DE102016219136A1

DE102016219136A1 - Fügeverfahren zum Fügen von Fügepartnern im Sichtflächenbereich

Info

Publication number: DE102016219136A1
Application number: DE102016219136.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Forstner; Florian Oefele
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05

Abstract

Fügeverfahren zum Verbinden zweier Fahrzeugsichtteile (10, 20) im primären oder sekundären Sichtbereich eines Fahrzeuges unter Verwendung eines Klebstoffes (30) und eines Fügezusatzwerkstoffes (40) mit den folgenden Schritten: Aufbringen des Klebstoffes (30) zusammen mit dem Zusatzwerkstoff (40) auf wenigstens eine der Verbindungsflächen (11, 21) der zu verbindenden Fahrzeugsichtteile (10, 20); Fügen des einen Fahrzeugsichtteils (10) mit seiner Verbindungsfläche (11) und dem zweiten Fahrzeugsichtteil (20) einer korrespondierenden Verbindungsfläche (21) und Beaufschlagen der Fahrzeugsichtteile (10, 20) mit einer vorzugsweise lokalen elektromagnetischen Strahlung in einem definierten Frequenzbereich zum Aufschmelzen und Aushärten des Klebstoffes (30).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeverfahren gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.
Fügeverfahren sind aus dem Stand der Technik umfangreich bekannt. Zu den bekannten und verbreiteten Fügeverfahren gehören das Schweißen, Löten und Kleben. Im Fahrzeugbau besteht neben dem zunehmenden Bedürfnis nach Gewichtseinsparung auch ein Bedürfnis danach die Verbindungsstellen frei von Rückständen oder Verfahrensprodukten zu erhalten. Ferner kommen im Fahrzeugbau zunehmend Materialpaarungen zusammen, die eine besondere Behandlung der Fügepartner bedürfen.
Besonderes Augenmerk liegt auf sogenannten Sichtflächen bei Fahrzeugen an denen Verbindungsstellen vorzufinden sind. Beispielweise werden derzeit diverse Technologien ausgetestet, um eine optimale Verbindung im Sichtflächenbereich des Daches bzw. im sekundären Sichtflächenbereich der Türeinstiegsleiste bzw. der Wasserrinne zu erhalten, welche auch den optischen Erwartungen genügt. Neben dem Hartlöten, werden Verbindungen mittels Widerstandsschweißen und Klebeverfahren genutzt.
Beim Widerstandspunktschweißen werden z. B. Flansche benötigt, welche Bauraum in Anspruch nehmen, so dass dieses Verfahren nur unter Inkaufnahme von Bauraumbeschränkungen durchgeführt werden kann. Bei den derzeitigen Widerstandspunktschweißverbindungen liegt immer eine mehr oder weniger große Abzeichnung an der Oberfläche und somit im Sichtbereich vor.
Aus der DE 10 2014 001 690 B1 ist ein Verfahren zum Fügen eines Metallbauteils mit einem Kunststoffbauteil aus einem Kunststoff, bei dem die beiden Bauteile in einem ersten Fügeschritt miteinander verklebt werden zur Herstellung einer Verbindung, wobei zur Herstellung einer zusätzlichen, insbesondere lokalen Formschlussverbindung die beiden Bauteile in einem zweiten Fügeschritt mittels elektromagnetischer Impulsumformung formschlüssig miteinander verbunden werden, wobei zur Durchführung der elektromagnetischen Impulsumformung im zweiten Fügeschritt als Widerlager für die Bauteilverbindung eine Matrize bereitgestellt wird, wobei die Matrize eine Kavität aufweist, in die unter Beaufschlagung eines Kraftimpulses das Material der Bauteilverbindung hinein verlagerbar ist, und zwar unter Bildung einer Einprägung auf der matrizenabgewandten Seite der Bauteilverbindung, und wobei die Kavität der Matrize mit Bezug auf die Wirkrichtung des Kraftimpulses zumindest einen Hinterschnitt aufweist, in den das Material der Bauteilverbindung hinein verlagert wird. Ein solches Verfahren eignet sich jedoch nur sehr beschränkt zum Herstellen beliebiger Bauteilpaarungen und auch weniger für größere Fügepartner, wie diese im Autombilbereich verwendet werden. Ferner sind im Automobilsektor die Fügepartner beim Fügen typischerweise bereits in ihrer Endform, so dass Umformen durch Kompaktieren unerwünscht ist.
Bei den derzeitigen Schweiß- und Lötverfahren sind Einschränkungen bei der Oberflächenqualität, wie Zinkabbrand, Abdichtungsmaßnahmen und Schweißlinsen und Löt- oder Schweißnähte gegeben. Ferner muss die im Fahrzeugbereich erforderliche Dichtheit durch zusätzliche Maßnahmen gewährleistet werden, wie zum Beispiel eine zusätzliche PVC-Versiegelung.
Aus der WO 2009/156013 A1 ist ein Befestigungsmittel bekannt, welches aus einer Mischung aus aerobem Klebstoff und einem hydrophilen Stoff besteht. Durch die Zugabe des hydrophilen Stoffes zum aeroben Klebstoff entsteht eine das Befestigungsmittel bildende Mischung, die nicht mehr in Oberflächenkontakt mit feuchter Umgebungsluft gebracht werden muss, um dann von dieser Oberfläche her auszuhärten. Vielmehr sorgt der in der Mischung vorhandene, den aeroben Klebstoff durchsetzende hydrophile Stoff dafür, dass der in der Mischung enthaltene aerobe Klebstoff von Innen her auch dann aushärten kann, wenn kein äußerer Kontakt mehr zu der Feuchtigkeit enthaltenden Umgebungsluft mehr gegeben ist. Die zum Aushärten benötigte Feuchtigkeit beziehungsweise der benötigte Sauerstoff ist in dem hydrophilen Stoff selbst vorhanden, da dieser aufgrund seiner hydrophilen Eigenschaften genug Feuchtigkeit enthält, die für das Aushärten des aeroben Klebstoffs in der das Befestigungsmittel bildenden Mischung benötigt wird.
Der Ausdruck Class A bezeichnet sichtbare (Freiform)-Flächen im Exterieur- und Interieur-Bereich von Bauteilen. Hauptsächlich wird die Klassifizierung in der Automobilentwicklung verwendet. Mit Class A bezeichnete Flächen weisen meistens Krümmungsstetigkeit auf. Die Kategorisierung von Oberflächen in „Class A“, „Class B" und „Class C" wird vorgenommen, um die Flächen hinsichtlich ihres Verwendungszweckes einordnen zu können. Unter "Class B"-Flächen versteht man die im Normalfall für den Benutzer nicht sichtbaren Innenflächen von Class A-Flächen sowie die tragende Struktur des Objektes. "Class C"-Flächen schließlich sind die Flächen, die nur temporär zur Werkzeugherstellung genutzt werden, bzw. die Oberflächen der Werkzeuge, die zur Erzeugung von Class A und "Class B"-Flächen genutzt werden (z. B. die formgebenden Oberflächen von Tiefziehwerkzeugen).
Bei den bekannten Fügeverfahren sind Einschränkungen des Qualitätsanspruchs der Class A-Oberflächen im primären und sekundären Sichtflächenbereich gegeben, so dass Spaltmaße nicht die gewünschte Form aufweisen oder erheblicher Nacharbeitsaufwand anfällt.
Bei den aktuellen Klebeverfahren muss zum Erzielen der mechanischen Verbindungseigenschaften d. h. zum Erzielen einer Handlingsfestigkeit bei den verwendeten Klebstoffen eine thermische Aushärtung durchgeführt werden. Ansonsten können die Fügepartner nicht bewegt werden und weiter bearbeitet oder montiert werden, wenn nicht eine Mindestfestigkeit erzielt ist.
Aktuell erfolgt ein solcher Prozess während dem Durchlauf der Fügeteile im KTL-Ofen. Alternativ können die gefügten Teile vor einer Beschichtung oder KTL-Oberflächenlackierung auch durch einen thermischen Aushärteofen befördert werden oder mittels Infrarotstrahler, was weiter nachteilig ist, da dann ein zusätzlicher Prozessschritt notwendig ist und die Teile in einem definierten Zustand in den Aushärteprozess gebracht werden müssen, um nach dem Durchlauf des Ofens jedoch erst die erforderliche Handlingsfestigkeit zu erhalten. Hierbei wird nicht nur die Prozesskette unflexibel, sondern es sind auch hohe Prozesszeiten notwendig.
Aus der DE 20 2014 101 939 U1 ist ein Klebemittel mit erweiterter Funktionalität bekannt. Durch Zugabe leitfähiger Additive wird die Funktionalität des Klebemittels erheblich verbessert. Wird ein solcher Klebestoff zwischen zwei Gegenständen aufgebracht um diese zu verbinden, wird zum Aushärten des Klebemittels typischerweise Wärme zugeführt. Die leitfähigen Zusätze bewirken, dass diese Wärme beschleunigt dem gesamten Volumen des die Klebestelle zwischen den Gegenständen bildenden Klebemittels zugeführt wird, wodurch der Aushärtevorgang des Klebemittels erheblich beschleunigt wird. Nachteilig ist dabei immer noch der Umstand, dass die Fügepartner durch einen thermischen Prozess laufen müssen, um die erforderliche Handlingsfestigkeit zu erzielen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung vorgesagte Nachteile zu überwinden und ein universell verwendbares und effizientes Verfahren zum Fügen zweier Fügeteile, insbesondere zweier Fahrzeugsichtteile bereit zu stellen, welches sowohl die mechanischen Eigenschaften an die Fügestelle als auch eine verbesserte Oberflächenqualität gewährleistet.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt in der Kombination eines Klebstoffes mit wenigstens einem elektromagnetisch anregbaren Fügezusatzwerkstoff und dem Beaufschlagen der Fahrzeugsichtteile zwischen denen der Klebstoff und Fügezusatzwerkstoff aufgetragen wurde mit einer vorzugsweise lokalen elektromagnetischen Strahlung zum Aufschmelzen und Aushärten des Klebstoffes.
Erfindungsgemäß wird daher ein Fügeverfahren zum Verbinden zweier Fahrzeugsichtteile im primären oder sekundären Sichtbereich eines Fahrzeuges unter Verwendung eines Klebstoffes und eines Fügezusatzwerkstoffes mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:

a. Aufbringen des Klebstoffes insbesondere zusammen mit dem Fügezusatzwerkstoff und/oder anderer festigkeitsbildender Zusatzwerkstoffe auf wenigstens eine der Verbindungsflächen der zu verbindenden Fahrzeugsichtteile;
b. Fügen des einen Fahrzeugsichtteils mit seiner Verbindungsfläche und dem zweiten Fahrzeugsichtteil mit einer korrespondierenden Verbindungsfläche;
c. Beaufschlagen der Fahrzeugsichtteile bzw. des Klebstoffes dazwischen mit einer vorzugsweise lokalen elektromagnetischen Strahlung einer definierten Intensität in einem definierten Frequenzbereich zum Aufschmelzen und Aushärten des Klebstoffes.

Beim Schritt a) eignen sich insbesondere Lotwerkstoffe mit niedrigen Schmelzpunkt aber hoher Festigkeit. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff mit dem Klebstoff in Form einer homogenen Mischung aufgebracht werden. Die Klebstoffmischung wird entsprechend den Anforderungen und geometrischen Bedingungen in ihrer Zusammensetzung passend eingestellt, so dass die applizierte elektromagnetische Strahlung in dem definierten Frequenzbereich zu einem Aufschmelzen und Aushärten des Klebstoffs führt, da aufgrund der elektromagnetischen Anregungsenergie die erforderliche Wärme in die Klebestelle eingebracht wird. Vorteilhaft ist dabei, dass auch verdeckte Klebeflächen und für Wäremstrahlung und Wärmeströmung unzugängliche Positionen des Klebstoffes mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden können.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Zusatzwerkstoff ein metallisch leitfähiger Werkstoff darstellt, vorzugsweise in der Form von metallischen und/oder leitfähigen Partikeln, die in den Klebstoff eingemischt sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff ein metallischer Lotwerkstoff ist.
Das Aufschmelzen bzw. Erwärmung und Aushärtung der Verbindungsstelle in Schritt c) sowie die Positionierung der Fügepartner erfolgt mit Vorteil in einem Prozessschritt, d.h. ohne Umspannen oder Wechseln des Werkzeuges.
Ebenfalls von Vorteil ist eine Ausbildung des Verfahrens, bei dem ferner wenigstens ein weiterer Zusatzwerkstoff zur Abdichtung der Verbindungsstelle dem Klebstoff beigemischt ist. Hierdurch kann eine Abdichtung und Versiegelung der Klebestelle in einem Arbeitsschritt zusammen mit der Aushärtung erzielt werden, was insbesondere bei später unzugänglichen und verdeckten Fügeflächen von großem Vorteil ist.
Ferner wird mit Vorteil beim Fügen der Fahrzeugsichtteile mittels eines Werkzeuges eine definierte Presskraft bzw. Fügekraft auf wenigstens eines der beiden Fahrzeugsichtteile ausgeübt wird, um die Fahrzeugsichtteile zumindest im Bereich der Fügeflächen mit einer definierten Fügekraft während dem Aushärteprozess zusammen zu drücken. Es kann durch diese Maßnahme der definierte Abstand zum Erzielen bestimmungsgemäßer Spaltmaße realisiert werden.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Fügeflächen als verdeckte rückwärtige Flächen ausgebildet sind, die nach dem Fügen der Fahrzeugsichtteile nicht (mehr) sichtbar sind.
Bevorzugt wird die elektromagnetische Strahlung mittels werkzeugseitiger Induktionsspulen lokal im Bereich der Fügeflächen erzeugt, so dass eine gezielte Aushärtung gewährleistet ist. Weiter Vorteilhaft ist es, wenn die Frequenz der applizierten elektromagnetischen Strahlung im Bereich der maximalen Absorption zur Schwingungsanregung des elektrisch leitfähigen Fügezusatzwerkstoffes liegt. Hierdurch wird ein effizienter Wärmeeintrag zum Aushärten des Klebstoffs erreicht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Werkzeug zum Herstellen der Verbindung. Bevorzugt wird ein solches Werkzeug verwendet, bei dem die strukturellen Funktionseinheiten zum Applizieren des Klebstoffes und Zusatzwerkstoffes, zum Einbringen einer Presskraft und zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung in einem einzigen Werkzeug ausgebildet sind. Dadurch lassen sich gleiche Bauteile in einem reproduzierbaren Prozess von einem einzigen Werkzeug bearbeiten und fügen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Prozessfunktionen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
2 eine schematische Prinzipzeichnung eines Werkzeuges zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 und 2 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der 1 ist eine schematische Darstellung der Prozessfunktionen gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Fügeverfahrens zum Verbinden zweier Fahrzeugsichtteile 10, 20 im primären oder sekundären Sichtbereich eines Fahrzeuges dargestellt. Beispielhaft ist ein Seitenrahmen 10 und ein Dachabschnitt 20 gezeigt, die miteinander verbunden wurden.
Das Fügeverfahren wird unter Verwendung eines Klebstoffes 30, der mittels eines nicht näher dargestellte Applikators auf eine oder beide der Verbindungsflächen 11, 21 zusammen mit einem Fügezusatzwerkstoffes 40 aufgebracht wird.
Nach dem Aufbringen des Klebstoffes 30 zusammen mit dem Fügezusatzwerkstoff 40 auf wenigstens eine der Verbindungsflächen 11, 21 der zu verbindenden Fahrzeugsichtteile 10, 20 erfolgt das Fügen des einen Fahrzeugsichtteils 10 mit seiner Verbindungsfläche 11 mit dem zweiten Fahrzeugsichtteil 20.
Der Fügezusatzwerkstoff 40 stellt Additive bereit, welche durch Anregung des Klebstoffes 30 mit dem Fügezusatzwerkstoff 40 mittels elektromagnetischen Strahlung in einem definierten Frequenzbereich zum Aufschmelzen und gezielten Aushärten des Klebstoffes 30 führt. Je nach eingestellter Prozessdauer, kann man damit eine gewünschte Handlingsfestigkeit der Fügepartner oder ggf. auch die Endfestigkeit erzielen.
Der Fügezusatzwerkstoff 40 ist vorliegend mit dem Klebstoff 30 in Form einer homogenen Mischung aufgebracht worden, wobei der Fügezusatzwerkstoff 40 ein metallisch leitfähiger Werkstoff, vorliegend ein Lotwerkstoff darstellt. Der Klebstoff 30 ist ferner mit einem weiteren Zusatzwerkstoff 41 zur Abdichtung der Verbindungsstelle versehen.
Wie in der 1 ersichtlich, wird beim Fügen der Fahrzeugsichtteile 10, 20 mittels eines Werkzeuges 50 eine Presskraft F (Fügekraft) auf wenigstens eines der beiden Fahrzeugsichtteile 10, 20 aktiv ausgeübt, um die Fahrzeugsichtteile 10, 20 zumindest im Bereich der Fügeflächen 11, 21 gezielt zusammenzudrücken.
Mittels des erfindungsgemäßen elektromagnetisch angeregten Aushärteprozesses können die Fügeflächen 11, 21 als verdeckte rückwärtige Flächen ausgebildet sein, die nach dem Fügen der Fahrzeugsichtteile 10, 20 nicht sichtbar sind. Die Intensität der elektromagnetischen Strahlung ist dann entsprechend einzustellen. Besonders effektiv ist der Prozess anwendbar bei Faserverbundbauteilen, da diese nur geringe Strahlungsabsorption aufweisen und die elektromagnetischen Strahlung gut zu dem Klebstoff 30 mit dem Fügezusatzwerkstoff 40 durchdringen kann.
In der 2 ist eine schematische Prinzipzkizze eines Werkzeuges 50 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Am Werkzeug 50 sind zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung Induktionsspulen 60 vorgesehen, um lokal im Bereich der Fügeflächen 11, 21 eine entsprechende thermische Anregung zu erzeugen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von
Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. So können auch mehr als zwei Fügepartner mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ggf. in einem einzigen Prozessschritt miteinander verbunden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014001690 B1 [0005]
WO 2009/156013 A1 [0007]
DE 202014101939 U1 [0012]

Claims

Fügeverfahren zum Verbinden zweier Fahrzeugsichtteile (10, 20) im primären oder sekundären Sichtbereich eines Fahrzeuges unter Verwendung eines Klebstoffes (30) und eines Fügezusatzwerkstoffes (40) mit den folgenden Schritten: a. Aufbringen des Klebstoffes (30) zusammen mit dem Zusatzwerkstoff (40) auf wenigstens eine der Verbindungsflächen (11, 21) der zu verbindenden Fahrzeugsichtteile (10, 20); b. Fügen des einen Fahrzeugsichtteils (10) mit seiner Verbindungsfläche (11) und dem zweiten Fahrzeugsichtteil (20) einer korrespondierenden Verbindungsfläche (21); c. Beaufschlagen des Klebstoffes (30) mit einer vorzugsweise lokalen elektromagnetischen Strahlung in einem definierten Frequenzbereich zum Aufschmelzen und Aushärten des Klebstoffes (30).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (40) mit dem Klebstoff (30) in Form einer homogenen Mischung aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (40) ein metallisch leitfähiger Werkstoff darstellt, vorzugsweise in der Form von metallischen und/oder leitfähigen Partikeln.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff ein metallischer Lotwerkstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Zusatzwerkstoff (41) zur Abdichtung der Verbindungsstelle dem Klebstoff (30) beigemischt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fügen der Fahrzeugsichtteile (10, 20) mittels eines Werkzeuges (50) eine Presskraft F auf wenigstens eines der beiden Fahrzeugsichtteile (10, 20) ausgeübt wird, um die Fahrzeugsichtteile (10, 20) zumindest im Bereich der Fügeflächen (11, 21) zusammenzudrücken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen (11, 21) verdeckte rückwärtige Flächen darstellen, die nach dem Fügen der Fahrzeugsichtteile (10, 20) nicht sichtbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung mittels werkzeugseitiger Induktionsspulen (60) lokal im Bereich der Fügeflächen (11, 21) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der applizierten elektromagnetischen Strahlung im Bereich der maximalen Absorption zur Schwingungsanregung des elektrisch leitfähigen Fügezusatzwerkstoffes (40) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeug verwendet wird, bei dem die strukturellen Funktionseinheiten zum Applizieren des Klebstoffes und Zusatzwerkstoffes, zum Einbringen einer Presskraft und zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind.