Zeit zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Fügeverfahrens;
3 eine Abwandlung des Verfahrens der 2;
4 eine Darstellung der auf ein Fügebauteil aufgebrachten Kraft über dem Weg zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Fügeverfahrens;
5 Darstellungen des Weges eines Schlittens des Fügewerkzeuges über der Zeit bei einer Nullpunktbestimmung;
6 und 7 Darstellungen von Hüllkurven für den Verlauf des Weges des Schlittens über der Zeit zur Ermittlung verdächtigter Fügeverfahren;
8 eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeuges;
9 eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeuges;
10 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeuges;
11 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeuges; und
12 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeuges in einer schematischen Seitenansicht.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung generell mit 8 bezeichnet.
Die Fügevorrichtung 8 dient dazu, ein Fügeverfahren durchzuführen, bei dem ein hybrides Fügebauteil 10 auf ein Werkstück 12 gefügt wird.
Das Fügebauteil 10 weist einen Grundkörper 11 auf, der aus Metall bestehen kann, jedoch bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt ist. Der Grundkörper 11 weist einen Halteabschnitt 14 auf, mittels dessen das Fügebauteil 10 gehalten werden kann, sowie einen Flanschabschnitt 16, mittels dessen das Fügebauteil 10 auf eine Oberfläche des Werkstückes 12 gefügt werden kann.
In den Flanschabschnitt 16 ist bei der gezeigten Ausführungsform mit einem thermoplastischen Grundkörper ein Metallabschnitt 18 in der Form eines flächigen, mit Durchbrechungen versehenen Metallelementes integriert. Der Metallabschnitt 18 bildet gemeinsam mit einem Rand 17 des Flanschabschnittes 16 eine Fügeoberfläche 19.
Alternativ kann dann, wenn der Grundkörper 11 aus Metall gefertigt ist, an der Unterseite des Flanschabschnittes 16 ein thermoplastischer Klebstoff aufgebracht sein.
Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird generell von einem Fügebauteil 10 mit einem thermoplastischen Grundkörper 11 ausgegangen, in dessen Flanschabschnitt 16 ein Metallabschnitt 18 integriert ist. Die entsprechende Beschreibung lässt sich jedoch in gleicher Weise auch auf ein Fügebauteil 10 anwenden, dessen Grundkörper 11 aus Metall hergestellt ist.
Die Fügevorrichtung 8 weist ein Fügewerkzeug 20 auf, das in dem dargestellten Beispiel als Fügekopf ausgebildet ist, der an einem Arm 24 eines Roboters 22 montiert ist.
Die Fügevorrichtung 8 weist ferner eine Vorrichtung 26 zur Energieversorgung und zur Steuerung auf, die beispielsweise stationär neben dem Roboter 22 angeordnet sein kann. Diese Vorrichtung 26 wird nachstehend generell als Steuereinheit 26 bezeichnet.
Die Steuereinheit 26 ist mittels einer vorzugsweise flexiblen Hybridverbindungsleitung 28 mit dem Fügewerkzeug 20 verbunden. Die Hybridverbindung 28 kann beispielsweise mit Leitungen zur Energieversorgung, Steuerleitungen und/oder Pneumatikleitungen zum Versorgen des Fügewerkzeuges 20 mit Druckluft bzw. Unterdruck ausgestattet sein.
Das Fügewerkzeug 20 kann alternativ auch ein manuell betätigbares Fügewerkzeug sein. In diesem Fall sind an dem Fügewerkzeug 20 geeignete Mittel zur manuellen Handhabung vorgesehen.
Das Fügewerkzeug 20 weist ein Fügekopfgehäuse 30 auf, an dem ein Schlitten 32 in axialer Richtung A beweglich gelagert ist. Der Schlitten 32 ist mittels eines schematisch angedeuteten Linearantriebs 34, beispielsweise eines elektrischen Linearmotors oder eines pneumatischen Antriebes, axial bewegbar, wie es durch einen Pfeil 35 angedeutet ist.
Das Fügewerkzeug 20 beinhaltet ferner eine untergeordnete Steuereinrichtung 36, die Steuersignale von der Steuereinheit 26 erhält und Prozessüberwachungssignale an die Steuereinheit 26 sendet.
Ferner beinhaltet das Fügewerkzeug 20 eine Halteeinrichtung 38 zum Halten des Halteabschnittes 14 des Fügebauteils 10, die mittels eines schematisch angedeuteten Aktuators 39 betätigbar ist.
Die Halteeinrichtung 38 ist in 1 schematisch als mechanische Halteeinrichtung angedeutet, ist jedoch vorzugsweise eine Vakuum-Halteeinrichtung, die das Fügebauteil 10 durch Anlegen eines Vakuums an dem Schlitten 32 festlegen kann.
Ferner ist an dem Schlitten 32 eine Erwärmungseinrichtung 40 vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, den Metallabschnitt 18 (oder bei einem metallischen Grundkörper den Grundkörper selber) zu erwärmen, um auf diese Weise einen schmelzbaren Fügeabschnitt des Flanschabschnittes 16 und/oder die Oberfläche des Werkstückes 12 aufzuschmelzen.
Der Schlitten 32 ist mittels einer Feder 42 in das Fügekopfgehäuse 30 hinein vorgespannt. Der Linearantrieb 34 bewegt den Schlitten 32 folglich aus dem Fügekopfgehäuse 30 gegen die Kraft der Feder 42 heraus.
Das Fügewerkzeug 20 ist ferner mit einem Positionssensor 44 zur Erfassung der Position des Schlittens 32 (und damit der Position eines daran gehaltenen Fügebauteils 10) ausgestattet. Ferner beinhaltet das Fügewerkzeug 20 einen Kraftsensor 46, mittels dessen die Kraft ermittelbar ist, mittels der das Fügebauteil 10 gegen das Werkstück 12 gedrückt wird.
Schließlich beinhaltet das Fügewerkzeug 20 vorzugsweise einen Lagesensor 48 zur Erfassung der räumlichen Lage des Fügewerkzeuges 20 sowie einen Temperatursensor 50 zur Erfassung der Temperatur der Fügezone. Die Temperatur der Fügezone kann auch mittelbar beispielsweise über die Messung der Temperatur der Oberseite des Flanschabschnittes 16 gemessen werden.
Schließlich kann das Fügewerkzeug 20 einen Wulstformsensor 52 aufweisen, mittels dessen die Form eines sich bei einem Fügevorgang ergebenden Wulstes am Rand des Flanschabschnittes optisch erfasst werden kann. Die Form des Wulstes kann mit vorab gespeicherten Referenzformen des Wulstes verglichen werden, um auf diese Weise eine Prozessüberwachung einzurichten.
Wie nachstehend noch erläutert werden wird, ist die relative Distanz zwischen dem Fügewerkzeug 20 und der Oberfläche des Werkstückes 12 bei dem Fügeverfahren von Bedeutung. Zu diesem Zweck kann an dem Fügewerkzeug 20 ein Distanzsensor 53 vorgesehen sein, der diese Entfernung misst. Der Distanzsensor 53 kann an dem Fügekopfgehäuse 30 oder an dem Schlitten 32 angeordnet sein.
Die Fügevorrichtung 8 beinhaltet ferner eine Bauteilbereitstellungsstation 54, an der jeweils bereits vereinzelte Fügebauteile 10 bereitgestellt werden, die durch Betätigung des Roboters 22 und des Schlittens 32 in das Fügewerkzeug 20 aufgenommen werden können, um ein Fügeverfahren einzuleiten.
Generell ist der Flanschabschnitt 16 des Fügebauteils 10 eben ausgebildet, vorzugsweise als kreisrunder Flanschabschnitt. Der Flanschabschnitt 16 kann jedoch auch uneben ausgebildet sein, insbesondere dann, wenn die Oberfläche des Werkstückes 12 an der Stelle uneben ist, auf die das Fügebauteil 10 zu fügen ist. Um in diesem Fall für eine lagerichtige Positionierung des Fügebauteils 10 um die Längsachse A herum zu sorgen, kann das Fügewerkzeug 20 ferner einen Drehaktuator 56 aufweisen, um das Fügebauteil 10 in Bezug auf das Fügekopfgehäuse 30 um die Längsachse A herum zu drehen.
Ferner ist in dem Fügewerkzeug ein Speicher 58 für einen Identifikationscode vorgesehen. Der Identifikationscode identifiziert das Fügewerkzeug 20, beispielsweise einen bestimmten Typ von Fügewerkzeug und/oder jedes einzelne Fügewerkzeug. Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher Speicher 58 auch an dem Schlitten 32 vorgesehen sein, um beispielsweise den Typ oder jede einzelne Erwärmungseinrichtung 40 zu identifizieren.
Die Steuereinheit 26 ist dazu ausgelegt, den Identifikationscode auszulesen, was beispielsweise bei einem Wechsel des Fügekopfes 20 an dem Roboter 22 auch automatisch erfolgen kann.
Über den Identifikationscode kann dann in der Steuereinheit 26 auf bestimmte Betriebsparameter des jeweiligen Fügewerkzeuges 20 (der jeweiligen Erwärmungseinrichtung 40) geschlossen werden, beispielsweise auf die temperaturmäßige Belastbarkeit. Damit können in der Steuereinheit 26 Grenzen der Einstellparameter so festgelegt werden, dass während des Betriebs keine schädigende Betriebsart (insbesondere keine schädigende Erwärmung) auftreten kann. Die Begrenzung kann beispielsweise durch Beeinflussung der Energieversorgung des Fügewerkzeuges 20 erfolgen. Bei einer gepulsten Stromquelle kann beispielsweise die Pulsweite begrenzt werden. Alternativ kann die Höhe der Eingangsgleichspannung reduziert werden, aus der die getaktete Stromversorgung für das Fügewerkzeug 20 abgeleitet wird.
In den 1a und 1b sind fertiggestellte Fügeverbindungen 60 gezeigt, die mittels der in 1 gezeigten Fügevorrichtung hergestellt worden sind.
In 1a ist ein Fügebauteil 10 mit einem thermoplastischen Grundkörper 11 gezeigt, der, wie in der Darstellung der 1, einen Flanschabschnitt 16 aufweist, an dessen Unterseite ein Metallabschnitt 18 integriert ist.
Ferner besteht bei der fertiggestellten Fügeverbindung 60 der 1a das Werkstück 12 aus einem thermoplastischen Material. Man erkennt, dass in der fertiggestellten Fügeverbindung 60 sich zum einen am Außenumfang des Flanschabschnittes 16 ein Wulst 62 ergibt, der den Metallabschnitt 18 umgibt. Genauer gesagt ist der Metallabschnitt 18 in der Fügeverbindung 60 vollständig durch thermoplastisches Material des Flanschabschnittes 16, des Wulstes 62 und des Werkstückes 12 eingeschlossen, so dass Korrosionsprobleme vermieden werden.
Der Metallabschnitt 18 weist eine Mehrzahl von axialen Durchgangslöchern auf, durch die hindurch sich Schmelzen des Flanschabschnittes 16 und des Werkstückes 12 verbinden können, und zwar zu einer stoffschlüssigen Verbindung 66. Hierdurch und durch die Einbindung des Metallabschnittes 18 wird ferner in radialer Richtung eine formschlüssige Verbindung 64 erzielt. An der Oberseite und der Unterseite des Metallabschnittes 18 ist dieser jeweils mit dem benachbarten thermoplastischen Material über einen Kraftschluss 68 verbunden.
In 1a ist ferner zu erkennen, dass das Fügebauteil 10 in der fertiggestellten Fügeverbindung 60 um einen axialen Betrag in die Oberfläche des Werkstückes 12 eingedrungen ist. Dieser Betrag wird vorliegend als ”Durchdringung” 70 bezeichnet.
1b zeigt eine alternative Ausführungsform einer fertiggestellten Fügeverbindung 60. Hierbei ist das Fügebauteil 10 ebenfalls mit einem Grundkörper 11 aus einem thermoplastischen Material ausgestattet, wobei das Werkstück 12 jedoch nicht aufschmelzbar ist und beispielsweise aus Metall oder Glas oder einem ähnlichen Material besteht. Hierbei ist thermoplastisches Material an der Unterseite des Metallabschnittes 18 durchgehend vorhanden, so dass zwischen dem so gebildeten Fügeabschnitt des Fügebauteils 10 und der Oberfläche des Werkstückes 12 eine kraft schlüssige Verbindung 68 eingerichtet wird. Auch hierbei wird der Fügeabschnitt mittels des Metallabschnittes 18 erwärmt und aufgeschmolzen, und es wird in dem Fügeverfahren ein gewisser Druck auf das Fügebauteil 10 ausgeübt, so dass aufgeschmolzenes thermoplastisches Material zur Seite hin ausweicht und einen Wulst 62 bildet, so dass der Metallabschnitt 18 auch hier vollständig von thermoplastischem Material umgeben ist. Hierfür ist in der Regel erforderlich, dass zwischen dem Metallabschnitt 18 und der Oberfläche des Werkstückes 12 eine gewisse Restdicke 72 an thermoplastischem Material verbleibt.
Ferner ist es bei der Ausführungsform der 1b auch möglich, den Grundkörper 11 aus einem Metall herzustellen, beispielsweise einstückig mit dem Metallabschnitt 18.
Des Weiteren ist es bei der Ausführungsform der 1a auch möglich, ein Fügebauteil 10 mit einem Grundkörper 11 aus Metall bereitzustellen, an dessen Unterseite ein thermoplastisches Material vorgesehen ist, das angeschmolzen wird und sich mit einer Schmelze des Werkstückes 12 vermischt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung erzielbar ist.
In 2 ist der Ablauf eines Fügeverfahrens 80 dargestellt, und zwar für den Fall eines hybriden Fügebauteils 10 mit einem thermoplastischen Grundkörper 11, wobei das Fügebauteil 10 auf ein Werkstück 12 aus thermoplastischem Material gefügt wird. Ferner ist das Werkstück 12 bei dieser Ausführungsform in axialer Richtung elastisch deformierbar, d. h. es ist beispielsweise als relativ dünne Kunststoffplatte aus thermoplastischem Material gebildet, die insgesamt bei Ausübung eines Druckes in axialer Richtung ausgelenkt werden kann.
In 2 ist in einer oberen Darstellung der Weg s des Schlittens 32 über der Zeit dargestellt. In einer mittleren Darstellung ist der Strom i_L für den Linearantrieb 34 über der Zeit t dargestellt. In einer unteren Darstellung ist der elektrische Strom i_I des Stromes für die Induktions-Erwärmungseinrichtung 40 dargestellt.
Das Fügeverfahren beginnt ausgehend von einem Zustand, bei dem der Schlitten 32 vollständig in das Fügekopfgehäuse 30 zurückgefahren ist und ein Fügebauteil 10 an der Halteeinrichtung 38 gehalten wird. Diese Position des Schlittens 32 ist in 2 mit s₁ bezeichnet. Zu einem Zeitpunkt t₁ wird der Linearantrieb 34 mit Strom i_L versorgt, und zwar mit einem ersten Wert I₁. Hierdurch wird der Schlitten 32 gegen die Kraft der Feder 42 aus dem Fügekopfgehäuse 30 herausbewegt, und zwar auf das Werkstück 12 zu. Hierbei wird vorzugsweise eine konstante Geschwindigkeit des Schlittens 32 eingerichtet, so dass sich ein linearer Verlauf des Weges ergibt.
Die Oberfläche des Werkstückes 12 im nicht deformierten Zustand ist in 2 mit so bezeichnet. Zu einem Zeitpunkt 12 trifft die Fügeoberfläche 19 des Fügebauteils 10 auf die Oberfläche des Werkstückes 12 auf. Hierdurch benötigt der Linearantrieb 34 aufgrund der Geschwindigkeitsregelung einen höheren Strom, was in 2 schematisch mit I₂ angedeutet ist. Das Werkstück 12 wird hierbei axial ausgelenkt, und zwar bis hin zu einer maximalen Auslenkung 84. Durch die Erfassung der Änderung des Stromes von I₁ auf I₂ und gleichzeitige Erfassung der Position des Schlittens 32 kann der Nullpunkt s₀ bestimmt werden, so dass anschließend auch der Betrag der maximalen Auslenkung 84 bekannt ist, die in 2 mit s₂ bezeichnet ist.
Nachdem der Nullpunkt s₀ auf diese Weise bestimmt worden ist, wird der Strom i_L des Linearantriebs 34 auf einen Wert I₃ verringert. Dieser Wert ist so gering, dass das Werkstück 12 elastisch zurückbewegt wird, bis sich eine Fügeausgangsposition s₄ ergibt, die vorzugsweise durch eine Positionsregelung eingestellt wird. In dieser Position befindet sich die Fügeoberfläche 19 noch unterhalb des Nullpunktes S₀, so dass das Werkstück 12 noch um einen kleinen Betrag ausgelenkt ist. Diese Fügeausgangsauslenkung bzw. -durchbiegung ist in 2 mit 86 bezeichnet.
Anschließend wird zum Zeitpunkt t₄ der Strom i_I der Induktions-Erwärmungseinrichtung 40 eingeschaltet. Durch diesen Strom wird der Metallabschnitt 18 erwärmt, derart, dass benachbarte Abschnitte des Flanschabschnittes 16 und benachbarte Abschnitte der Oberfläche des Werkstückes 12 angeschmolzen werden. In einem Zeitpunkt t₄' wird bevorzugt von der Positionsregelung auf eine Kraftregelung umgeschaltet (siehe 4).
Sobald die Abschnitte angeschmolzen sind, beginnen die Schmelzen in etwaige Hohlräume einzudringen bzw. zur Seite hin auszuweichen und eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen. Dies hat zur Folge, dass bei gleichbleibendem Linearantriebsstrom I₃ der Schlitten 32 weiter auf das Werkstück 12 zu bewegt wird. Dies wird in der vorliegenden Ausführungsform durch eine Kraftregelung oder durch eine Positionsregelung erzielt. Zum Zeitpunkt t₅ hat sich dann eine vorprogrammierte Durchdringung 70 eingestellt (die Position des Schlittens 32 beträgt hier s₅). Im weiteren Verlauf wird die Position des Schlittens 32 geregelt und konstant auf der vorprogrammierten Durchdringung 70 gehalten. Ferner kann zum Zeitpunkt t₅ auch der Strom des Linearantriebs 34 in der Regel weiter abgesenkt werden, auf einen Wert I₄, der vorliegend als konstanter Strom gezeigt ist. Der Wert des Stromes kann in diesem Bereich jedoch auch aufgrund der Positionsregelung variieren.
Zum Zeitpunkt t₆ wird die Induktions-Erwärmungseinrichtung 40 abgeschaltet. Anschließend wird bis zum Zeitpunkt t₇ gewartet, bis die Gesamtschmelze erstarrt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Linearantrieb 34 auf Rückwärtsbewegung umgeschaltet, so dass sich ein negativer Strom –I₁ ergibt und sich der Schlitten 32 von dem Werkstück 12 weg bewegt. Es versteht sich, dass die Halteeinrichtung 38 zuvor gelöst werden muss. Zum Zeitpunkt t₈ hat der Schlitten 32 wieder seine Grundposition in dem Fügekopfgehäuse 30 erreicht, wodurch sich der Betrag des Stromes noch einmal erhöht. Anschließend wird der Strom abgeschaltet, und das Fügeverfahren ist beendet. Es ergibt sich beispielsweise eine Fügeverbindung 60, wie sie in 1a gezeigt ist.
Bei einer Fügeverbindung 60, wie sie in 1b gezeigt ist, kann die Position des Schlittens 32 bzw. des Fügebauteils 10 während der Erwärmung des Metallabschnittes 18 ebenfalls positionsgeregelt durchgeführt werden. In diesem Fall wird der Wert der Durchdringung 70 kleiner sein, insbesondere kleiner als der Wert der Auslenkung 86 während der Fügeausgangsposition.
Sofern vorliegend eine Positionsregelung auf der Basis einer mittelbaren Nullpunktbestimmung durchgeführt wird, versteht sich, dass Messtoleranzen berücksichtigt werden sollten. Dies gilt insbesondere bei Positionsregelungen nahe des Nullpunktes (z. B. auf die Fügeausgangsposition).
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Fügevorrichtungen und Fügeverfahren beschrieben, die generell der Fügevorrichtung der 1 bzw. dem Fügeverfahren der 2 entsprechen. Gleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Im Folgenden wird nur auf Unterschiede eingegangen.
3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Fügeverfahrens 80, wobei ab dem Zeitpunkt t₄ keine Positionsregelung auf einen bestimmten Wert einer Durchdringung durchgeführt wird. Vielmehr wird während der Erwärmung des Metallabschnittes 18 eine Kraftregelung durchgeführt, mittels der die von dem Fügebauteil 10 auf das Werkstück 12 ausgeübte Kraft geregelt wird. Hierdurch stellt sich bis zum Zeitpunkt t₆ eine Durchdringung 70 ein, die von Fügeprozess zu Fügeprozess variabel sein kann, wie es durch einen Pfeil 71 angedeutet ist.
Bei dieser Ausführungsform kann dann, wenn eine maximale Durchdringung 70' erreicht ist (wie in 3 gestrichelt zum Zeitpunkt t₅' gezeigt), auf eine Positionsregelung umgeschaltet werden, so dass eine zu tiefe Durchdringung vermieden wird. In diesem Fall wird die Position auf die maximale Durchdringung 70' eingeregelt, wie es in 3 dargestellt ist.
4 zeigt eine Darstellung des Fügeverfahrens 80 in Form der von dem Fügebauteil 10 auf das Werkstück 12 aufgebrachten Kraft F über den Weg s des Schlittens 32.
Hierbei wird ausgehend von der Ausgangsposition s₁ zunächst eine Kraft F₁ ausgeübt. Die Kraft F₁ überwindet die Kraft F₃ der Feder 42, welche den Schlitten 32 vollständig in das Fügekopfgehäuse 30 der Fügevorrichtung 8 gedrückt hält, und beschleunigt den Schlitten 32 in Richtung auf das Werkstück 12 bis eine konstante Geschwindigkeit des Schlittens 32 erreicht ist. Sobald die konstante Geschwindigkeit erreicht ist, Position S₁', wird die Beschleunigungskraft abgeschaltet und es wirkt nur noch der Kraftanteil, der zur Überwindung der Federkraft und zur Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit von z. B. 300 mm/s notwendig ist.
In der Position S₀ trifft das Fügebauteil 10 auf die Oberfläche des Werkstücks 12. Der Linearantrieb 34 versucht durch Erhöhung seiner Antriebskraft die konstante Geschwindigkeit des Schlittens 32 beizubehalten. Der Schlitten 32 wird aber bei Verformung des Werkstücks 12 abgebremst und in der Position S₂ zum Stillstand gebracht. Die Position des Werkstücks S₀ wird mittels des Distanzsensors 53 erkannt und ist in dieser Prozessphase bekannt. Durch Minderung der Antriebskraft des Linearantriebs 34 wird das Fügebauteil 10 nun in die Position S₄ gebracht und dort bis zu dem Zeitpunkt t₄' gehalten. Zum Zeitpunkt t₄' wird die Positionsregelung der Position S₄ in eine Kraftregelung zum Erreichen einer Position S₅ umgeschaltet. Die Position S₅ kann je nach eingebrachter induktiver Erwärmungsenergie schwanken. Die Kraftregelung erbringt eine konstante Kraft F₂, die das Fügebauteil 10 weiter in das Werkstück 12 drückt und geschmolzenen Werkstoff aus der Fügezone herausdrückt, auch noch nachdem die induktive Erwärmung abgeschaltet worden ist, bis die Rückstellkraft des durchgebogenen Werkstücks 12 die konstante Kraft F₂ kompensiert. In dieser Position S₅ wird das Fügebauteil 10 gehalten, bis der geschmolzene thermoplastische Kunststoff vollständig erstarrt ist. Die konstante Kraft F₂ wir nun soweit reduziert, dass der Schlitten 32 mit konstanter Geschwindigkeit in seine rückwertige Position in die Fügevorrichtung 8 zurückgekehren kann.
4 zeigt des Weiteren zwei Prozessfenster 87A und 87B. Das Prozessfenster 87A verdeutlicht die Leistungsgrenzen des Linearantriebs, in denen der Fügeprozess zu erfolgen hat. Sie sind vorzugsweise gegeben durch die Länge des Fügebauteils 10. Hier muss eine Position S₆ überschritten werden, um den Schlitten 32 nach der Fügung wieder vom Werkstück 12 abziehen zu können. Die Position S₃ verdeutlicht den maximal möglichen Verfahrweg 12 des Schlittens, der während des Fügeprozesses nicht überschritten werden kann. Diese Positionen sind vor Beginn des Einschaltens der induktiven Erwärmung zu überprüfen, um bei Überschreitung den Fügeprozess vor dem Einschalten der induktiven Erwärmung abbrechen zu können. F_a und F_b sind die minimalen und maximalen Kräfte, die der Linearantrieb 32 zur Prozessausübung bereit stellen muß.
Das Prozessfenster 87B zeigt die Grenzen auf, in denen der eigentliche Ablauf des Fügeprozesses zu erfolgen hat, um eine Parameterüberwachung sinnvoll durchführen zu können. Dessen Parametergrenzen und -toleranzen sind für jede Fügeposition individuell festzulegen und mit einer eigenen Kennnummer zu versehen.
Es versteht sich, dass der Kraft-Weg Verlauf vorzugsweise mit Toleranzbändern, wie in 6 und 7 gezeigt, umgeben wird. Die Schritte ”Fügebauteil 10 auf dem Werkstück 12 Platzieren” und ”Fügebauteil 10 auf das Werkstück 12 Fügen” können hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Verläufe getrennt überwacht werden. Auf diese Art und Weise können Maßnahmen zur vorbeugenden Instandhaltung hergeleitet werden.
5 zeigt in detaillierter Form zwei Verfahren zur näherungsweisen Bestimmung der Position S₀ bzw. sicheren Bestimmung von S₄ während des Fügeprozesses. Man erkennt hier, dass das Werkstück 12 um die Fügezone herum einmal mehr oder weniger durchgebogen (S₂ und S₂') wird.
Im Falle der Durchbiegung S₂ erfolgen die Ereignistriggerungen T₁ und T₂ basierend auf den Messungen des Stromes im Linearantrieb oder der vom Linearantrieb auf eine Kraft-messdose ausgeübten Kraft (Trigger T₁) sowie auf der Messung der Schlittenbewegung (Trigger T₂) bevor bzw. nachdem die Schlittenbewegung fast zum Stillstand gekommen ist. Im Falle der Durchbiegung S₂' erfolgen die Ereignistriggerungen T_a und T_b basierend auf der Messung des Stromes im Linearantrieb oder der vom Linearantrieb ausgeübten Kraft.
Die Trigger T₁ und T_a bewirken eine unmittelbare Messung der Schlittenposition. Diese entspricht der gewünschten Position S₄ und näherungsweise S₀, da S₀ aufgrund eines abrupten Kraft- bzw. Stromanstieges überschritten sein muß. Die Trigger T₂ und T_b führen zu einer Reduktion der Antriebskraft des Schlittens der Art, so dass der Schlitten in eine Position S₄ sicher unterhalb von S₀ gebracht werden kann.
In beiden Fällen kann S₀ mit hinreichender Genauigkeit erkannt werden und der Schlitten kann sicher in eine Position S₄ kurz unterhalb von S₀ gefahren werden, bei der das Fügebauteil 10 und das Werkstück 12 gegeneinander gepresst sind.
In den 6 und 7 ist das in 3 bzw. 2 gezeigte Fügeverfahren schematisch dargestellt, wobei um bestimmte Abschnitte des Verlaufs des Weges s eine Hüllkurve 88 gelegt ist. Diese Hüllkurve 88 wird zuvor festgelegt und stellt akzeptable Toleranzen des Verlaufs des Weges dar. Der Weg wird während jedes Fügevorganges protokolliert und anschließend mit der Hüllkurve 88 verglichen. Sofern sich Abweichungen ergeben (wie durch Doppelpfeile in den 6 und 7 angedeutet), kann auf einen verdächtigen Fügeprozess geschlossen werden bzw. auf ein Fügeverfahren, das bestimmte Standards nicht erfüllt. Alternativ kann auch bei einer Mehrzahl solcher Abweichungen ein Instandhaltungsvorgang eingeleitet werden.
6 zeigt dabei das Verfahren der 3, wobei die Durchdringung 70 sich während der Erwärmung des Metallabschnittes 18 durch eine Kraftregelung einstellt und insofern variabel ist.
7 zeigt die Alternative der 2, wobei während der Erwärmung des Metallabschnittes 18 eine Positionsregelung stattfindet. Insofern ist hier bezüglich der Durchdringung 70 auch keine Hüllkurven-Toleranz vorgesehen.
8 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Fügewerkzeuges 20. Das Fügewerkzeug 20 weist eine Induktions-Erwärmungseinrichtung 40 mit einer Spule 90 und einem Ferritkern 92 auf. Der Ferritkern 92 weist einen Hülsenabschnitt 94 auf, um dessen Außenumfang herum die Spule 90 angeordnet ist. Der Hülsenabschnitt 94 ist konzentrisch zu einer Längsachse A ausgerichtet und weist eine axiale Durchgangsöffnung 96 auf. Die Durchgangsöffnung 96 ist dazu ausgelegt, den beispielsweise schaftförmigen Halteabschnitt 14 des Fügebauteils 10 aufzunehmen, so dass eine Unterseite des Hülsenabschnittes 94 benachbart zu einer Oberseite des Flanschabschnittes 16 liegt.
An der Oberseite des Flanschabschnittes 16 sind eine oder mehrere Erhebungen 98 ausgebildet, die dazu ausgelegt sind, zwischen der Unterseite des Hülsenabschnittes 94 und der Oberseite des Flanschabschnittes 16 einen gewissen Abstand einzurichten. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Hülsenabschnitt 94 die Oberseite des Flanschabschnittes 16 nicht flächig sondern nur im Wesentlichen punktförmig kontaktiert, so dass ein Anhaften des Hülsenabschnittes 94 bei einer Erwärmung des Flanschabschnittes 16 vermieden werden kann. Die Länge der Erhebungen 98 definiert maßgeblich die magnetische Felddichte im Metallteil 18 und ist deswegen eng toleriert herzustellen. An der Oberseite des Hülsenabschnittes 94 ist eine Halteeinrichtung 38 in Form einer Vakuum-Halteeinrichtung 38 vorgesehen. Hierbei ist die obere Seite der Durchgangsöffnung 96 über einen Luftkanal mit einer Vakuumpumpe 100 verbunden, mittels der ein Luftstrom (102) von der Unterseite des Hülsenabschnittes 94 nach oben hin eingerichtet werden kann. Hierdurch kann das Fügebauteil 10 durch Unterdruck an dem Hülsenabschnitt 94 gehalten werden. Metallische Bauteile, die die Felderzeugung der Induktions-Erwärmungseinrichtung 40 stören könnten, werden auf diese Weise vermieden. Das Fügewerkzeug 8 kann in seinem Außendurchmesser ferner deutlich kleiner gestaltet werden. Das von der Induktionsspule 90 erzeugte Feld 104 verläuft durch den weichmagnetischen Ferritkern 92 und tritt aus dessen Unterseite aus, derart, dass es durch den Flanschabschnitt 16 hindurch in den induktiv erwärmbaren Metallabschnitt 18 eindringt. Aus diesem tritt das Feld 104 im Wesentlichen in radialer Richtung heraus und verläuft außen um den Hülsenabschnitt 94 herum, um von dessen Oberseite den magnetischen Kreis zu schließen.
Bei 106 ist gezeigt, dass eine Spulenkühlungseinrichtung vorgesehen sein kann, die dazu ausgelegt ist, einen Luftstrom 108 durch die Spule 90 hindurch oder an der Spule 90 vorbei zu leiten, um diese bei starker Belastung bedarfsweise zu kühlen. Der Luftstrom 108 kann gegebenenfalls aus dem Abluftstrom der Vakuumpumpe 100 abgeleitet werden.
Um zu erkennen, ob die Spule 90 gekühlt werden muss, kann an der Spule 90 ein Temperatursensor 110 vorgesehen sein. Dieser wird bevorzugt dort angeordnet, wo in Bezug auf die Lage der Spule die höchste Feldliniendichte des Feldes 104 angeordnet ist, also dort, wo die Spule 90 mit großer Wahrscheinlichkeit am stärksten erwärmt wird.
Ferner ist bei 112 ein zweiter Temperatursensor gezeigt, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Oberseite des Flanschabschnittes 16 zu messen. Der zweite Temperatursensor 112 kann dadurch eingerichtet sein, dass in dem Hülsenabschnitt 94 eine axiale Sensorbohrung 114 vorgesehen ist, durch die hindurch beispielsweise eine Glasfaserleitung aus nichtmagnetischem Material gezogen ist, um das Feld nicht zu beeinflussen. Die Temperatur kann beispielsweise über die von der Oberseite des Flanschabschnittes 16 abgegebene Wärmestrahlung gemessen werden, oder dergleichen.
In 9 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Fügewerkzeuges 20 mit einer Induktions-Erwärmungseinrichtung 40 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Ferritkern 92 U-förmig ausgebildet, mit einem oberen Querschenkel, der eine Öffnung aufweist, die einen Hülsenabschnitt 94 bildet und durch die hindurch der Halteabschnitt 14 des Fügebauteils 10 hervortreten kann. Daher kann eine Halteeinrichtung 38, auch gegebenenfalls mechanischer Art, an dem Halteabschnitt 14 angreifen.
Ferner weist der Ferritkern 92 zwei sich parallel zur Längsachse erstreckende Längsabschnitte auf, wobei wenigstens um einen von diesen eine Spule 90 angeordnet ist.
In 9 ist gezeigt, dass auch um den zweiten Längsabschnitt eine Spule 90 angeordnet sein kann.
Schließlich kann der Ferritkern 92 zwei untere Radialschenkel aufweisen, die sich hin zum Außenumfang des Flanschabschnittes 16 erstrecken. In diesem Fall wird ein magnetisches Feld 104 durch den Ferritkern 92 hindurch eingerichtet, der in radialer Richtung R in den Metallabschnitt 18 eintritt und auf der gegenüberliegenden Seite aus diesem austritt.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform eines Fügewerkzeuges 20 gezeigt, das eine Induktions-Erwärmungseinrichtung 40 aufweist. Die Erwärmungseinrichtung 40 weist einen E-förmigen Ferritkern 92 auf, mit einem zentralen Hülsenabschnitt 94, der ähnlich dem Hülsenabschnitt 94 der Erwärmungseinrichtung der 8 ausgebildet sein kann. An dessen Oberseite schließen sich zwei Radialschenkel an, die in zwei äußere Längsabschnitte übergehen. Sowohl um den Hülsenabschnitt 94 als auch um die Längsabschnitte des E-förmigen Ferritkerns 92 kann jeweils eine Spule 90 angeordnet sein. In diesem Fall werden zwei magnetische Kreise eingerichtet, die jeweils ein Feld 104 erzeugen. Hierbei treten die Felder 104 beispielsweise wie bei der Ausführungsform der 8 jeweils von oben über den Flanschabschnitt 16 in das Bauteil 10 ein, treten in Wechselwirkung mit dem Metallabschnitt 18, und treten in radialer Richtung aus dem Fügebauteil 10 aus, um jeweils in das untere Ende der äußeren Längsabschnitte des Ferritkerns 92 einzutreten.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Fügewerkzeuges 20 mit einer Induktions-Erwärmungseinrichtung 40, wobei der generelle Aufbau jenem der 8 entspricht. Es ist gezeigt, dass die Lage der Spule 90 in axialer Richtung variabel gewählt werden kann. Ferner ist gezeigt, dass aufgrund der größeren Felddichte an dem axialen Ende des Hülsenabschnittes 94, dem die Spule 90 am nächsten ist, jeweils eine höchste Temperatur u vorliegt. Daher ist es in der Regel bevorzugt, die Spule 90 etwa mittig in Bezug auf die Längserstreckung des Hülsenabschnittes 94 anzuordnen. Ferner ist gezeigt, dass der Temperatursensor 110 zur Erfassung der Temperatur der Spule 90 gegebenenfalls auch unabhängig von der Spule 90 angeordnet werden kann, und zwar in einem Bereich, wo die Temperatur am höchsten ist.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Fügewerkzeuges 20, das einen Arm 120 aufweist, an dem ein Fügekopf 30 um eine Achse 116 verdrehbar angeordnet ist, wie es durch Pfeile in 12 angedeutet ist.
Der Arm 120 ist dazu ausgelegt, eine Anzahl von Fügebauteilen 10 aufzunehmen, die beispielsweise in einem nicht näher bezeichneten Magazin an dem Arm 120 gelagert sind. Die Bauteile 10 können in Form einer untereinander verbundenen Bauteilkette 122 in dem Magazin angeordnet sein, wobei die einzelnen Fügebauteile 10 aus einem thermoplastischen Grundkörper hergestellt und über Verbindungsstege 124 aus dem gleichen Material miteinander verkettet sind.
In dem Arm 120 ist ferner eine schematisch angedeutete Trenneinrichtung 126 vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, von der Bauteilkette 122 jeweils ein Bauteil abzutrennen, in dem dargestellten Fall das Bauteil 10A.
Ein derart abgetrenntes Bauteil 10A kann anschließend mittels einer Übergabeeinrichtung 128 in eine Übergabeposition übergeben werden. In 12 ist ein Bauteil 10B in der Übergabeposition gezeigt.
Der Fügekopf 30 kann nun so verdreht werden, dass er bei Betätigung des Schlittens 32 das in der Übergabeposition befindliche Bauteil 10B übernehmen kann, wie es in 12 durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
Anschließend kann das so übernommene Bauteil auf die Oberfläche eines Werkstückes 12 gefügt werden, wie es für ein Bauteil 10C in 12 dargestellt ist.
Die Bauteilkette 122 kann anstelle einer Verkettung an den Flanschabschnitten 16 auch an den Halteabschnitten 14 miteinander verkettet sein. Ferner kann die Bauteilkette 122 auch in Rollenform in ein Magazin übernommen werden. In letzterem Fall ist es gegebenenfalls möglich, auf eine Übergabeeinrichtung 128 zu verzichten, da die Bauteilkette 122 jeweils mittels einer nicht dargestellten Bewegungseinrichtung so weiterbewegt werden kann, dass immer ein vorderes Ende der Bauteilkette 122 sich in der Übergabeposition befindet.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt und modifiziert werden, wie im Folgenden dargelegt ist.
Das Fügebauteil 10 kann beispielsweise nach der Art eines Tannenbaumbolzens ausgeführt sein, mit einem Flanschabschnittdurchmesser im Bereich von 8 bis 20 mm.
Der Halteabschnitt des Fügebauteils kann als Schaftabschnitt mit oder ohne Gewinde ausgebildet sein, um daran Kunststoffclips zu befestigen, die eine Funktion wie die Halterung eines Bauteils (z. B. einer Leitung) erfüllen. Alternativ kann der Halteabschnitt auch so ausgestaltet sein, dass er diese Funktion selber erfüllt
Die elektrischen Ströme i_L und i_I sind in den obigen Darstellungen jeweils als gemittelte Ströme dargestellt. Real sind es in der Regel Wechselströme, die beispielsweise in einem Bereich von 5 kHz bis 50 kHz getaktet sein können.
Die Kühlung der Spule 90 kann anstelle der Einleitung von Druckluft auch dadurch erfolgen, dass die Spule 90 an einen Unterdruck angeschlossen wird, so dass Luft in die Spule bzw. an der Spule 90 vorbei geleitet wird.
Die Erhebungen 98 können beispielsweise durch drei Erhebungen gebildet sein, die jeweils im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm mit einer Genauigkeit kleiner als 0,05 mm hoch ausgebildet und um 120° versetzt sind.
Um die Kraftregelung während des Erwärmens des Metallabschnittes 18 durchzuführen, kann es vorteilhaft sein, die insgesamt auf das Fügebauteil 10 aufgebrachte Kraft dadurch zu berechnen, dass von der Kraft, die von dem Linearantrieb 34 aufgebracht wird, die von der Feder 42 aufgebrachte Gegenkraft abgezogen wird. Zu dieser Gesamtkraft kann gegebenenfalls noch die Gravitationskraft hinzuaddiert bzw. abgezogen werden, je nach Lage des Fügewerkzeuges 20 im Raum. Hierbei wird die Gesamtmasse des Schlittens 32 berücksichtigt, gegebenenfalls bei schrägen Winkeln auch unter Verwendung trigonometrischer Formeln.
Die Verbindung zwischen der Steuereinrichtung 36 und der Steuereinheit 26 kann hinsichtlich der Kommunikation durch eine Busverbindung oder durch eine RS485-Kommunikationsleitung oder dergleichen ausgebildet sein.
Sofern mehrere Fügebauteile 10 hintereinander zu fügen sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren jeweils nacheinander ausgeführt werden, wobei dazwischen jeweils ein neues Fügebauteil 10 in das Fügewerkzeug 20 übernommen wird. Diese Übernahme kann entweder von einer stationären Bauteilbereitstellungsstation 54 oder von einem an dem Fügewerkzeug 20 vorgesehenen Magazin erfolgen. Bei der Ausführungsform mit einem Magazin am Fügewerkzeug 20 kann es nach einer bestimmten Anzahl von Fügeverfahren notwendig sein, ein Magazin auszutauschen, wobei ein neues Magazin wiederum an einer Bauteilbereitstellungsstation 54 bereitgestellt werden kann. Die Übernahme kann bei Verwendung eines Roboters 22 auch automatisiert erfolgen.
Ferner ist es denkbar, beim Magazinwechsel das gesamte Fügewerkzeug 20 auszutauschen. Dabei wird an den Roboter 22 ein neues Fügewerkzeug 20 mit einem frisch aufgefüllten Magazin aufgenommen, und das Fügewerkzeug mit dem entleerten Magazin wird abgenommen, um diese beispielsweise manuell mit Fügebauteilen 10 zu bestücken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004012786 A1 [0004]
- US 4355222 A [0005]
- DE 102006059337 A1 [0006]

Claims

Verfahren (80) zum axialen Fügen eines hybriden Fügebauteils (10) auf ein Werkstück (12), wobei das Fügebauteil (10) einen thermoplastischen Fügeabschnitt (16, 17) und einen erwärmbaren Metallabschnitt (18) aufweist, mit den Schritten: a) axiales Absenken des Fügebauteils (10) auf eine Oberfläche des Werkstückes (12); b) Erwärmen des Metallabschnittes (18) derart, dass der Fügeabschnitt (16, 17) zumindest teilweise schmilzt; c) Beenden der Erwärmung des Metallabschnittes (18), derart, dass das Fügebauteil (10) mit der Oberfläche des Werkstückes (12) eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung eingeht; wobei das Fügebauteil (10) zumindest bei dem Erwärmen des Metallabschnittes (18) derart kraft- und/oder positionsgeregelt in Bezug auf das Werkstück (12) gehalten wird, dass das Fügebauteil (10) ohne Gegenlagerung auf die Oberfläche des Werkstückes (12) gefügt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück (12) in axialer Richtung (A) elastisch deformierbar ist, wobei das Fügebauteil (10) vor dem Erwärmen des Metallabschnittes (18) so auf die Oberfläche des Werkstückes (12) abgesenkt wird, dass das Werkstück (12) in axialer Richtung deformiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zu Beginn oder im Verlauf des Absenkens auf die Oberfläche eine Nullpunktbestimmung durchgeführt wird, um die axiale Position der Oberfläche des Werkstückes (12) im nicht deformierten Zustand zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Nullpunkt (s₀) mittels eines Distanzsensors (53) bestimmt wird, der an einem Fügewerkzeug (20) angeordnet ist, an dem das Fügebauteil (10) während des Fügeverfahrens (80) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Nullpunkt (s₀) über die Änderung der Kraft (i_L) bestimmt wird, die zum axialen Absenken des Fügebauteils (10) erforderlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei in die Nullpunktbestimmung die Elastizität des Werkstückes (12) eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Fügebauteil (10) vor dem Erwärmen des Metallabschnittes (18) in eine vorbestimmte Fügeausgangsposition (s₄) bewegt wird, bei der das Werkstück (12) elastisch deformiert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Fügeausgangsposition (s₄) zwischen dem Nullpunkt (s₀) und einer Deformation (s₂) des Werkstückes (12) bei der Nullpunktbestimmung liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Relativposition (70) zwischen dem Fügebauteil (10) und dem Werkstück (12) zumindest während eines Abschnittes des Erwärmens des Metallabschnittes (18) auf eine Zielposition geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Relativposition (70) zwischen dem Fügebauteil (10) und dem Werkstück (12) zumindest während eines Abschnittes des Erwärmens des Metallabschnittes (18) sich durch eine Regelung auf eine Zielkraft einstellt, mit der das Fügebauteil (10) auf das Werkstück (12) gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kraftregelung auf eine Positionsregelung umgestellt wird, wenn die Relativposition (70) zwischen dem Fügebauteil (10) und dem Werkstück (12) eine voreingestellte maximale Relativposition erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Werkstück (12) aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist und die Erwärmung des Metallabschnittes (18) derart erfolgt, dass der Fügeabschnitt (16, 17) des Fügebauteils (10) und ein Oberflächenabschnitt des Werkstückes (12) angeschmolzen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Fügebauteil (10) einen thermoplastischen Grundkörper (11) mit einem Flanschabschnitt (16) aufweist, in den das Metallelement (18) integriert ist, wobei das Fügeverfahren (80) so durchgeführt wird, dass das Metallelement (18) in der fertiggestellten Fügeverbindung (60) vollständig von thermoplastischem Material umgeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Fügebauteil (10) einen thermoplastischen Grundkörper (11) mit einem Flanschabschnitt (16) aufweist, in den das Metallelement (18) integriert ist, derart, dass der Metallabschnitt (18) von einem Rand (17) des Flanschabschnittes (16) umgeben ist, wobei das Fügeverfahren (80) so durchgeführt wird, dass der Rand (17) aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei zumindest während des Erwärmens des Metallabschnittes (18) die Temperatur der Fügezone gemessen wird und die so gemessene Temperatur in die Steuerung des Fügeverfahrens (80) eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Form eines sich im Randbereich der Fügezone ausbildenden Wulstes (62) aus thermoplastischem Material überwacht wird und die so gemessene Form in die Steuerung des Fügeverfahrens (80) eingeht.
Fügevorrichtung (8), insbesondere zum Durchführen des Fügeverfahrens (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit: a) einem Fügewerkzeug (20), an dem ein Fügebauteil (10) gehalten werden kann und das dazu ausgelegt ist, das Fügebauteil (10) in axialer Richtung (A) auf eine Oberfläche eines Werkstückes (12) zu bewegen, b) einer Erwärmungseinrichtung (40) zum Erwärmen eines Metallabschnittes (18) des Fügebauteils (10).
Fügevorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Erwärmungseinrichtung (40) eine Induktions-Erwärmungseinrichtung mit einer Spule (90) und einem Ferritkern (92) aufweist, wobei der Ferritkern (92) einen Hülsenabschnitt (94) aufweist und wobei das Fügebauteil (10) so an dem Fügewerkzeug (20) gehalten werden kann, dass ein Halteabschnitt (14) des Fügebauteils (10) von dem Hülsenabschnitt (94) umgeben ist.
Fügevorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Hülsenabschnitt (94) mit einer Vakuum-Halteeinrichtung (38) verbunden ist, die dazu ausgelegt ist, auf den Halteabschnitt (14) des Fügebauteils (10) eine Vakuum-Haltekraft auszuüben.
Fügevorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei dem Fügewerkzeug (20) ein Temperatursensor (50) zugeordnet ist, der dazu ausgelegt ist, die Temperatur der Fügezone zu messen.
Fügevorrichtung nach Anspruch 18 und nach Anspruch 20, wobei der Temperatursensor (50) an dem Hülsenabschnitt (94) angeordnet ist.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Erwärmungseinrichtung (40) und eine Halteeinrichtung (38) zum Halten des Fügebauteils (10) an einem Schlitten (32) angeordnet sind, der mittels eines Linearantriebs (34) in Bezug auf ein Gehäuse (30) des Fügewerkzeugs (20) bewegbar ist.
Fügevorrichtung nach Anspruch 22, mit einem Positionssensor (44) zur Erfassung der Position des Schlittens (32).
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, mit einem Kraftsensor (46) zur Erfassung der Kraft, mit der das Fügebauteil (10) an das Werkstück (12) angedrückt wird.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, mit einem Lagesensor (48) zur Erfassung der Lage des Fügewerkzeuges (20) im Raum.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei das Fügewerkzeug (20) einen Drehaktuator (56) aufweist, mittels dessen das Fügebauteil (10) vor oder während des Bewegens auf das Werkstück (12) in eine vorbestimmte Drehlage um die Längsachse (A) herum ausgerichtet werden kann.
Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, wobei das Fügewerkzeug (20) und/oder die Erwärmungseinrichtung einen Speicher für einen Identifikationscode aufweist, der an eine übergeordnete Steuereinheit (26) übertragbar ist.