DE102023106306A1

DE102023106306A1 - Elektrisches Widerstandsschweißelement und Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Widerstandsschweißelements

Info

Publication number: DE102023106306A1
Application number: DE102023106306.5A
Authority: DE
Inventors: Georg Doll; Simon Bauer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2024-09-19

Abstract

Ein elektrisches Widerstandsschweißelement (100), insbesondere zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an einer Fügekontaktfläche, um die Kunststoffbauteile stoffschlüssig miteinander zu verbinden, weist wenigstens einlinienförmiges, flexibles, elektrisch leitendes Heizelement (102) auf, das zwischen zwei elektrischen Kontaktabschnitten (112, 114) elektrisch leitend und ansonsten entlang seines Verlaufs zwischen den Kontaktabschnitten (112, 114) elektrisch nichtleitendangeordnet ist. Bei einem Verfahren zum Herstellen eines derartigen Widerstandsschweißelements wird das wenigstens eine Heizelement (102) zwischen den beiden Kontaktabschnitten (112, 114)elektrisch leitend und ansonsten entlang seines Verlaufs zwischen den beiden Kontaktabschnitten elektrisch nichtleitend angeordnet und fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsschweißelement. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Widerstandsschweißelements.
Das Widerstandschweißen unter Verwendung von Widerstandsschweißelementen ist eine Fügetechnologie, um eine Bauteilverbindung zwischen zwei Kunststoffkomponenten herzustellen. Das Widerstandsschweißelement stellt einen elektrischen Leiter daher, der durch Stromfluss so weit erwärmt wird, dass die beiden Fügepartner anschmelzen. Unter statischem Druck bildet sich nach der Abkühlung ein stoffschlüssiger Bauteilverbund.
Aus dem Dokument DE 102018 111 643 A1 ist ein elektrisches Widerstandsschweißelement bekannt zum Plastifizieren von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, um die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wobei das Widerstandsschweißelement Heizwiderstände bildende elektrisch leitende Heizabschnitte und zwischen den Heizabschnitten wirkende elektrisch isolierende Isolierabschnitte aufweist. Außerdem ist aus der DE 10 2018 111 643 A1 ein Verfahren bekannt zum stoffschlüssigen Verbinden von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen an einer gemeinsamen Fügekontaktfläche, wobei ein derartiges Widerstandsschweißelement zwischen miteinander zu verbindenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen angeordnet wird und die Heizabschnitte elektrisch beaufschlagt werden, um Kunststoffmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile und/oder die Isolierabschnitte zu plastifizieren.
Aus dem Dokument DE 10 2019 104 635 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Herstellen wenigstens eines mehrschichtigen elektrischen Widerstandsschweißelements, wobei das wenigstens eine Widerstandsschweißelement kontinuierlich auf einem Basismaterial hergestellt wird. Außerdem ist aus dem Dokument DE 10 2019 104 635 A1 ein gemäß einem derartigen Verfahren hergestelltes Widerstandsschweißelement bekannt.
Aus dem Dokument DE 102019 106 212 A1 ist eine elektrische Widerstandsheizschicht bekannt zum Plastifizieren von Kunststoff-Bauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen, um die Kunststoff-Bauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wobei die Widerstandsheizschicht eine an die Fügekontaktflächen individuell angepasste Heizleistungsverteilung aufweist. Außerdem ist aus dem Dokument DE 102019 106 212 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen elektrischen Widerstandsheizschicht bekannt, wobei zunächst unter Berücksichtigung von Geometriedaten der Fügekontaktflächen und/oder Werkstoffdaten der Kunststoff-Bauteile eine individuell erforderliche Heizleistungsverteilung ermittelt wird. In dem Dokument DE 102019 106 212 A1 wird eine Ausführung vorgeschlagen, bei der ein Widerstandselement einen faserförmig und/oder textilförmig vorliegenden Kohlenstoff aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Widerstandsschweißelement strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Widerstandsschweißelements funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem elektrischen Widerstandsschweißelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird außerdem gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandsschweißelements mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das elektrische Widerstandsschweißelement umfasst wenigstens ein linienförmiges, flexibles, elektrisch leitendes Heizelement, das zwischen zwei elektrischen Kontaktabschnitten elektrisch leitend angeordnet ist. Ein Kontaktabschnitt kann eine Abschnitt des wenigstens einen Heizelements sein. Ein Kontaktabschnitt kann eine Abschnitt eines Trägers sein. Ein Kontaktabschnitt kann auch als Kontaktbereich bezeichnet werden. Das Heizelement ist ansonsten entlang seines Verlaufs zwischen den Kontaktabschnitten nichtleitend angeordnet. Das Heizelement kann einen einen Heizwiderstand bildenden Faserstrang umfassen. Das Heizelement kann ohne Überkreuzungen und Berührstellen mit sich selbst oder einem anderen Heizelement des Widerstandsschweißelements verlaufen. Das Heizelement kann langgestreckt sein. Das Heizelement kann auf einem flächigen Träger angeordnet sein. Das Heizelement kann zwischen den Kontaktabschnitten zumindest abschnittsweise fest am Träger fixiert sein.
Der Verlauf des Heizelements ohne Überkreuzungen und Berührungspunkte sorgt für einen Stromfluss ohne Verzweigungen von einem zum anderen Kontaktabschnitt durch den gesamten Faserstrang des jeweiligen Heizelements. So ist sichergestellt, dass jedes Heizelement gleichmäßig über seine gesamte Länge erwärmt wird. Vorzugsweise ist genau ein einziger möglicher Strompfad durch das Heizelement zwischen den beiden Kontaktabschnitten definiert. Weist das Widerstandsschweißelement mehrere Heizelemente auf, so ist für jedes Heizelement vorzugsweise ein eigener eindeutiger Strompfad durch das Heizelement vorgegeben.
Das Heizelement kann fest und elektrisch leitend an einem Ende mit dem einen der beiden Kontaktabschnitte und fest und elektrisch leitend am anderen Ende mit dem anderen der beiden Kontaktabschnitte verbunden sein.
Jeder Kontaktabschnitt kann das Ende des jeweiligen Heizelements über eine längere Erstreckung elektrisch kontaktieren.
Ein derartiges elektrisches Widerstandsschweißelement ist dazu vorgesehen, zwei Kunststoffbauteile, z.B. Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile, an Fügekontaktflächen zu verbinden. Hierzu wird das Widerstandsschweißelement zwischen den Fügekontaktflächen angeordnet, und durch Stromfluss durch den Faserstrang das Heizelement und das gesamte Widerstandsschweißelement erwärmt. Die Kunststoffbauteile werden durch das Widerstandsschweißelement im Bereich der Fügekontaktflächen so weit erwärmt, dass sie erweichen und/oder anschmelzen und unter Druck miteinander stoffschlüssig verbindbar sind. Der Träger kann Bestandteil eines der Kunststoffbauteile sein und somit eine der Fügekontaktflächen bilden.
Im Gegensatz zu einem elektrisch leitfähigen Gewebe kann ein Faserstrang mit einem nahezu beliebigen Verlauf zwischen den Kontaktabschnitten verlegt werden. Hierdurch lassen sich an den zu verbindenden Bauteilen auch von einer Rechteckform abweichende Fügekontaktflächen z.B. mit Rundungen, Windungen oder Ausschnitten realisieren, die unter Verwendung eines leitfähigen Gewebes schwierig oder gar nicht gleichmäßig zu erwärmen sind. Insbesondere können die Fügekontaktflächen auch dreidimensional gekrümmt sein, da das Heizelement einfach an eine gekrümmt im Raum verlaufende Fläche angepasst werden kann. Die Fügekontaktfläche kann einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Da der Strompfad durch das Heizelement dem Faserstrang des jeweiligen Heizelements folgt, wird dieses gleichmäßig über seine gesamte Länge erwärmt, wodurch sich auch komplex geformte Fügekontaktflächen gleichmäßig erwärmen lassen. Die Wärmeverteilung an der Fügekontaktfläche kann durch den Verlauf, in dem das Heizelement auf dem Träger abgelegt ist, also die geometrische Form, die das Heizelement auf dem Träger annimmt, vorgegeben werden.
Der Faserstrang kann insbesondere auf bekannte Weise als Roving ausgebildet sein, bei dem sämtliche Fasern im Wesentlichen parallel zueinander in der gleichen Richtung verlaufen. Das Roving kann ein Bündel, einen Strang oder ein Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten (Endlosfasern) aufweisen. Das Roving kann einen elliptischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Das Roving kann eine leichte Schutzdrehung, beispielsweise 10 Drehungen/m, aufweisen, wodurch der Querschnitt runder wird.
Das wenigstens eine Heizelement kann zur elektrisch nichtleitenden Anordnung beabstandet fixiert und/oder isoliert sein. Das wenigstens eine Heizelement kann zur elektrisch nichtleitenden Anordnung zumindest abschnittsweise fest an einem Träger fixiert sein. Das wenigstens eine Heizelement kann mithilfe wenigstens eines Befestigungselements an dem Träger fixiert sein. Das wenigstens eine Befestigungselement kann eine Faden sein oder eine fadenartige Form aufweisen. Das wenigstens eine Heizelement kann mithilfe einer Naht an dem Träger fixiert sein. Das wenigstens eine Heizelement kann durch Tailored fiber placement an dem Träger fixiert sein. Das wenigstens eine Heizelement kann zur elektrisch nichtleitenden Anordnung zumindest abschnittsweise beschichtet oder ummantelt sein. Das wenigstens eine Heizelement kann zur elektrisch nichtleitenden Anordnung zumindest abschnittsweise mit einer Isolierung beschichtet oder ummantelt sein.
Der Faserstrang des Heizelements kann elektrisch leitfähige Kohlefasern und/oder metallisch beschichtete Fasern aufweisen. Der Faserstrang kann aus einer Sorte von Fasern bestehen, insbesondere aus Kohlefasern oder metallisch beschichteten Fasern. Die Verwendung von Kohlefasern hat den Vorteil, dass bei der Verbindung von kohlefaserhaltigen Bauteilen das Widerstandsschweißelement ein identisches Material aufweist. Metallisch beschichtete Fasern können sich durch eine hohe mechanische und thermische Stabilität bei guter elektrischer Leitfähigkeit auszeichnen.
Das wenigstens eine Heizelement kann individuell angepasst angeordnet oder anordenbar sein. Damit kann das Widerstandsschweißelement eine individuell angepasst oder anpassbar Heizleistungsverteilung aufweisen. Die Heizleistungsverteilung des Widerstandsschweißelements kann an eine Geometrie der Fügekontaktflächen angepasst sein. Die Heizleistungsverteilung des Widerstandsschweißelements kann an die Kunststoffbauteile angepasst sein. Die Heizleistungsverteilung des Widerstandsschweißelements kann an den Kunststoff oder das Matrixmaterial angepasst sein. Eine individuelle Anpassung kann eine Anpassung eine spezifische Kombination von miteinander zu verbindenden oder verbundenen Kunststoffbauteilen sein. Die Heizleistung des Widerstandsschweißelements kann derart individuell angepasst verteilt sein, dass die Kunststoffbauteile über ihre Fügekontaktflächen zumindest annähernd gleichmäßig plastifiziert oder plastifizierbar sind.
Das Heizelement kann in einer beliebigen geeigneten geometrischen Form auf dem Träger angeordnet sein, bei der Überkreuzungen und Berührstellen vermieden sind, Insbesondere kann das Heizelement zumindest abschnittsweise gewunden zwischen den elektrischen Kontaktabschnitten auf dem Träger angeordnet sein. Das Heizelement verläuft in diesem Fall nicht vollständig geradlinig zwischen den beiden Kontaktabschnitten. Ein vollständig geradliniger Verlauf ist aber auch möglich. Das Heizelement kann in einem beliebigen Verlauf mit unregelmäßig verteilten gekrümmten und geradlinigen Abschnitten auf den Träger angeordnet sein. Der Verlauf des Heizelements kann generell von der Geometrie der Fügekontaktfläche abhängig gewählt werden.
Das Heizelement kann zwischen den Kontaktabschnitten zumindest abschnittsweise mäanderförmig verlaufen. Beispielsweise kann der Verlauf zwischen zwei Umkehrpunkten der Mäander geradlinig sein. Es ist aber auch denkbar, dass der Verlauf des Heizelements zwischen zwei Umkehrpunkten weitere Krümmungen aufweist.
Das wenigstens eine Heizelement kann so auf dem Träger angeordnet sein, dass ein Zwischenraum zwischen benachbarten Abschnitten des Heizelements und/oder zu einem benachbarten Heizelement derart schmal ist, dass bei Betrieb des Heizelements eine Temperatur im Zwischenraum wenigstens eine vorgegebene Mindest-Schweißtemperatur erreicht. Die Mindest-Schweißtemperatur ergibt sich insbesondere aus einer Erweichungstemperatur und/oder einer Schmelztemperatur der zu verbindenden Bauteile an der Fügekontaktfläche. Auf diese Weise ist eine ausreichende Erwärmung der zu verbindenden Bauteile auf der gesamten Fügekontaktfläche sichergestellt. Die Abmessungen des Zwischenraums können aus einem kleinsten Abstand zwischen benachbarten Heizelementabschnitten bestimmt werden.
In einer möglichen Variante ist genau ein Heizelement zwischen den beiden Kontaktabschnitten angeordnet. Das Widerstandsschweißelement weist in diesem Fall genau ein einziges Heizelement auf.
In einer weiteren möglichen Variante sind mehrere Heizelemente zwischen den beiden Kontaktabschnitten angeordnet. In diesem Fall kann der Verlauf sämtlicher Heizelemente auf dem Träger geometrisch gleich oder zumindest teilweise unterschiedlich gewählt sein.
Das wenigstens eine Heizelement kann von einer elektrisch nicht leitenden Beschichtung oder Ummantelung umgeben sein. Die Beschichtung oder Ummantelung kann am Träger fixiert sein. Auf diese Weise lässt sich der Faserstrang des Heizelements einfach gegenüber der Umgebung, gegebenenfalls auch gegenüber dem Träger, elektrisch isolieren. An der Stelle, an der das Heizelement den Kontaktabschnitten elektrisch kontaktieren soll, liegt das Heizelement vorzugsweise frei. Die Beschichtung oder Ummantelung kann die mechanische Stabilität des Heizelements erhöhen.
Um eine ausreichende Formstabilität des Heizelements zu bewahren, kann eine Erweichungstemperatur und/oder eine Schmelztemperatur des Trägers höher sein als eine Erweichungstemperatur und/oder eine Schmelztemperatur der zu verbindenden Bauteile. Dies gilt auch für die Beschichtung oder Ummantelung.
Das Heizelement kann über die Beschichtung oder Ummantelung am Träger fixiert sein.
Das wenigstens eine Heizelement kann alternativ oder zusätzlich durch wenigstens ein elektrisch nicht leitendes Befestigungselement am Träger fixiert sein. Das Befestigungselement kann mit einem Heizelement verwendet werden, das eine Beschichtung oder Ummantelung aufweist. Es ist aber auch möglich, mit dem Befestigungselement den Faserstrang des Heizelements direkt am Träger zu befestigen, sodass das Befestigungselement unmittelbar auf dem Faserstrang aufliegt.
Das Widerstandsschweißelement kann für das Material der beiden zu verbindenden Bauteile durchlässig sein. Hierbei dringt vorzugsweise Material in den Raum zwischen Abschnitten eines gewunden verlaufenden Heizelements oder zwischen Abschnitten benachbarter Heizelemente ein.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des elektrischen Widerstandsschweißelements kann das wenigstens eine Heizelement zwischen den beiden Kontaktabschnitten ohne Überkreuzungen und Berührstellen mit sich selbst oder einem anderen Heizelement des Widerstandsschweißelements auf dem Träger angeordnet und am Träger fixiert werden. Außerdem kann das wenigstens eine Heizelement an zwei entgegengesetzten Enden mit jeweils einem Kontaktabschnitten elektrisch verbunden werden.
Die Fixierung des Heizelements auf dem Träger kann insbesondere vor einem weiteren Konsolidieren des Widerstandsschweißelements erfolgen, also bevor weitere Materialschichten aufgebracht und beispielweise verpresst werden. Das Fixieren des Heizelements auf dem Träger kann in einem direkt an das Anordnen des Heizelements auf dem Träger folgenden Prozessschritt erfolgen.
Die Fixierung des Heizelements auf dem Träger kann derart erfolgen, dass sich beim Erwärmen des Widerstandsschweißelements die Position des Heizelements bezüglich des Trägers nicht verändert.
Das wenigstens eine Heizelement kann wie oben beschrieben in einem beliebigen geeigneten Verlauf, insbesondere einem zumindest abschnittsweise von einer Geraden abweichenden, gekrümmten Verlauf, auf dem Träger angeordnet und an diesem fixiert werden.
Es können auch mehrere Heizelemente auf dem Träger angeordnet und an diesem fixiert werden. Die Heizelemente können zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen, aber auch zumindest abschnittsweise einen geometrisch unterschiedlichen Verlauf haben.
Das wenigstens eine Heizelement kann durch Tailored Fiber Placement (TFP), insbesondere am Träger, fixiert werden. Auf diese Weise kann ein individueller gewundener Verlauf für das Heizelement erreicht werden. Dabei lassen sich benachbarte Abschnitte eines Heizelements oder mehrerer Heizelemente kontrolliert auch mit geringem Abstand nebeneinander platzieren, wobei Berührstellen sicher verhindert werden können. Zur Fixierung werden bevorzugt nichtleitende Fasern verwendet.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Widerstandsschweißelement, dessen Heizelement durch den flexiblen Faserstrang in individueller Geometrie auf dem Träger angeordnet werden kann. Auf diese Weise können Fügekontaktflächen in vielfältiger Geometrie realisiert werden. Außerdem ergibt sich durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsschweißelements, mit dem Widerstandsschweißelemente auch für individuell geformte, von der Rechteckform abweichende Fügekontaktflächen gefertigt werden können.
Ein oben beschriebenes Widerstandsschweißelement ist in allen technischen Gebieten einsetzbar, in welchen thermoplastische Bauteile verbunden werden sollen. Anwendungsbereiche sind beispielsweise im Flugzeug-, Schiffs- oder Automobilbau. Das Bauteil kann ein Fahrzeugbauteil sein. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, Kraftfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder Raumfahrzeug sein. Das Fahrzeugbauteil kann z.B. ein Rumpfteil oder ein Flügelteil eines Luftfahrzeugs sein. Ein anderer Anwendungsbereich kann der hochbelastete strukturelle Hausbau sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements gemäß einer ersten Ausführungsform, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren;
3 eine schematische Schnittansicht des Widerstandsschweißelements aus 1 gemäß einer Variante;
4 eine schematische Darstellung der Fertigung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mithilfe eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements.
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements gemäß einer zweiten Ausführungsform, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren;
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements gemäß einer dritten Ausführungsform, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren;
7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements gemäß einer vierten Ausführungsform, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren;
8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements gemäß einer fünften Ausführungsform, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die 1 und 2 zeigen ein elektrisches Widerstandsschweißelement 100 gemäß einer ersten Ausführungsform, in der das Widerstandsschweißelement 100 ein einziges Heizelement 102 umfasst. Das Heizelement 102 ist auf einem flächigen Träger 104 angeordnet und fest daran fixiert.
Das Heizelement 102 ist elektrisch leitend, langgestreckt und flexibel. Es umfasst einen Faserstrang 106 aus elektrisch leitfähigen Fasern. Bei dem Faserstrang 106 handelt es sich beispielsweise um ein Roving mit einer Vielzahl von einzelnen Fasern, die im Wesentlichen parallel und in einer Richtung von einem erstem Ende 108 bis zu einem zweiten Ende 110 des Heizelements 102 verlaufen.
Der Faserstrang 106 besteht beispielsweise aus Kohlefasern. In einer Alternative besteht der Faserstrang 106 aus Fasern, die mit einer Metallbeschichtung versehen sind.
Am ersten Ende 108 ist das Heizelement 102 in direktem Kontakt mit einem elektrisch leitenden ersten Kontaktbereich 112. Der Faserstrang 106 ist dort permanent elektrisch leitend direkt mit dem Kontaktbereich 112 verbunden. Am zweiten Ende 110 ist das Heizelement 102 in direktem Kontakt mit einem elektrisch leitenden zweiten Kontaktbereich 114. Der Faserstrang 106 ist dort permanent elektrisch leitend direkt mit dem Kontaktbereich 114verbunden.
Das Heizelement 102 bildet einen einzigen, durchgängigen Strompfad zwischen dem ersten Kontaktbereich 112 und dem zweiten Kontaktbereich 114. Der elektrische Widerstand des Faserstrangs 106 definiert einen Heizwiderstand des Heizelements 102. Bei einem Stromfluss durch den Faserstrang 106 erwärmt sich dieser aufgrund seines elektrischen Widerstands und erhitzt damit auch das restliche Heizelement 102 sowie den Träger 104 und gegebenenfalls vorhandene weitere Komponenten des Widerstandsschweißelements 100.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Faserstrang 106 von einer Ummantelung 116 umgeben, die hier aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht.
Der Träger 104 sowie hier auch die Ummantelung 116 bestehen in diesem Beispiel aus einem Material, dessen Erweichungstemperatur und/oder Schmelztemperatur höher liegen als die der Fügekontaktflächen der zu verbindenden Bauteile.
In diesem Beispiel weist das Heizelement 102 an den Enden 108, 110 des Faserstrangs 106 an den Stellen, wo diese elektrisch leitend mit dem jeweiligen Kontaktbereich 112, 114 verbunden sind, keine Ummantelung 116 auf.
Das oder die Heizelemente 102 sind auf dem Träger 104 so angeordnet, dass keine Überkreuzungen oder Berührstellen mit Abschnitten desselben oder eines anderen Heizelements 102 gebildet sind. Die Heizelemente 102 berühren oder überkreuzen also weder sich selbst noch gegebenenfalls vorhandene andere Heizelemente 102 des Widerstandsschweißelements 100.
In diesem Beispiel ist das Heizelement 102 zwischen den beiden Kontaktbereichen 112, 114 in einem gewundenen Verlauf auf dem Träger 104 angeordnet. Der gewundene Verlauf ist hier eine gleichmäßige Mäanderstruktur, bei die Umkehrpunkte 118, 120 der einzelnen Mäander entlang einer Längsrichtung L des Widerstandsschweißelements 100 zwischen den beiden Kontaktbereichen 112, 114 angeordnet sind. In diesem Beispiel liegen die Umkehrpunkte 118 auf einer Seite des Heizelements 102 auf einer Geraden und die Umkehrpunkte 120 auf der anderen Seite auf einer dazu parallelen Geraden.
Der Verlauf des Heizelements 102 ist so gewählt, dass zwischen zwei Umkehrpunkten 118, 120 auf unterschiedlichen Seiten des Widerstandsschweißelements 100 jeweils ein geradliniger Abschnitt 122 gebildet ist. Der Abstand d zwischen zwei benachbarten geradlinigen Abschnitten 122 ist so gewählt, dass bei einem Stromdurchfluss durch den Faserstrang 106 der Bereich des Widerstandsschweißelements 100 im Zwischenraum 124 zwischen den Abschnitten 122 zumindest eine Mindest-Schweißtemperatur erreicht wird. Die Mindest-Schweißtemperatur ist dadurch bestimmt, dass sie ausreichend hoch ist, um eine ausreichende Schweißtemperatur auf der gesamten Fläche des Widerstandsschweißelements 100 zu erreichen. Dies gilt generell in allen Ausführungsformen für die Anordnung des oder der Heizelement(e) 102 auf dem Träger 104.
Die beiden Kontaktbereichen 112, 114 sind hier länglich geformt und mit ihrer Längserstreckung senkrecht zur Längsrichtung L des Widerstandsschweißelements 100 ausgerichtet.
Die Enden 108, 110 des Faserstrangs 106 verlaufen in diesem Beispiel parallel zu den linearen Abschnitten 122 und senkrecht zur Längsrichtung L entlang eines Großteils der Erstreckung des jeweiligen zugeordneten Kontaktbereichs 112, 114.
Zur Herstellung des Widerstandsschweißelements 100 wird das Heizelement 102 im gewünschten Verlauf auf dem Träger 104 abgelegt, wobei das erste Ende 108 auf dem ersten Kontaktbereich 112 und das zweite Ende 110 auf dem zweiten Kontaktbereich 114 positioniert wird. Die Enden 108, 110 werden elektrisch leitend am jeweiligen Kontaktbereich 112, 114fixiert. Das Heizelement 102 wird entlang seines Verlaufs zumindest in einigen Stellen so am Träger 104 fixiert, dass es in seiner gewünschten Position verbleibt.
Diese Fixierung kann beispielsweise durch eine geeignete Verbindung der Ummantelung 116 mit dem Träger 104 geschehen.
3 zeigt eine alternative Lösung, bei der das Heizelement 102, gegebenenfalls mitsamt einer Ummantelung 116, durch ein Tailored Fiber Placement-Verfahren (TFP) am Träger 104 befestigt wird. Hierbei wird ein elektrisch nicht leitendes Befestigungselement 126, beispielsweise ein Faden, verwendet, um das Heizelement 102 am Träger 104 festzulegen, beispielsweise durch eine Naht. Das Material des Befestigungselements 126 ist hier analog zum Material der Ummantelung 116 und des Trägers 104 so gewählt, dass seine Erweichungstemperatur und/oder seine Schmelztemperatur größer sind als die der Fügekontaktflächen.
Das Fixieren des Heizelements 102 auf dem Träger 104 erfolgt hier unmittelbar nachfolgend auf das Anordnen des Heizelements 102 auf dem Träger 104. Anschließend werden nicht dargestellte, bekannte Prozessschritte zur Konsolidierung und Fertigstellung des Widerstandsschweißelements 100 durchgeführt, bei denen das Heizelement 102 seine Position auf dem Träger 104 unverändert beibehält.
4 verdeutlicht eine Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 128 aus zwei zunächst separaten Bauteilen 130, 132. Das Widerstandsschweißelement 100 wird zwischen die Bauteile 130, 132 gelegt, sodass es in Kontakt mit Fügekontaktflächen 134 der jeweiligen Bauteile 130, 132 gelangt. In 4 sind die Fügekontaktflächen 134 eben gestaltet. In einer nicht gezeigten Variante sind eine oder beide Fügekontaktflächen 134 in einer oder mehreren Raumrichtungen gekrümmt.
Der Träger 104 des Widerstandsschweißelements 100 ist entsprechend an die Form der Fügekontaktflächen 134 angepasst. In einer alternativen Variante ist der Träger 104 durch eine der Fügekontaktflächen 134 gebildet.
Das Widerstandsschweißelement 100 wird an seinen Kontaktbereichen 112, 114 durch Elektroden 136 elektrisch kontaktiert. Während ein Heizstrom durch das Widerstandsschweißelement 100, genauer durch dessen Heizelement 102, geleitet wird und sich das gesamte Widerstandsschweißelement 100 auf seine Schweißtemperatur erwärmt, wird durch eine geeignete Vorrichtung 138 eine Druckkraft aufgebracht, die die beiden Bauteile 130, 132 zusammengepresst.
Das Widerstandsschweißelement 100 erreicht auf seiner gesamten Fläche wenigstens die oben beschriebene Mindest-Schweißtemperatur. Aufgrund dieser Wärmeeinwirkung erfolgt eine Plastifizierung der Bauteile 130, 132 an den Fügekontaktflächen 134.
In diesem Beispiel dringt Material aus einem oder beiden der Bauteile 130, 132 in die Zwischenräume 124 zwischen den Abschnitten 122 des Heizelements 102 ein, sodass die beiden Bauteile 130, 132 stoffschlüssig miteinander und mit dem Widerstandsschweißelement 100 verbunden werden. Es ist möglich, dass der Träger 104 geeignete Öffnungen aufweist, durch die das Material hindurchtreten kann.
Die Bauteile 130, 132 enthalten beispielsweise einen thermoplastischen Kunststoff, z.B. als Matrixmaterial eines Kunststoff-Faser-Verbund-Bauteils. Das Matrixmaterial umfasst z.B. Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE).
Sind die Bauteile 130, 132 Faser-Kunststoff-Verbundbauteile, umfassen die Fasern beispielsweise Kohlefasern. Andere Beispiele für verwendbare Fasern sind organische Fasern, wie Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, Polymethylmethacrylat-Fasern und anorganische Fasern, wie Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern. Die Fasern liegen z.B. als Gewebe, Gewirk, Gestrick, Geflecht oder Nähgewirke vor. Die Fasern können als Textilie vorliegen. Das Fasern liegen z.B. einlagig oder mehrlagig vor. Die Fasern sind insbesondere in dem Matrixmaterial eingebettet.
Die 5 bis 8 zeigen weitere Ausführungsformen des Widerstandsschweißelements, die sich bezüglich der Anordnung und der Anzahl der Heizelemente unterscheiden.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform eines Widerstandsschweißelements 200 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Enden 208, 210 des Faserstrangs 106 über einen kürzeren Abschnitt im jeweiligen Kontaktbereich 212, 214 und entlang der Längsrichtung L verlaufen. Die Umkehrpunkte 218, 220 der Mäander des Heizelements 202 sowie die Abschnitte 222 und Zwischenräume 224 zwischen diesen sind hier wie in der ersten Ausführungsform angeordnet.
Bei dem in 6 gezeigten Widerstandsschweißelement 300 sind im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsformen die geradlinigen Abschnitte 322 zwischen den Umkehrpunkten 318, 320 der einzelnen Mäander des Heizelements 302 parallel zur Längsrichtung L angeordnet. Die Umkehrpunkte 318 und die Umkehrpunkte 320 liegen hier auf parallelen Geraden senkrecht zur Längsrichtung L. Der Abstand d, der die Breite der Zwischenräume 324 zwischen benachbarten geradlinigen Abschnitten 322 ist wie oben beschrieben so gewählt, dass das Widerstandsschweißelement 300 auch in den Zwischenräumen 324 die Mindest-Schweißtemperatur erreicht.
Die Umkehrpunkte 318, 320 sind in diesem Beispiel in unmittelbarer Nähe zum jeweiligen Kontaktbereich 312, 314 angeordnet. An diesen Stellen ist der Faserstrang 106 des Heizelements 302 jedoch nicht elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung findet hier wie in den vorherigen Ausführungsformen ausschließlich über die Enden 308, 310 des Faserstrangs 106 statt. In dieser Ausführungsform sind die Enden 308, 310 jeweils am Rand des zugehörigen Kontaktbereichs 312, 314 angeordnet.
7 zeigt ein Widerstandsschweißelement 400, bei dem wie in der gerade beschriebenen Ausführungsform ein einziges Heizelement 402 mäanderförmig zwischen den beiden Kontaktbereichen 412, 414 angeordnet ist und wobei die Umkehrpunkte 418, 420 der Mäander nahe der beiden Kontaktbereiche 412, 414 liegen. Wie bereits beschrieben, sind die Enden 408, 410 des Heizelements 402, genauer dessen hier nicht dargestellter Faserstrang 106, elektrisch leitend mit dem jeweiligen Kontaktbereich 412, 414 verbunden.
Im Unterschied zur gerade beschriebenen Ausführungsform sind die Abschnitte 422 zwischen den Umkehrpunkten 418, 420 nicht geradlinig, sondern ebenfalls mäanderförmig ausgebildet. Ein Abstand d₁, der sich so zwischen benachbarten Bereichen 440 eines Abschnitts 422 ergibt, ist hier gleich oder ähnlich groß gewählt wie ein kleinster Abstand d zwischen benachbarten Abschnitten 422 des Heizelements 402. Auch der Abstand d₁ bestimmt sich aus der auf der Fläche des Widerstandsschweißelements 400 zu erreichenden Mindest-Schweißtemperatur.
8 zeigt ein Widerstandsschweißelement 500 mit mehreren Heizelementen 502. Insgesamt sind zwei Kontaktbereiche 512, 514vorgesehen. Jedes der Heizelemente 502 liegt mit einem seiner Enden 508 am ersten Kontaktbereich 512 und mit dem entgegengesetzten Ende 510 am zweiten Kontaktbereich 514 an und ist dort elektrisch kontaktiert. Durch jedes der einzelnen Heizelemente 502 ist ein eigener Strompfad vom ersten Kontaktbereich 512 zum zweiten Kontaktbereich 514 gebildet, der elektrisch und räumlich getrennt von den Strompfaden aller anderen Heizelemente 502 verläuft.
In 8 sind alle Heizelemente 502 geradlinig ausgerichtet und parallel zueinander.
Es sind aber auch Varianten denkbar, in denen eines, mehrere oder alle der Heizelemente 502 nicht parallel verlaufen und/oder einen gewundenen Verlauf haben, der etwa dem Verlauf des Heizelements sind einer der anderen beschriebenen Ausführungsformen entspricht.
Der Abstand d zwischen den auf dem Träger 104 verlaufenden Abschnitten 522 benachbarter Heizelemente 502 ist analog zu den oben beschriebenen Ausführungsformen so gewählt, dass im Zwischenraum 524 zwischen zwei benachbarten Heizelementen 502 die Mindest-Schweißtemperatur erreicht wird.
Die hier gezeigten geometrischen Anordnungen der Heizelemente 102 bis 502 sind selbstverständlich nur beispielhaft. In allen Ausführungsformen muss das Heizelement 102, 202, 302, 402, 502 nicht in der dargestellten Form auf dem Träger 104 verlegt sein, sondern kann im Ermessen des Fachmanns in einem beliebigen, zumindest abschnittsweise geradlinigen oder zumindest abschnittsweise gewundenen Verlauf zwischen den beiden Kontaktbereichen auf dem Träger 104 angeordnet sein. Insbesondere ist der Verlauf des oder der Heizelemente(e) 102, 202, 302, 402, 502 in Abhängigkeit von einer Geometrie der Fügekontaktflächen der zu verbindenden Bauteile wählbar.
Aus Darstellungsgründen sind in den Figuren nicht immer alle identischen Bauteile mit Bezugszeichen versehen. Identische Bezugszeichen oder um jeweils 100 erhöhte Nummern bezeichnen in unterschiedlichen Ausführungsformen baugleiche, im Wesentlichen baugleiche oder ähnliche Komponenten.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den mit der Beschreibung, Absätze [0001] bis [0071], offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs alleine oder in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichen

100: elektrisches Widerstandsschweißelement
102: Heizelement
104: Träger
106: Faserstrang
108: erstes Ende
110: zweites Ende
112: erster Kontaktbereich
114: zweiter Kontaktbereich
116: Ummantelung
118: Umkehrpunkt
120: Umkehrpunkt
122: Abschnitt
124: Zwischenraum
126: Befestigungselement
128: Kunststoffbauteil
130: Teilkomponente
132: Teilkomponente
134: Fügekontaktfläche
136: Elektrode
138: Vorrichtung
200: elektrisches Widerstandsschweißelement
202: Heizelement
208: erstes Ende
210: zweites Ende
212: erster Kontaktbereich
214: zweiter Kontaktbereich
218: Umkehrpunkt
220: Umkehrpunkt
222: Abschnitt
224: Zwischenraum
300: elektrisches Widerstandsschweißelement
302: Heizelement
308: erstes Ende
310: zweites Ende
312: erster Kontaktbereich
314: zweiter Kontaktbereich
318: Umkehrpunkt
320: Umkehrpunkt
322: Abschnitt
324: Zwischenraum
400: elektrisches Widerstandsschweißelement
402: Heizelement
408: erstes Ende
410: zweites Ende
412: erster Kontaktbereich
414: zweiter Kontaktbereich
418: Umkehrpunkt
420: Umkehrpunkt
422: Abschnitt
424: Zwischenraum
440: Bereich
500: elektrisches Widerstandsschweißelement
502: Heizelement
508: erstes Ende
510: zweites Ende
512: erster Kontaktbereich
514: zweiter Kontaktbereich
522: Abschnitt
524: Zwischenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018111643 A1 [0003]
DE 102019104635 A1 [0004]
DE 102019106212 A1 [0005]

Claims

Elektrisches Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500), insbesondere zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen (130, 132) an einer Fügekontaktfläche (134), um die Kunststoffbauteile (130, 132) stoffschlüssig miteinander zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) wenigstens ein linienförmiges, flexibles, elektrisch leitendes Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) aufweist, das zwischen zwei elektrischen Kontaktabschnitten (112, 114; 212, 214; 312, 314; 412, 414; 512, 514) elektrisch leitend und ansonsten entlang seines Verlaufs zwischen den Kontaktabschnitten (112, 114; 212, 214; 312, 314; 412, 414; 512, 514) elektrisch nichtleitend angeordnet ist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) zur elektrisch nichtleitenden Anordnung beabstandet fixiert und/oder isoliert ist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) zur elektrisch nichtleitenden Anordnung zumindest abschnittsweise fest an einem Träger (104) fixiert ist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) mithilfe wenigstens eines Befestigungselements (126) an dem Träger (104) fixiert ist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) zur elektrisch nichtleitenden Anordnung zumindest abschnittsweise beschichtet oder ummantelt ist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) elektrisch leitfähige Kohlefasern und/oder metallisch beschichtete Fasern aufweist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) individuell angepasst angeordnet oder anordenbar ist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) zwischen den elektrischen Kontaktabschnitten (112, 114; 212, 214; 312, 314; 412, 414; 512, 514) zumindest abschnittsweise gewunden, insbesondere mäanderförmig verlaufend, auf dem Träger (104) angeordnet ist.
Widerstandsschweißelement (100; 200; 300; 400; 500) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) derart auf dem Träger (104) angeordnet ist, dass ein Zwischenraum (124; 224; 324; 424; 524) zwischen benachbarten Abschnitten (122; 222; 322; 422) des Heizelements (102; 202; 302; 402) und/oder zu einem benachbarten Heizelement (502) derart schmal ist, dass bei Betrieb des Heizelements (102; 202; 302; 402; 502) eine Temperatur im Zwischenraum (124; 224; 324; 424; 524) wenigstens eine vorgegebene Mindest-Schweißtemperatur erreicht.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Widerstandsschweißelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) zwischen den beiden Kontaktabschnitten (112, 114; 212, 214; 312, 314; 412, 414) elektrisch leitend und ansonsten entlang seines Verlaufs zwischen den beiden Kontaktabschnitten (112, 114; 212, 214; 312, 314; 412, 414) elektrisch nichtleitend angeordnet und fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (102; 202; 302; 402; 502) durch Tailored Fiber Placement (TFP) fixiert wird.