DE10228312A1

DE10228312A1 - Verfahren zum Heißverstemmen

Info

Publication number: DE10228312A1
Application number: DE2002128312
Authority: DE
Inventors: Sami Ruotsalainen; Peter Weyand; Daryl Harris
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Bei einem Verfahren zur Verbindung eines ersten Werkstücks, das einen aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Verbindungsbereich aufweist, mit einem zweiten Werkstück durch Heißverstemmen, werden das erste Werkstück und das zweite Werkstück zueinander in eine anfängliche Verbindungsposition gebracht und es wird wenigstens ein vorgegebener, den Verbindungsbereich umfassender Erwärmungsbereich des ersten Werkstücks auf eine Temperatur innerhalb eines Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials gebracht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heißverstemmen von zwei Werkstücken und insbesondere zum Heißverstemmen eines ersten Werkstücks mit einem Verbindungsbereich aus einem Kunststoffmaterial und eines zweiten Werkstücks.
Bei der Montage von Vorrichtungen, die Kunststoff- und/oder Metallwerkstücke aufweisen, ist es notwendig, diese miteinander zu verbinden.

Ein mögliches Verbindungsverfahren hierzu ist das Heißverstemmen. Dabei wird ein thermoplastisches Kunststoffwerkstück in einer Ausnehmung eines weiteren Werkstücks verstemmt, indem das Kunststoffwerkstück nach Positionierung an dem weiteren Werkstück in einem der Ausnehmung entsprechenden Verbindungsbereich mittels eines heißen Presswerkzeugs bis zum Überschreiten einer vorgegebenen Deformationstemperatur erhitzt und dabei in die Ausnehmung gepresst wird. Nachdem das Kunststoffwerkstück seine Endform erreicht hat, wird das Kunststoffwerkstück unter die Deformationstemperatur abgekühlt, damit es seine Endform beibehält.

Dieses Verfahren hat jedoch einige Nachteile.

So hat das Presswerkzeug meistens eine hohe Wärmekapazität, wodurch das Abkühlen des Kunststoffwerkstücks bei anliegendem Presswerkzeug am Ende des Verstemmens verlangsamt wird. Insbesondere kann es notwendig sein, das Presswerkzeug zu kühlen. Zur Herstellung der nächsten Verbindung muss das Presswerkzeug dann wiederum erwärmt werden. Hierzu sind entweder aufwendige Kühl- bzw. Heizvorrichtungen notwendig oder es ergeben sich bei Kühlung durch Umgebungsluft vergleichsweise lange Zykluszeiten bei wiederholter Durchführung des Verbindungsverfahrens.

Weiterhin muss bei der Deformation des Kunststoffwerkstücks die Temperatur des Presswerkzeugs oberhalb einer Glastemperatur des Kunststoffs des Kunststoffwerkstücks, aber unterhalb einer Verflüssigungstemperatur bleiben.

Überschreitet die Temperatur des Presswerkzeugs die Verflüssigungstemperatur, wird der Kunststoff wenigstens teilweise schmelzen, so dass Kunststoff von dem Presswerkzeug weg fließt und dieses zu weit in das Kunststoffwerkstück eindringt.

Unterschreitet die Temperatur des Presswerkzeugs die Glastemperatur, ist eine kontinuierliche Deformation des Kunststoffs nicht möglich und es können durch die hohen, bei der Verformung auftretenden Spannungen in dem Kunststoff Mikrorisse oder gar Risse entstehen, die die Verbindung schwächen. Insbesondere kann ein Weißbruch auftreten. Das durch die Glastemperatur und die Verflüssigungstemperatur gebildete Temperaturfenster ist jedoch sehr eng, so dass es schwierig ist, die Temperatur des Presswerkzeugs bzw. die Temperatur des sich verformenden Kunststoffs innerhalb dieses Temperaturfensters zu halten.

Weiterhin ist es möglich, dass der eigentliche Pressvorgang begonnen wird, bevor das Kunststoffmaterial die Glastemperatur überschritten hat, wodurch wiederum Risse in dem Kunststoffwerkstück entstehen können.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Presswerkzeug in der Regel so geformt ist, dass das Kunststoffwerkstück bei Erreichen der Endform an dem Presswerkzeug anliegt. Dies kann es jedoch mit sich bringen, dass die Form des Presswerkzeugs nicht unbedingt an die Form des Kunststoffwerkstücks zu Beginn des Verstemmens angepasst ist und daher zu Beginn des Verstemmens nur ein Linien- oder Punktkontakt zwischen dem Presswerkzeug und dem Kunststoffwerkstück zustandekommt, der zu einer schlechten Wärmeübertragung auf das Kunststoffwerkstück führt. Darüber hinaus ist bei einem solchen Linien- oder Punktkontakt eine sehr inhomogene Temperaturverteilung zu erwarten.

Die Wärmeübertragung auf das Kunststoffwerkstück kann zwar durch ein Anpressen des Presswerkzeugs an das Kunststoffwerkstück verbessert werden, jedoch ist hierzu eine sehr genaue Prozessführung notwendig, um das bereits erwähnte Problem der Rissbildung zu vermeiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung eines ersten Werkstücks mit einem Verbindungsbereich aus Kunststoff mit einem zweiten Werkstück bereitzustellen, mit dem einfach und schnell eine zuverlässige Verbindung herstellbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbindung eines ersten Werkstücks, das einen aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Verbindungsbereich aufweist, mit einem zweiten Werkstück durch Heißverstemmen sieht vor, dass in einem ersten Schritt das erste Werkstück und das zweite Werkstück zueinander in eine anfängliche Verbindungsposition gebracht werden und ohne Verwendung eines Presswerkzeugs wenigstens ein vorgegebener, den Verbindungsbereich umfassender Erwärmungsbereich des ersten Werkstücks auf eine Temperatur innerhalb eines Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials gebracht wird, in einem zweiten Schritt das erste Werkstück wenigstens mit einem Pressabschnitt des Verbindungsbereichs und das zweite Werkstück mittels eines auf das erste Werkstück wirkenden Presswerkzeugs gegeneinander gepresst werden und wenigstens der Erwärmungsbereich des ersten Werkstücks auf eine Temperatur unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs abgekühlt wird, und in einem dritten Schritt das Presswerkzeug und das erste Werkstück voneinander entfernt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für beliebige erste Werkstücke anwendbar, soweit diese wenigstens einen Verbindungsbereich aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial aufweisen, der zur Verbindung mit dem zweiten Werkstück an einem dazu vorgesehenen Abschnitt des zweiten Werkstücks dient.

Der Verbindungsbereich kann dabei grundsätzlich aus beliebigen thermoplastischen Kunststoffen gebildet sein, insbesondere können amorphe oder semikristalline Kunststoffe verwendet werden, die auch Polymermischungen umfassen können. Die Kunststoffe können darüber hinaus weitere Füllmaterialien und insbesondere auch eine Faserverstärkung, beispielsweise eine Kurzfaserverstärkung mit Glasfasern, aufweisen.

Das zweite Werkstück kann in dem Bereich, in dem es mit dem ersten Werkstück verbunden wird, grundsätzlich aus beliebigen Materialien gebildet sein, die stabil genug sind, um beim Gegeneinanderpressen von Presswerkzeug und zweitem Werkstück als Widerlager für das Presswerkzeug dienen zu können. Vorzugsweise ist daher das Material des zweiten Werkstücks auch bei den Temperaturen, auf die der Erwärmungsbereich erhitzt wird, im Wesentlichen nicht durch die bei dem Anpressschritt auftretenden Kräfte verformbar. Insbesondere kann es sich bei dem Material des zweiten Werkstücks in dem Bereich, in dem es mit dem ersten Werkstück verbunden wird, um Kunststoff, Metall oder Keramik handeln.

In dem ersten Schritt wird vor, während oder vorzugsweise nach einer relativen Positionierung von erstem und zweitem Werkstück zueinander wenigstens ein vorgegebener, den Verbindungsbereich umfassender Erwärmungsbereich des ersten Werkstücks erwärmt. Dies geschieht ohne Verwendung eines Presswerkzeugs, worunter zu verstehen ist, dass die Erwärmung nicht durch Kontakt mit einem entsprechend erhitzten Presswerkzeug erreicht wird. In der Regel wird der Erwärmungsbereich den bei dem folgenden Pressvorgang verformten Bereich umfassen.

Die Erwärmung erfolgt dabei bis auf eine Temperatur innerhalb eines Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials des Verbindungsbereichs. Unter dem Verformbarkeitstemperaturbereich des Kunststoffmaterials im Sinne der Erfindung wird ein für das Kunststoffmaterial spezifischer Temperaturbereich verstanden, in dem das Kunststoffmaterial innerhalb einer für eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens relevanten Zeitspanne, vorzugsweise innerhalb von bis zu 10 Minuten, durch Anwendung von Druck plastisch verformbar ist. Eine obere Grenztemperatur des Verformbarkeitstemperaturbereichs liegt unterhalb oder bei einer Verflüssigungstemperatur des Kunststoffmaterials, unter der im Sinne der Erfindung eine für das Kunststoffmaterial spezifische Temperatur verstanden wird, unterhalb derer innerhalb einer für eine Durchführung des Verfahrens relevanten Zeitspanne, die vorzugsweise kürzer als 10 Minuten sein kann, ein signifikantes Fließen des Kunststoffmaterials allein aufgrund der Schwerkraft, das eine Verbindung erschweren oder verhindern würde, nicht erfolgen kann. Der Verformbarkeitsbereich kann insbesondere eine Erweichungstemperatur des Kunststoffmaterials einschließen.

Bei Kunststoffmaterialien, die amorphe Polymere umfassen, liegt der Verformbarkeitsbereich oberhalb der Glastemperatur und unterhalb einer Temperatur, bei der ein signifikantes Fließen des Kunststoffmaterials allein aufgrund der Schwerkraft auftritt. Bei Kunststoffmaterialien auf der Basis teilkristalliner Polymere liegt der Verformbarkeitsbereich oberhalb der Glastemperatur und unterhalb einer Schmelztemperatur oder eines Schmelzbereichs des Kunststoffs.

Die Temperatur, auf die der Erwärmungsbereich des ersten Werkstücks erwärmt wird, braucht dabei in dem Erwärmungsbereich nicht unbedingt konstant zu sein, sondern kann beispielsweise auch innerhalb der Grenzen des Verformbarkeitstemperaturbereichs in dem Erwärmungsbereich räumlich variieren.

In dem zweiten Schritt werden dann mittels eines auf wenigstens einen Pressabschnitt des Verbindungsbereichs wirkenden Presswerkzeugs der Pressabschnitt, der insbesondere innerhalb des Erwärmungsbereichs liegen kann, und das zweite Werkstück gegeneinander gepresst. Hierbei findet eine wenigstens teilweise Verformung des Erwärmungsbereichs statt, der insbesondere größer als der eigentliche Pressabschnitt sein kann. Grundsätzlich kann hierzu das Presswerkzeug oder das zweite Werkstück bewegt werden. Es können jedoch auch das Presswerkzeug und das zweite Werkstück gleichzeitig aufeinander zu bewegt werden.

Während des Pressens und/oder danach wird der Erwärmungsbereich auf Temperaturen unterhalb der unteren Grenze des Verformbarkeitstemperaturbereichs abgekühlt. Das Abkühlen kann dabei insbesondere durch eine Wärmeübertragung auf das zweite Werkstück und/oder das Presswerkzeug und/oder die umgebende Luft erfolgen.

Nach dem Abkühlen des Erwärmungsbereichs kann dann im dritten Schritt das Presswerkzeug von dem Pressbereich entfernt werden, was durch Bewegung des Presswerkzeugs und/oder des nun mit dem zweiten verbundenen, ersten Werkstücks erfolgen kann.

Durch die kontaktlose und damit unmittelbare Erwärmung des Erwärmungsbereichs wird ein guter Wärmeübergang auf den Erwärmungsbereich erreicht, wobei bei günstiger Erwärmung insbesondere erreicht werden kann, dass der gesamte Erwärmungsbereich weitgehend homogen auf eine Temperatur innerhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs erwärmt ist. Damit kann das Auftreten von Rissen oder Mikrorissen während der folgenden Verformung des Pressabschnitts bzw. wenigstens Teilen des Erwärmungsbereichs durch das Presswerkzeug weitestgehend verhindert werden, so dass eine sehr zuverlässige Verbindung erreicht wird.

Da darüber hinaus keine Erwärmung des Presswerkzeugs auf Temperaturen oberhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs notwendig ist, kann die Erwärmung wie auch die Abkühlung des Erwärmungsbereichs sehr schnell erfolgen, so dass das erfindungsgemäße Verfahren kurze Zykluszeiten zulässt. Insbesondere kann das Abkühlen bei einem zweiten Werkstück, das in dem mit dem ersten Werkstück zu verbindenden Bereich aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie z.B. Metall oder einem entsprechenden Keramikwerkstoff gebildet ist, sehr schnell über das zweite Werkstück erfolgen.

Da die Erwärmung nicht über das Presswerkzeug erfolgt, kann das Verfahren mit einer vergleichsweise einfachen Vorrichtung durchgeführt werden, bei der das Presswerkzeug unabhängig von der Wärmequelle zum Erwärmung des Erwärmungsbereichs ausgebildet sein kann.

Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen beschrieben.

Es ist bevorzugt, dass das zweite Werkstück eine Ausnehmung aufweist, dass als Presswerkzeug ein Presswerkzeug mit einer im Wesentlichen komplementär zu der Ausnehmung geformten Pressfläche verwendet wird, und dass wenigstens der Pressabschnitt des ersten Werkstücks und das zweite Werkstück unter Verwendung des wenigstens auf den Pressabschnitt wirkenden Presswerkzeugs durch eine Relativbewegung von Presswerkzeug und zweitem Werkstück gegeneinander gedrückt werden, wobei der Pressabschnitt wenigstens teilweise in die Ausnehmung gepresst wird. Es wird so wenigstens ein Teil des Erwärmungs- bzw. Verbindungsbereichs und insbesondere der Pressabschnitt in der Ausnehmung verstemmt, wodurch sich eine besonders stabile Verbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück ergibt. Die Pressfläche muss dabei nicht unbedingt vollständig an die Form der Ausnehmung angepasst sein, sondern nur eine hinreichende Verformung des Pressabschnitts und weiterer bei dem Anpressschritt verformter Bereiche des Verbindungsbereichs bewirken. Zweckmäßigerweise ist die Pressfläche jedoch so geformt, dass bei dem Anpressschritt entsprechende Teile des Erwärmungsbereichs möglichst vollständig an der Pressfläche anliegend an Wände der Ausnehmung gedrückt werden.

Grundsätzlich kann das erste Werkstück zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens eine beliebige Form aufweisen. So ist es insbesondere möglich, dass es platten- bzw. folien- oder filmartig ausgebildet ist. Bevorzugt ist es jedoch, dass das erste Werkstück in der anfänglichen Verbindungsposition zumindest im Verbindungsbereich das zweite Werkstück hülsenartig umgibt. Hierdurch wird eine besonders stabile Verbindung des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück erreicht.

Die Materialstärke des ersten Werkstücks in dem Verbindungsbereich ist im Wesentlichen dadurch beschränkt, dass der Erwärmungsbereich in einem sinnvollen Zeitintervall erwärmbar und der Verbindungsbereich wenigstens teilweise ohne das Auftreten von Rissen verformbar ist. Es ist bevorzugt, dass das erste Werkstück im Verbindungsbereich vor dem Erwärmen eine Materialstärke zwischen etwa 0,5 mm und 3 mm aufweist.

Insbesondere für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich ist es bevorzugt, dass das Kunststoffmaterial ein Polymer enthält, dass ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 6, Polyamid 66, Polyethylenterephtalat und Polybutylenterephthalat. Diese sehr widerstandsfähigen und mit vergleichsweise hohen Temperaturen belastbaren Materialien können dabei in amorpher oder semikristalliner Form verwendet werden und lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr gut verarbeiten. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere auch Mischungen der genannten Polymere enthalten.

Vorzugsweise liegt die Temperatur, auf die der Erwärmungsbereich erwärmt wird, in einem mittleren Bereich zwischen den Grenzen des Verformbarkeitstemperaturbereichs.

Die Erwärmung des Erwärmungsbereichs kann grundsätzlich beliebig erfolgen, soweit sie nicht mittels des Presswerkzeugs erfolgt.

Die Erwärmung des Erwärmungsbereichs des ersten Werkstücks kann bei einer bevorzugten Ausführungsform vor der Positionierung in dem ersten Schritt unter Verwendung eines Fluids, d.h. eines Gases oder einer Flüssigkeit erfolgen. Insbesondere kann das erste Werkstück in ein entsprechendes Flüssigkeitsbad gebracht werden, wodurch besonders gezielt und gleichmäßig eine vorgegebene Temperatur erreichbar ist.

Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung des Erwärmungsbereichs jedoch kontaktlos.

Hierzu ist es bevorzugt, dass in dem ersten Schritt der Erwärmungsbereich des ersten Werkstücks mit einem Heißgas, zum Beispiel heißer Luft, erhitzt wird. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Heißgas jedoch um ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid, handeln, so dass eine Oxidation des Kunststoffmaterials in dem Erwärmungsbereich weitgehend vermieden werden kann. Diese Art der Erwärmung zeichnet sich zum einen dadurch aus, dass hierzu nur sehr einfache Vorrichtungen, bei Verwendung von erwärmter Luft nur ein Gebläse und eine von dem Gebläse gespeiste Düse, notwendig sind und zum anderen gleichzeitig eine sehr homogene Erwärmung des Erwärmungsbereichs erzielt wird. Besonders bevorzugt ist die Düse dabei so ausgebildet, dass der Heißgasstrom möglicht gebündelt nur auf den Erwärmungsbereich gerichtet werden kann.

Bei der Verwendung von Heißgas ist es besonders bevorzugt, dass die Temperatur des Heißgases zwischen der unteren Grenztemperatur des Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials des Verformungsbereichs und 400°C liegt. Hierdurch wird eine Schädigung der Oberfläche des Kunststoffmaterials durch zu hohe Temperaturen, insbesondere eine teilweise Verbrennung, vermieden. Vorzugsweise ist die Temperatur des Heißgases in Abhängigkeit von der Erwärmungsdauer so gewählt, dass der Erwärmungsbereich möglichst gleichmäßig erwärmt wird. Insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Erwärmungsbereichs wird die Erwärmung wesentlich von der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärme des Kunststoffmaterials sowie dessen Materialstärke beeinflusst, so das die Temperatur und die Stärke des Heißgasstroms sowie die Erwärmungsdauer in Abhängigkeit von den genannten Eigenschaften des Verbindungsbereichs gewählt werden kön nen. Eine gleichmäßige Erwärmung dieser Richtung ermöglicht insbesondere eine besonders materialschonende Verformung ohne Rissbildung bei dem folgenden Anpressschritt.

Alternativ zur Verwendung von Heißgas oder zusätzlich dazu kann bevorzugt in dem ersten Schritt der Erwärmungsbereich des ersten Werkstücks mit Infrarotstrahlung erhitzt werden. Hierzu kann insbesondere ein Laser verwendet werden, der in einem entsprechenden Wellenlängenbereich arbeitet. Als Laser können beispielsweise CO₂-Laser oder vorzugsweise Diodenlaser mit einer entsprechenden Emissionswellenlänge im Infrarotbereich verwendet werden. Letztere haben einen höheren Wirkungsgrad. Weiterhin können sie kompakter aufgebaut sein. Abhängig von dem dem Kunststoffmaterial zugrundeliegenden Polymer kann es dabei zweckmäßig sein, dass das Kunststoffmaterial Zuschlagstoffe enthält, die Infrarotstrahlung des Lasers absorbieren und in Wärme umsetzen. Die Verwendung eines Lasers ermöglicht nicht nur eine besonders präzise Erwärmung eines kleinen, abgegrenzten Erwärmungsbereichs, sondern ermöglicht auch eine besonders einfache Konstruktion einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Vorrichtung, da keine Heißluftdüse in die Nähe des Erwärmungsbereichs gefahren werden muss, die dann später wegzubewegen ist, um Raum für das Presswerkzeug zu schaffen. Der Laser kann vielmehr außerhalb des Hubweges des Presswerkzeugs angeordnet werden, so dass dessen Bewegung nicht behindert wird und eine sehr kurze Zykluszeit für das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren erzielbar ist. Weiterhin kann bei entsprechender Eindringtiefe der Infrarotstrahlung schneller eine gleichmäßige Erwärmung des Erwärmungsbereichs erzielt werden.

Grundsätzlich können die Verfahrensparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens für den zweiten und/oder dritten Schritt in Abhängigkeit von den dazu verwendeten Werkstücken und der dazu verwendeten Vorrichtung durch Optimierungsversuche bestimmt werden. Dies betrifft insbesondere die Zeitdauer, während derer eine kontaktlose Erwärmung des Erwärmungsbereichs erforderlich ist.

Um das Erreichen einer für eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglichst günstigen Temperatur des Erwärmungsbereichs sicherstellen zu können, ist es bevorzugt, dass die Temperatur der Erwärmungsbereichs während des Erhitzens überwacht wird. Dies kann besonders bevorzugt kontaktlos, beispielsweise unter Verwendung von Pyrometern, erfolgen. Besonders bevorzugt kann dabei entsprechend der Temperatur des Erwärmungsbereichs die Erwärmung des Erwärmungsbereichs geregelt werden.

Die Geschwindigkeit, mit der das Presswerkzeug relativ zu dem Pressabschnitt bewegt wird, ist vorzugsweise so gewählt, dass bei der Deformation in dem Verbindungsbereich keine Risse oder Mikrorisse entstehen. Um möglichst hohe Anpressgeschwindigkeiten und damit geringe Zykluszeiten erreichen zu können, können entsprechende Optimierungsversuche durchgeführt werden.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Temperatur des Presswerkzeugs unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials gehalten wird. Dadurch wird nicht nur eine schnelle Abkühlung des Erwärmungsbereichs auf Temperaturen unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs erreicht, sondern es wird auch ein Anhaften des Press werkzeugs an dem Pressabschnitt vermieden, das insbesondere dann auftreten könnte, wenn die Temperatur des Presswerkzeugs nahe dem Schmelzpunkt des Kunststoffmaterials läge. Besonders bevorzugt ist die Temperatur des Presswerkzeugs, insbesondere während aller Verfahrensschritte, kleiner als 100°C. Je nach Größe des Presswerkzeugs, der Wärmeleitfähigkeit des Materials des Presswerkzeugs, der Zykluszeit und der Temperatur, auf die der Erwärmungsbereich erwärmt wird, wird das Presswerkzeug zweckmäßigerweise gekühlt. Vorzugsweise erfolgt die Kühlung jedoch zu wesentlichen Teilen durch die Umgebungsluft und/oder eine Halterung des Presswerkzeugs.

Die Temperatur des zweiten Werkstücks kann grundsätzlich beliebig gewählt sein. Insbesondere kann sie in oder oberhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs liegen, wodurch ein Anhaften des Kunststoffmaterials an dem zweiten Werkstück begünstigt wird. Allerdings wird hierdurch das Abkühlen des Erwärmungsbereichs deutlich erschwert. Es ist daher bevorzugt, dass auch die Temperatur des zweiten Werkstücks unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs und besonders bevorzugt unterhalb von 100°C gehalten wird. Zweckmäßigerweise wird es einfach bei Raumtemperatur verwendet.

Die Anpressdauer im zweiten Schritt ist so gewählt, dass eine bleibende Verformung im Verbindungsbereich und damit eine bleibende Verbindung mit dem zweiten Werkstück erhalten wird. Die Anpressdauer hängt dabei u.a. von der Temperatur, auf die der Erwärmungsbereich erwärmt wird, und der Art des Kunststoffmaterials ab. Bevorzugt ist es, dass die Anpressdauer im zweiten Schritt zwischen 0,5 Sekunden und 10 Sekunden liegt.

Je nach Form der zu verbindenden Werkstücke kann das Presswerkzeug ein oder mehrere Presselemente enthalten, die jeweils wenigstens eine Pressfläche aufweisen. So kann zum Heißverstemmen einer Kunststoffhülse auf einem Abschnitt eines Zylinders vorzugsweise ein Presswerkzeug verwendet werden, das wenigstens zwei Presselemente aufweist, deren Pressflächen in einer Querschnittsebene jeweils die Form eines Kreisabschnitts aufweisen und die vorzugsweise in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind. Die Winkel, über die sich die Kreisabschnitte erstrecken, können dabei insbesondere gleich groß sein und/oder sich zu 360° aufaddieren, so dass die Hülse vollständig umschließbar ist.

Um das Presswerkzeug mit einer möglichst genau reproduzierbaren Kraft auf den Pressabschnitt wirken lassen zu können, ist es bevorzugt, dass der Pressabschnitt des ersten Werkstücks und das zweite Werkstück mittels eines federbelasteten Stempels gegeneinander gepresst werden. Es wird so eine sehr genau kontrollierbare Deformation in dem Verbindungsbereich erzielt, die zum einen eine feste Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Werkstück ermöglicht und zum anderen das Auftreten von Rissen oder Mikrorissen weitgehend verhindert.

Um das Risiko eines Anhaftens wenigstens des Pressabschnitts an dem Presswerkzeug zu reduzieren, ist es bevorzugt, dass ein Presswerkzeug verwendet wird, dessen Pressfläche eine Anhaftbeschichtung aufweist. Bei dieser Antihaftbeschichtung kann es sich beispielsweise um eine Teflonbeschichtung oder zweckmäßigerweise eine gehärtete Antihaftbeschichtung handeln.

Zur Reduktion des Risikos eines Anhaftens ist es weiterhin bevorzugt, dass ein Presswerkzeug verwendet wird, dessen Pressfläche poliert ist. Eine solche polierte Pressfläche weist keine Vertiefungen oder Grate auf, die ein Anhaften von Kunststoffmaterial begünstigen könnten.

Ein Anhaften des Presswerkzeugs an den Pressabschnitt kann weiterhin bevorzugt dadurch vermieden werden, dass vor dem Aneinanderpressen von Presswerkzeug und Pressabschnitt in dem zweiten Schritt ein Trennmittel auf die Pressfläche des Presswerkzeugs und/oder den Pressabschnitt aufgebracht wird.

Um eine möglichst hohe Standzeit des Presswerkzeugs und insbesondere dessen Pressfläche zu erreichen, ist es bevorzugt, dass ein Presswerkzeug verwendet wird, dessen Pressfläche durch eine Keramikoberfläche gebildet ist. Die Keramikoberfläche kann dabei durch die Oberfläche eines Keramikkörpers des Presswerkzeugs oder auch nur durch eine entsprechende keramische Beschichtung gegeben sein. Insbesondere können hier Keramiken verwendet werden, die eine besonders große Härte aufweisen. Vorzugsweise kann die Beschichtung Titannitrid oder Siliziumnitrid enthalten.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische teilweise Schnittansicht eines Verbindungsbereichs eines ersten Werkstücks und eines zweiten Werkstücks in einer anfänglichen Verbindungsposition,

2 eine schematische teilweise Schnittansicht der Anordnung in 1 mit einer Vorrichtung zur Erwärmung eines Erwärmungsbereichs des ersten Werkstücks mit Heißluft, und

3 eine schematische teilweise Schnittansicht des ersten und des zweiten Werkstücks in 1 mit einem Presswerkzeug.

Zur Verbindung eines ersten Werkstücks, einer Kunststoffhülse 10 aus Polyamid 6, mit einem Metallzylinder 12 mit einer umlaufenden Ringnut 14 als zweitem Werkstück mittels eines Verfahrens zum Heißverstemmen nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in einem ersten Schritt die Kunststoffhülse 10 und der Metallzylinder 12 in eine anfängliche Verbindungsposition gebracht, die teilweise in 1 gezeigt ist und in der die Kunststoffhülse 10 den Metallzylinder 12 entlang eines Teils seiner axialen Ausdehnung umschließt.

Ein durch einen oberen Ringabschnitt 16 der Kunststoffhülse 10 gebildeter Verbindungsbereich der Kunststoffhülse 10 liegt in der anfänglichen Verbindungsposition an dem Metallzylinder 12 an und deckt die Ringnut 14 ab.

Die Wandstärke der Kunststoffhülse 10 in dem Ringabschnitt 16 beträgt 1 mm bzw. 1,5 mm am oberen bzw. unteren Ende. Der Verformbarkeitstemperaturbereich des verwendeten Polyamid 6 liegt zwischen 210°C und 225°C. Bei Verwendung von Polyamid 6 mit Additiven kann der Verform barkeitstemperaturbereich je nach verwendeten Additiven zu höheren Temperaturen verschoben werden. Beispielsweise kann ein Bereich von 240°C bis 250°C erreicht werden.

Sowohl die Kunststoffhülse 10 als auch der Metallzylinder 12 haben zu diesem Zeitpunkt Raumtemperatur.

In einem weiteren Teilschritt des ersten Schritts (vgl. 2) wird ein ringförmiger Erwärmungsbereich 18 in dem Ringabschnitt 16 mittels Heißluft kontaktlos erwärmt. Dazu wird eine ringförmige Düse 20 verwendet, die von einem konzentrisch zu ihr angeordneten Hitzeschild 22 umgeben ist. Die Düse 20 und das Hitzeschild 22 werden über das freie Ende des Metallzylinders 12 und der darum herum angeordneten Kunststoffhülse 10 bewegt und koaxial zu der Kunststoffhülse 10 und in axialer Richtung relativ zu dieser so positioniert, dass aus der Düse 20 austretende Heißluft entlang des Umfangs der Kunststoffhülse 10 gleichmäßig im Wesentlichen auf den Erwärmungsbereich 18 gelenkt wird.

Es wird dann durch die Düse 20 Heißluft mit einer Temperatur von etwa 270°C auf den Erwärmungsbereich 18 gelenkt, bis dieser eine Temperatur von etwa 220°C erreicht, die innerhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs liegt.

Daraufhin wird die Düse 20 mit dem Hitzeschild 22 von der Kunststoffhülse 12 nach oben weg bewegt.

In einem folgenden zweiten Schritt wird mittels eines als Presswerkzeug dienenden, ringförmigen Stempels 24 ein Teil des Ringabschnitts 16 in der Ringnut 14 verstemmt (vgl. 3).

Der ringförmige Stempel 24 ist, in den Figuren nicht gezeigt, dreiteilig aus drei gleichen, kreissegmentförmigen Ringabschnitten aufgebaut, so dass durch ein Zusammenführen der Ringabschnitte in einem Pressschritt die Kunststoffhülse 10 entlang ihres gesamten Umfangs mit dem Metallzylinder 12 verbunden werden kann.

Der Stempel 24 weist eine zu der Ringnut 14 komplementär geformte Pressfläche 26 auf, die zur Verlängerung der Standzeit mit einer entsprechenden Keramikbeschichtung auf der Basis von Titannitrid versehen und zur Vermeidung eines Anhaftens von Kunststoff poliert ist.

Der Stempel 24, der bei zyklischer Durchführung des Verfahrens eine Temperatur von etwa 50°C aufweist, wird mit der Pressfläche 26 gegen einen Pressabschnitt 28 in dem Ringbereich 16 bzw. dem Erwärmungsbereich 18 gepresst (vgl. 3). Der Pressabschnitt 28 wird dadurch unter plastischer Verformung in die Ringnut 14 gepresst. Die Pressbewegung erfolgt innerhalb von etwa einer Sekunde.

Danach wird der Stempel 24 für weitere etwa zwei Sekunden in seiner in 3 gezeigten Position belassen, wobei der Erwärmungsbereich 18 durch Wärmeübergang auf den Metallzylinder 12, den Stempel 24 und die Umgebungsluft auf eine Temperatur von unter 200°C und damit unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs abgekühlt wird.

In einem dritten Schritt wird dann der Stempel 24 von dem zweiten Werkstück 12 entfernt.

Es ergibt sich eine Verbindung der Kunststoffhülse 10 mit dem zweiten Werkstück 12, die schnell herstellbar und doch frei von Rissen oder Mikrorissen ist.

Durch die geringe Temperatur des Stempels 24 wird ein Anhaften des erwärmten Kunststoffmaterials des Erwärmungsbereichs 18 an der Pressfläche 28 des Stempels 24 vermieden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird statt des ringförmigen Stempels 24 ein Presswerkzeug verwendet, das vier in gleichen Winkelabständen voneinander beabstandete, sich über einen Winkel von etwa 45° erstreckende Segmente aufweist, die beim Pressvorgang zusammengeführt nur Abschnitte eines Rings bilden. Die Kunststoffhülse wird dann nicht entlang ihres gesamten Umfangs mit dem Metallzylinder 12 verbunden, sondern nur an den Segmenten des Presswerkzeugs entsprechenden Umfangsabschnitten

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird statt des Metallzylinders 12 ein Zylinder aus einem Kunststoffmaterial verwendet, dessen Verformbarkeitstemperaturbereich oberhalb der Temperatur liegt, auf die der Erwärmungsbereich 18 der Kunststoffhülse 12 erwärmt wird.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird statt der Düse 20 mit dem Hitzeschild 22 ein Infrarot-Diodenlaser, der bei einer Wellenlänge von 940 nm arbeitet, zur Erwärmung des Erwärmungsbereichs 18 verwendet. Bei einer Laserleistung von 30 bis 50 Watt ist es dann möglich, das Material schnell innerhalb von höchstens wenigen Sekunden über die Verformbarkeitstemperatur zu erwärmen.

Um eine gleichmäßige Erwärmung des Erwärmungsbereichs 18 entlang des gesamten Umfangs der Kunststoffhülse 10 zu erzielen, werden während des Erwärmungsvorgangs der Metallzylinder 12 und die Kunststoffhülse 10 gemeinsam um ihre Längsachse gedreht, so dass ein Laserstrahl des Infrarot-Diodenlasers über den gesamten Erwärmungsbereich 18 geführt wird. Alle anderen Verfahrensschritte werden wie bei dem zuerst geschilderten Verfahren durchgeführt.

10: Kunststoffhülse
12: Metallzylinder
14: Ringnut
16: Ringabschnitt
18: Erwärmungsbereich
20: Düse
22: Hitzeschild
24: Stempel
26: Pressfläche
28: Pressabschnitt

Claims

Verfahren zur Verbindung eines ersten Werkstücks (10), das einen aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Verbindungsbereich (16) aufweist, mit einem zweiten Werkstück (12) durch Heißverstemmen, bei dem in einem ersten Schritt das erste Werkstück (10) und das zweite Werkstück (12) zueinander in eine anfängliche Verbindungsposition gebracht werden, und ohne Verwendung eines Presswerkzeugs wenigstens ein vorgegebener, den Verbindungsbereich (16) umfassender Erwärmungsbereich (18) des ersten Werkstücks (10) auf eine Temperatur innerhalb eines Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials gebracht wird, in einem zweiten Schritt das erste Werkstück (10) wenigstens mit einem Pressabschnitt (28) des Verbindungsbereichs (16) und das zweite Werkstück (12) mittels eines auf das erste Werkstück (10) wirkenden Presswerkzeugs (24) gegeneinander gepresst werden und wenigstens der Erwärmungsbereich (18) des ersten Werkstücks (10) auf eine Temperatur unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs abgekühlt wird, und in einem dritten Schritt das Presswerkzeug (24) und das erste Werkstück (10) voneinander entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkstück (12) eine Ausnehmung (14) aufweist, dass als Presswerkzeug ein Presswerkzeug (24) mit einer im Wesent lichen komplementär zu der Ausnehmung (14) geformten Pressfläche (26) verwendet wird, und dass wenigstens der Pressabschnitt (28) des ersten Werkstücks (10) und das zweite Werkstück (12) unter Verwendung des wenigstens auf den Pressabschnitt (28) wirkenden Presswerkzeugs (24) durch eine Relativbewegung von Presswerkzeug (24) und zweitem Werkstück (12) gegeneinander gedrückt werden, wobei der Pressabschnitt (28) wenigstens teilweise in die Ausnehmung (14) gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (10) in der anfänglichen Verbindungsposition zumindest in dem Verbindungsbereich (16) das zweite Werkstück (12) hülsenartig umgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (10) im Verbindungsbereich (16) vor dem Erwärmen eine Materialstärke zwischen etwa 0,5 mm und 3 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial ein Polymer enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyamid 6, Polyamid 66 und Polybutylenterephtalat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt der Erwärmungsbereich (18) des ersten Werkstücks (10) mit einem Heißgas erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Heißgases zwischen der unteren Grenztemperatur des Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials des Verbindungsbereichs (16) und 400 °C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dass in dem ersten Schritt der Erwärmungsbereich (18) des ersten Werkstücks (10) mit Infrarotstrahlung erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Erwärmungsbereichs (18) während des Erhitzens überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Presswerkzeugs (24) unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs des Kunststoffmaterials gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressdauer im zweiten Schritt zwischen 0,5 s und 10 s liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressabschnitt (28) des ersten Werkstücks (10) und das zweite Werkstück (12) mittels eines federbelasteten Stempels gegeneinander gepresst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Presswerkzeug verwendet wird, dessen Pressfläche eine Antihaftbeschichtung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Presswerkzeug (24) verwendet wird, dessen Pressfläche (26) poliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aneinanderpressen von Presswerkzeug (24) und Pressabschnitt (28) in dem zweiten Schritt ein Trennmittel auf die Pressfläche des Presswerkzeugs (24) und/oder den Pressabschnitt (28) aufgebracht wird.