DE202008011001U1

DE202008011001U1 - Baugruppe aus miteinander verschweißten Kunststoffteilen

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Publication number: DE202008011001U1
Application number: DE200820011001
Authority: DE
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2018-08-12

Abstract

Baugruppe aus mindestens zwei längs mindestens einer Schweißnaht miteinander verschweißten thermoplastischen Kunststoffteilen, von denen mindestens ein erstes Kunststoffteil längs einer Schweißnaht mittels eines heißen Gases aufgeschmolzen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das erste Kunststoffteil ein Schaumkunststoffteil mit Gasbläschen ist, welche mit einem gegenüber dem geschmolzenen Kunststoff des ersten Kunststoffteils inerten Gas gefüllt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe aus mindestens zwei längs mindestens einer Schweißnaht miteinander verschweißten thermoplastischen Kunststoffteilen; insbesondere betrifft die Erfindung eine solche als Ventilhaube für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor gestaltete Baugruppe.
Im Folgenden wird die Erfindung meist anhand einer Ventilhaube erörtert, obwohl sich die Erfindung auch für andere Baugruppen der eingangs erwähnten Art eignet, insbesondere für andere Fahrzeug-Module.
Die ElringKlinger AG stellt als Ventilhauben gestaltete Baugruppen der eingangs erwähnten Art her, bei denen die miteinander zu verbindenden thermoplastischen Kunststoffteile aus gegebenenfalls faserverstärktem Polyamid durch Reibschweißen miteinander verbunden wurden. Mit Hilfe des Reibschweißens lassen sich zwar zwei thermoplastische Kunststoffteile in einem Schritt längs einer durch das Reibschweißen erzeugten und insbesondere endlosen, das heißt geschlossenen Schweißnaht miteinander verbinden, jedoch bringt das Reibschweißen auch einige Probleme mit sich: In der sogenannten Kaltreibphase, das heißt vor dem Aufschmelzen des Kunststoffs während des Reibschweißens, entsteht feinteiliger Abrieb, durch den die Kunststoffteile verschmutzt werden, und verschmutzte Baugruppen werden von den Fahrzeugherstellern nicht akzeptiert, insbesondere dann, wenn es sich um an Motoren zu montierende Baugruppen handelt. Ferner müssen für das Reibschweißen alle miteinander zu verbindenden Kunststoffteile nicht nur exakt positioniert, sondern in ihren Positionen auch so fest fixiert werden, dass keines der Kunststoffteile während des Reibschweißvorgangs aus seiner Position bewegt werden kann; dies kann, wie sich aus dem Folgenden noch ergeben wird, dann problematisch sein, wenn drei Kunststoffteile in einem Schritt durch Reibschweißen miteinander verbunden werden sollen, nämlich dann, wenn in der fertigen Baugruppe eines der drei Kunststoffteile zwischen den beiden anderen angeordnet ist, von denen das eine durch Reibschweißen sowohl mit dem anderen als auch mit dem dazwischen liegenden Kunststoffteil verbunden wurde. Schließlich erfordert das Reibschweißen einen linearen Verlauf der Fügeflächen, längs welcher die Kunststoffteile durch Reibschweißen miteinander verbunden werden sollen.
Vergleichbare Probleme ergeben sich auch bei Baugruppen der eingangs erwähnten Art, bei denen mindestens eines von zwei durch Reibschweißen miteinander verbundenen thermoplastischen Kunststoffteilen aus Gründen der Material- und Gewichtseinsparung ein Schaumkunststoffteil ist. In diesem Fall kommt noch hinzu, dass in der Kaltreibphase die Wände von Gasbläschen des Schaumkunststoffs, welche den durch das Schweißen miteinander zu verbindenden Fügeflächen der beiden Kunststoffteile sehr nahe liegen, zerstört werden können und dann gleichfalls einen feinteiligen Abrieb bilden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe der eingangs definierten Art mit einer Schweißnaht bzw. Schweißnähten besserer Qualität, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu entwickeln.
Diese Aufgabe lässt sich für eine Baugruppe der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass mindestens ein erstes der miteinander verschweißten Kunststoffteile als Schaumkunststoffteil ausgebildet ist, dessen Gasbläschen mit einem gegenüber dem geschmolzenen Kunststoff dieses Kunststoffteils vorzugsweise inerten Gas gefüllt sind, und dass mindestens eines der miteinander verschweißten Kunststoffteile, vorzugsweise das Schaumkunststoffteil (und insbesondere beide Kunststoffteile), längs einer Schweißnaht mittels eines heißen Gases aufgeschmolzen wurde bzw. wurden, ein Umstand, welcher sich an der Struktur der Schweißnaht bzw. der durch Schweißen miteinander verbundenen Fügeflächen der Kunststoffteile erkennen lässt.
Das sogenannte Heißgas-Schweißen ist für das Verbinden thermoplastischer Kunststoffteile an sich bekannt (siehe z. B. die DE-100 19 300-B4 und die EP-1 415 789-B1 ). Dabei wird ein heißes Gas, welches gegenüber der Kunststoffschmelze inert ist, aus einer oder mehreren Düsen auf gegen der zu erzeugenden Schweißnaht entsprechende Bereiche der miteinander zu verschweißenden Kunststoffteile gerichtet und dadurch in diesen Bereichen der Kunststoff aufgeschmolzen, worauf die Kunststoffteile zur Bildung der Schweißnaht gegeneinander gepresst werden.
Der Erfolg des Heißgas-Schweißens bei einer erfindungsgemäß gestalteten Baugruppe ist jedoch überraschend, weil zunächst zu vermuten war, dass das in Fügeflächen-nahen Gasbläschen enthaltene Gas zu Einbußen in der Qualität der Schweißverbindung führt und dass die Erhitzung der Gasbläschen im Zuge des Reibschweißen zum Abplatzen von Wandbereichen solcher Gasbläschen führt, welche den miteinander zu verschweißenden Fügeflächen der Kunst stoffteile sehr nahe liegen, und dass diese abgeplatzten Wandbereiche die Qualität der Schweißverbindung beeinträchtigen. Dies ist aber überraschenderweise nicht der Fall, was derzeit dadurch erklärt wird, dass im Zuge des Reibschweißens schon in der Kaltreibphase, spätestens aber bei der dann eintretenden Erhitzung die Fügeflächen-nahen Gasbläschen zerstört werden und das Gas dann entweicht, und dass in der Kaltreibphase gebildete Wandpartikel der zerstörten Gasbläschen im Zuge des Aufschmelzens des Kunststoffs der Kunststoffteile in der Kunststoffschmelze aufgehen, so dass sich auch eine gasdichte Schweißnaht herstellen lässt.
Weil die Gasbläschen des Schaumkunststoffteils mit einem gegenüber dem geschmolzenen Kunststoff inerten Gas, wie zum Beispiel CO₂ oder Stickstoff, gefüllt sind, und weil sich für das Heißgas-Schweißen ein ebenso inertes Gas verwenden lässt, führt die Erfindung auch nicht zu einer Beeinträchtigung der Qualität der Schweißnaht durch Oxidationsprodukte oder andere Reaktionsprodukte des aufgeschmolzenen Kunststoffs.
Außerdem führt die Erfindung zu einer Baugruppe geringeren Gewichts und zu einem geringeren Bedarf an für die Herstellung der Baugruppe erforderlichem Kunststoff.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Baugruppe haben die Gasbläschen eine Zellengröße (Durchmesser) von maximal ungefähr 150 μm, und insbesondere liegt die Zellengröße zumindest nahezu aller Gasbläschen in einem Bereich von ungefähr 5 μm bis ungefähr 100 μm (was sich beim heutigen Stand des im Folgenden noch zu erläuternden sogenannten physikalischen Schäumens von Kunststoffen ohne Weiteres bewerkstelligen lässt).
Da vor allem bei Fahrzeug-Modulen erhebliche Anforderungen an die Steifigkeit und Festigkeit der Kunststoffteile gestellt werden, wird für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Baugruppe empfohlen, mindestens eines der Kunststoffteile als faserverstärktes Teil zu gestalten. Damit die Verstärkungsfasern eine möglichst große Homogenität des Schaumkunststoffteils bzw. der Schaumkunststoffteile und der Größe sowie der Verteilung der Gasbläschen erlauben, aber auch das im Folgenden noch zu beschreibende physikalische Schäumen, werden Verstärkungsfasern empfohlen, deren Länge im Mittel einige Zehntel Millimeter beträgt.
Mikrozelluläre Schaumkunststoffe lassen sich durch chemisches oder physikalisches Schäumen einer Polymerschmelze herstellen. Für die vorliegende Erfindung wird jedoch das physikalische Schäumen bevorzugt, und zwar insbesondere in einer Ausführungsform, welche unter der Bezeichnung MuCell bekannt geworden ist (bei dem Begriff MuCell handelt es sich um eine Marke der Firma Trexel Inc., Woburn, Massachusetts, USA). Bei dem MuCell-Verfahren wird in einem Mischschneckenextruder das zu schäumende thermoplastische Material plastifiziert und in der Schmelze ein ”Gas” in Form einer dem Extruder unter hohem Druck zugeführten superkritischen Flüssigkeit fein dispergiert; dabei löst sich das ”Gas”, dessen Temperatur über seiner kritischen Temperatur liegt und das als superkritische Flüssigkeit vorliegt, in der Kunststoffschmelze. Wird diese dann in die Spritzgussform eingespritzt, tritt das Gas infolge des beim Einspritzen erfolgenden Druckabfalls aus der Polymerschmelze heraus und bildet in der Kunststoffschmelze eine weitgehend homogene Schaumstruktur mit sehr kleinen Poren (Gasbläschen), deren Zellengröße im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 150 μm liegt. Durch die Expansionskraft des Gases wird die Kunststoffschmelze während des Abkühlprozesses auch unter ausreichend hohem Druck gegen die Wand des Spritzgusswerkzeuges gedrückt, damit das fertige Kunststoffteil die Werkzeugwand gut abbildet – die Expansionskraft des Gases wirkt auch zumindest nahezu gleichmäßig in allen Bereichen des Formhohlraums des Spritzgusswerkzeugs.
Das MuCell-Verfahren wird zum Beispiel in der WO 92/17533 beschrieben, und die WO 02/26482 beschreibt das MuCell-Verfahren im Zusammenhang mit der Herstellung faserverstärkter Kunststoffteile.
Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Baugruppe zeichnet sich also dadurch aus, dass mindestens eines der miteinander zu verschweißenden Kunststoffteile ein durch Spritzgießen und gleichzeitiges physikalisches Schäumen einer Kunststoffschmelze erzeugtes Spritzgussteil ist. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass sich das physikalische Schäumen zum Beispiel an der Homogenität der Schaumstruktur sowie der Art des in den Poren des Schaumkunststoffs enthaltenen Gases nachweisen lässt.
Im MuCell-Verfahren hergestellte Kunststoffteile erfindungsgemäßer Baugruppen zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie zumindest nahezu keine sogenannten Einfallstellen aufweisen, welche dadurch entstehen, dass beim Abkühlen der Kunststoffschmelze im Spritzgusswerkzeug sich der Kunststoff von der Wand des Formhohlraums des Spritzgusswerkzeugs zurückzieht; außerdem weisen diese Kunststoffteile keine nennenswerten Verzöge auf, welche sonst bei spritzgegossenen Kunststoffteilen zu beobachten sind und das Erzeugen qualitativ guter Schweißverbindungen zumindest erschweren. Diese Vorteile sind nicht nur auf die vorstehend erwähnte Expansionskraft des Gases zurückzuführen, sondern auch darauf, dass durch das in der Kunststoffschmelze als superkritisches Fluid gelöste Gas die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze außerordentlich verbessert wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Baugruppe, bei denen es sich insbesondere um Ventilhauben für Hubkolben-Verbrennungsmotoren handelt, weisen drei längs Fügeflächen miteinander verschweißte thermoplastische Kunststoffteile auf, wobei zwischen einem ersten und einem zweiten Außenteil ein Zwischenteil angeordnet ist, welches auf dem ersten Außenteil aufliegt und von dem ein Randbereich, insbesondere dessen Umfangsrandbereich, mit einer dem zweiten Außenteil zugewandten ersten Fügefläche an eine zweite Fügefläche des zweiten Außenteils angrenzt, und wobei ferner eine am ersten Außenteil vorgesehene und dem zweiten Außenteil zugewandte dritte Fügefläche an eine vierte Fügefläche des zweiten Außenteils angrenzt. In einer Draufsicht auf bevorzugte Ausführungsformen der Baugruppe umschließen die dritte sowie die vierte Fügefläche die erste sowie die zweite Fügefläche.
Wurden die Kunststoffteile über die ganzen Fügeflächen aufgeschmolzen, so sind die Fügeflächen in der fertigen Baugruppe natürlich nicht mehr als Grenzflächen erkennbar.
Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Baugruppe mit zwei Außenteilen und einem Zwischenteil lässt sich besonders kostensparend herstellen, weil nach dem Auflegen des Zwischenteils auf das erste Außenteil sich die beiden Schweißnähte, längs der die erste und die zweite Fügefläche bzw. die dritte und die vierte Fügefläche miteinander verbunden sind, gleichzeitig durch Heißgas-Schweißen herstellen lassen, indem nach dem Aufschmelzen des Kunststoffs in den Bereichen der beiden zu erzeugenden Schweißnähte das zweite Außenteil mit seinen Fügeflächen sofort gegen die Fügeflächen des Zwischenteils und des ersten Außenteils angepresst wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Baugruppe sind die beiden Außenteile längs einer in der dritten und vierten Fügefläche liegenden endlosen Schweißnaht gasdicht miteinander verbunden, was sich dadurch bewerkstelligen lässt, dass die beiden Außenteile in der dritten und vierten Fügefläche durch das Heißgas aufgeschmolzen und dann sofort gegeneinander gepresst werden. Je nach Konstruktion und Verwendungszweck der erfindungsgemäßen Baugruppe können aber auch alternativ oder zusätzlich das Zwischenteil und das zweite Außenteil längs einer in der ersten und zweiten Fügefläche liegenden endlosen Schweißnaht gasdicht miteinander verbunden sein. Dies ist besonders dann empfehlenswert, wenn das zweite Außenteil zusammen mit dem Zwischenteil mindestens einen Hohlraum bildet, welcher im Betrieb der Baugruppe gasdicht sein soll. Umschließen die beiden Außenteile gemeinsam mindestens einen Hohlraum, welcher im Betrieb der Baugruppe gasdicht sein soll, liegt dieser bei bevorzugten Ausführungsformen in einer Draufsicht auf die Baugruppe innerhalb der dritten und vierten Fügefläche. Bilden erstes Außenteil und Zwischenteil zusammen mindestens einen von diesen beiden Teilen umschlossenen Hohlraum, welcher im Betrieb der Baugruppe gasdicht sein soll, werden Ausführungsformen bevorzugt, bei denen die Peripherie des Zwischenteils diesem Hohlraum benachbart ist und in einer Draufsicht auf die Baugruppe die dritte und vierte Fügefläche zwischen einer Peripherie mindestens eines der Außenteil und der ersten sowie der zweiten Fügefläche angeordnet sind.
Vor allem dann, wenn die Kunststoffteile als Bestandteile einer Ventilhaube für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor gestaltet sind, ist das Zwischenteil ungefähr plattenartig und deshalb besonders einfach gestaltet; ferner empfiehlt es sich dann, das erste Außenteil als schalenartiges Unterteil und das zweite Außenteil als ungefähr haubenartiges Oberteil der Ventilhaube auszubilden.
Im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Vorteile der Verwendung eines Schaumkunststoffs sowie des Anwendens des Heißgas-Schweißens werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Baugruppe bevorzugt, bei denen zwei miteinander verschweißte Kunststoffteile Schaumkunststoffteile sind. Bei einer Baugruppe mit zwei Außenteilen und einem Zwischenteil handelt es sich vorteilhafterweise bei den beiden Außenteilen um Schaumkunststoffteile, da sich dadurch der Materialeinsatz und das Gesamtgewicht der Baugruppe optimieren lassen. Da das Zwischenteil im Allgemeinen ein geringeres Volumen haben wird, wird hingegen empfohlen, dieses als ungeschäumtes Kunststoffteil zu gestalten, weil es sich dann mit einem geringeren Verfahrensaufwand herstellen lässt als ein geschäumtes Zwischenteil.
Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe aus mindestens zwei längs mindestens einer Schweißnaht miteinander verschweißten thermoplastischen Kunststoffteilen, wobei erfindungsgemäß mindestens ein erstes der Kunststoffteile durch Spritzgießen und gleichzeitiges physikalisches Schäumen einer Kunststoffschmelze erzeugt wird und wobei an mindestens einem der Kunststoffteile, vorzugsweise an beiden Kunststoffteilen, in einem bzw. in den der zu erzeugenden Schweißnaht entsprechenden Bereich bzw. Bereichen der Kunststoff durch wenigstens einen Strahl eines heißen inerten Gases aufgeschmolzen wird, worauf die Kunststoffteile zur Bildung der Schweißnaht gegeneinander gepresst werden.
Beim Heißgas-Schweißen könnte der Heißgas-Strahl mittels einer Schlitzdüse erzeugt werden, wenn die Schlitzform der Kontur der zu erzeugenden Schweißnaht angepasst ist. Bevorzugt werden jedoch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen der der zu erzeugenden Schweißnaht entsprechende und aufzuschmelzende Bereich des Kunststoffteils mittels einer Gruppe von feinen Heißgasdüsen erhitzt wird, welche entsprechend der Form der Schweißnaht angeordnet sind. Dies wird vor allem dann bevorzugt, wenn die zu erzeugende Schweißnaht nicht in einer Ebene verläuft, da dann die Länge der insbesondere Hohlnadel-artigen Heißgasdüsen dem räumlichen Verlauf der zu erzeugenden Schweißnaht ohne weiteres angepasst werden kann.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass sich im MuCell-Verfahren hergestellte Kunststoffteile für das Heißgas-Schweißen besonders gut eignen, weil diese Kunststoffteile zumindest nahezu keine Verzöge aufweisen, so dass die Austrittsöffnung der Heißgasdüse bzw. die Austrittsöffnungen der Heißgasdüsen in einer Serienfertigung mit hoher Wiederholgenauigkeit in einem vorgegebenen kleinen Abstand von den aufzuschmelzenden Bereichen des Kunststoffteils bzw. der Kunststoffteile positioniert werden kann bzw. können, was für die Qualität der zu erzeugenden Schweißnaht von großer Bedeutung ist.
Ein Heißgas-Düsen aufweisendes Werkzeug lässt sich auch ohne wesentlichen Mehraufwand so gestalten, dass sich mit ihm an beiden miteinander zu verschweißenden Kunststoffteilen in der zu erzeugenden Schweißnaht entsprechenden Bereichen der Kunststoff überall gleichzeitig aufschmelzen lässt; hierzu bedarf es nur eines Werkzeugs, welches mehrere Heißgasdüsengruppen aufweist, mit denen sich die der zu erzeugenden Schweißnaht entsprechenden Bereiche der beiden Kunststoffteile gleichzeitig erhitzen lassen.
Bei einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit zwei Außenteilen und einem Zwischenteil, wie sie vorstehend beschrieben wurde, lässt sich das Herstellverfahren noch dadurch vereinfachen und mit hoher Wiederholgenauigkeit durchführen, dass das Zwischenteil am ersten Außenteil mechanisch vorfixiert wird, insbesondere mittels einer Clips-Verbindung, ehe das Zwischenteil mit dem zweiten Außenteil bzw. das zweite Außenteil mit dem ersten Außenteil und dem Zwischenteil verschweißt wird. Auf diese Weise lässt sich einfach gewährleisten, dass das Zwischenteil sowohl beim Aufschmelzen des Kunststoffs, als auch bei der Herstellung der Schweißnaht bzw. der Schweißnähte eine gewünschte Position am ersten Außenteil und damit gegenüber den beiden Außenteilen der fertigen Baugruppe einnimmt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung sowie der nachfolgenden Beschreibung einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe und des Verfahrens sowie eines Schweißwerkzeugs zu ihrer Herstellung; in der Zeichnung zeigen:
1 eine isometrische Darstellung dreier Hauptteile einer als Ventilhaube gestalteten erfindungsgemäßen Baugruppe, nämlich eines schalenartigen Unterteils, eines plattenartigen Zwischenteils und eines haubenartigen Oberteils, vor dem Zusammenfügen dieser drei Teile;
2 eine Frontansicht des Zwischenteils;
3 einen vertikalen Längsschnitt durch den gemäß 1 rechten Bereich der Ventilhaube gemäß der Linie 3-3 in 1;
4A und 4B den in 3 mit C bezeichneten Ausschnitt in größerem Maßstab, und zwar vor dem Zusammenfügen des Oberteils, des Zwischenteils und des Unterteils (4A) und nach dem Zusammenfügen der drei Teile (4B);
5 einen vertikalen Schnitt durch periphere Randbereiche der zusammengefügten drei Teile zur Darstellung der Clips-Verbindung zwischen dem Unterteil und dem Zwischenteil;
6 eine perspektivische Darstellung eines Werkzeugs zum Heißgas-Schweißen zwecks Verbindung des Oberteils mit dem Unterteil und dem Zwischenteil, und
7 eine Seitenansicht dieses Werkzeugs gemäß 6 von links gesehen.
Die 1 zeigt ein haubenartiges Oberteil 10, ein plattenartiges Zwischenteil 12 und ein schalenartiges Unterteil 14 einer Ventilhaube für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor. Bei allen drei Teilen handelt es sich um Kunststoffteile aus einem Polyamid, wobei es sich bei dem Oberteil 10 und dem Unterteil 14 erfindungsgemäß um im MuCell-Verfahren hergestellte Spritzguss-Schaumkunststoffteile handeln soll, beim Zwischenteil 12 jedoch um ein ungeschäumtes Kunststoffteil. Ferner sind erfindungsgemäß insbesondere das Oberteil 10 und das Unterteil 14 faserverstärkte Kunststoffteile, wobei die Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, im Mittel einige Zehntel Millimeter lang sein sollen.
In die erfindungsgemäße Ventilhaube ist, wie später noch etwas näher erläutert werden soll, eine Vorrichtung zum Abscheiden von Motoröltröpfchen aus einem Gasstrom integriert, welcher aus dem Kurbelgehäuse des Motors in dessen Ansaugtrakt zurückgeführt wird; deshalb weist die Ventilhaube einen Ölabscheidebereich 16 auf; ferner bildet die Ventilhaube erfindungsgemäß einen Unterdruckspeicherbereich 18, wobei der Vollständigkeit halber erwähnt sei, dass an der Bildung des Ölabscheidebereichs 16 sowohl das Oberteil 10, als auch das Zwischenteil 12 und das Unterteil 14 beteiligt sind (zusammen mit weiteren, im Folgenden noch zu erwähnenden Bauteilen), während der Unterdruckspeicherbereich 18 nur vom Oberteil 10 und dem Unterteil 14 gebildet wird.
Das Unterteil 14 ist mit Schraubenlöchern 20 versehen, um die Ventilhaube am Zylinderkopf des Motors montieren zu können (unter Zwischenschaltung einer Dichtung).
In die Oberseite des Unterteils 14 ist eine rahmenförmige, ebene und horizontal verlaufende Auflage 22 für das Zwischenteil 12 eingeformt, deren Verlauf (in einer Draufsicht auf das Unterteil 14) an die Kontur der Peripherie des Zwischenteils 12 angepasst ist und die der Abstützung des auf das Unterteil 14 aufgelegten Zwischenteils 12 dient.
In gleicher Weise ist in die Oberseite des Unterteils 14 eine rahmenförmige und horizontal verlaufende Auflage 24 für das Oberteil 10 eingeformt. Bezüglich der Gestaltung der beiden Auflagen 22 und 24 wird auf die im Folgenden noch zu beschreibenden 4A und 4B verwiesen.
Die 3 lässt die erfindungsgemäße Gestaltung des Ölabscheidebereichs 16 noch deutlicher erkennen, wobei die 3 auch erfindungsgemäße Bauteile der Ventilhaube zeigt, welche in 1 nicht dargestellt sind. Die 3 zeigt den Ölabscheidebereich 16 der Ventilhaube in einem vertikalen Schnitt.
Im Ölabscheidebereich 16 sind in das insgesamt schalenartige Unterteil 14 zwei Ölauffangwannen 30 und 32 eingeformt, in welche aus dem vorstehend beschriebenen Gasstrom abgeschiedenes Motoröl abfließt, und zwar durch Ölablauföffnungen 34 und 36 des Zwischenteils 12 (siehe auch 1). Um das abgeschiedene Motoröl in den Motoröl-Kreislauf des Motors zurückführen zu können, weisen die Ölauffangwannen 30 und 32 in ihren Böden Ablauföffnungen 38 und 40 auf.
Ehe auf die der Abscheidung von Öltröpfchen aus dem genannten Gasstrom dienenden Bauteile der erfindungsgemäßen Ventilhaube eingegangen wird, soll zunächst anhand der 3, 4A und 4B beschrieben werden, wie das Oberteil 10, das Zwischenteil 12 und das Unterteil 14 zusammengefügt und miteinander verschweißt sind.
Der in 3 mit C bezeichnete und in den 4A und 4B in größerem Maßstab dargestellte Ausschnitt lässt die Auflage 22 des Unterteils 14 für einen Umfangsrandbereich 42 des Zwischenteils 12 erkennen; auf diese Auflage 22 wird das Zwischenteil 12 lagerichtig aufgelegt und durch später noch zu beschreibende Mittel am Unterteil 14 mechanisch fixiert. Außerhalb (in Richtung auf die Peripherie der Ventilhaube) des Umfangsrandbereichs 42 des Zwischenteils 12 weisen das Unterteil 14 und das Oberteil 10 vor dem Verschweißen der beiden Teile miteinander in Umfangsrichtung der Ventilhaube verlaufende und aufeinanderzu ausgerichtete Rippen 44 und 46 auf, an denen die beiden Außenteile miteinander verschweißt werden. Ferner weist der Umfangsrandbereich 42 des Zwischenteils 12 an seiner Oberseite gleichfalls eine sich entlang der Peripherie des Zwischenteils 12 erstreckende Rippe 48 auf, in deren Bereich das Oberteil 10 und das Zwischenteil 12 miteinander verschweißt werden; am Oberteil 10 kann aber auch noch eine der Rippe 48 entsprechende und auf diese zu ausgerichtete, in den Zeichnungen nicht dargestellte Rippe vorgesehen sein, so dass das Außenteil 10 und das Zwischenteil 12 an diesen beiden Rippen miteinander verschweißt werden können.
In den 4A und 4B sind die vier Fügeflächen, in denen das Oberteil 10 mit dem Unterteil 14 und das Zwischenteil 12 mit dem Oberteil 10 verschweißt werden bzw. sind, mit 50, 52, 54 und 56 bezeichnet. Eine erste Fügefläche 50 wird von der Oberseite der Rippe 48 gebildet, sie liegt einer zweiten Fügefläche 52 an der Unterseite des Oberteils 10 gegenüber. Eine dritte Fügefläche wird von der Oberseite der Rippe 44 gebildet; sie liegt einer vierten Fügefläche 56 gegenüber, welche von der Unterseite der Rippe 46 gebildet wird. In den gegebenenfalls dann nicht mehr vorhandenen Grenz- oder Fügeflächen 50 und 52 liegt dann nach dem Verschweißen des Oberteils 10 mit dem Zwischenteil 12 eine erste Schweißnaht, und in den Fügeflächen 54 und 56 liegt nach dem Verschweißen des Oberteils 10 mit dem Unterteil 14 eine zweite Schweißnaht.
Vor dem Verschweißen der drei Teile 10, 12 und 14 miteinander weisen die Rippen 44, 46 und 48 sowie die gegebenenfalls am Oberteil 10 vorhandene, der Rippe 48 gegenüberliegende und vorstehend beschriebene Rippe in gemäß 4A vertikaler Richtung erfindungsgemäß ein gewisses Übermaß auf (gegenüber dem in 4B gezeigten Zustand nach dem Verschweißen der drei Teile miteinander), damit beim Heißgas-Schweißen nach dem Aufschmelzen des Kunststoffs in den Bereichen der vier Fügeflächen die drei Teile 10, 12 und 14 so gegeneinander gepresst werden können, dass sie in den in 4B dargestellten Positionen relativ zueinander verbunden sind.
Der wesentliche Vorteil der in den 4A und 4B dargestellten Anordnung der vier Fügeflächen ist darin zu sehen, dass nach dem Auflegen und Vorfixieren des Zwischenteils 12 auf das und an dem Unterteil 14 der Kunststoff der drei Teile in den Bereichen der vier Fügeflächen gleichzeitig und in einem Schritt aufgeschmolzen werden kann, worauf dann das Oberteil 10 gegen das Zwischenteil 12 und das Unterteil 14 gepresst und so in einem einzigen Schritt sowohl mit dem Zwischenteil 12 als auch mit dem Unterteil 14 über Schweißverbindungen verbunden wird.
Der vorstehend beschriebene Gasstrom, in dem feine und feinste Öltröpfchen dispergiert sind und aus dem dieser Ölnebel in der erfindungsgemäßen Ventilhaube abgeschieden werden soll, tritt durch eine in den 1 und 2 dargestellte Einströmöffnung 60 im Boden des Unterteils 14 von unten in die Ventilhaube ein und strömt dann über eine Durchlassöffnung 62 (siehe gleichfalls die 1) von unten in den Ölabscheidebereich 16 des Oberteils 10, was in 3 mit dem Pfeil F angedeutet wurde. Damit der zu behandelnde Gasstrom nicht mit schon abgeschiedenem und in der Ölauffangwanne 30 befindlichem Öl in Berührung kommt, ist das Unterteil 14 mit einer Trennwand 63 versehen. Im weiteren Verlauf durchströmt der Gasstrom Düsenöffnungen 64 einer Wand 66, welche den vom Ölabscheidebereich 16 des Oberteils 10 und dem Zwischenteil 12 gebildeten Hohlraum der Ventilhaube in zwei Kammern A und B (siehe 3) unterteilt. Die von den Düsenöffnungen 64 erzeugten Gasstrahlen treffen dann auf eine als Ganzes mit 68 bezeichnete Prallwand, welche sich vom Oberteil 10 nach unten in die Kammer A hineinerstreckt und an der die Gasströmung nach unten umgelenkt wird, so dass sie einen Spalt zwischen der Prallwand 68 und dem Zwischenteil 12 durchströmt, so wie dies in 3 mit dem Pfeil F' angedeutet wurde. Anschließend trifft die Gasströmung auf eine Prallplatte 70, welche sich vom Zwischenteil 12 nach oben in die Kammer A hineinerstreckt und durch welche die Gasströmung nach oben umgelenkt wird, so dass sie über die Prallplatte 70 hinwegströmt, so wie dies in 3 durch den Pfeil F'' angedeutet wurde. Der Gasstrom verlässt dann die Kammer A durch eine in den Zeichnungen nicht dargestellte Öffnung im Ölabscheidebereich 16 des Oberteils 10.
An der Anströmseite der Wand 66 in der Kammer B abgeschiedene Öltröpfchen fließen an der Anströmseite der Wand 66 nach unten, und dieses abgeschiedene Öl fließt über die Ablauföffnung 34 in die Ölauffangwanne 30. An der Anströmseite der Prallwand 68 sowie gegebenenfalls an der Anströmseite der Prallplatte 70 in der Kammer A abgeschiedene Öltröpfchen tropfen bzw. fließen gleichfalls nach unten und gelangen dabei auf das Zwischenteil 12; dort anfallendes Öl fließt dann über die Ablauföffnung 36 in die Ölauffangwanne 32 ab. Die Prallplatte 70 dient aber hauptsächlich dem Zweck, durch die Prallwand 68 abgeschiedenes und auf den vom Zwischenteil 12 gebildeten Boden der Kammer gelangtes Öl daran zu hindern, vom Gasstrom mitgerissen zu werden, sondern es über die Ablauföffnung 36 ablaufen zu lassen.
Anhand der 2 und 5 soll nun erläutert werden, wie das Zwischenteil 12 am Unterteil 14 vorfixiert wird, damit es beim Verschweißen des Oberteils 10 mit dem Zwischenteil 12 und dem Unterteil 14 lagerichtig auf dem Unterteil 14 positioniert ist. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die 5 eine etwas anders gestaltete Peripherie des Zwischenteils 12 zeigt als die 3, 4A und 4B.
Nahe dem Umfangsrandbereich 42' des Zwischenteils 12 sind an dessen Unterseite zungenartige erste Rastelemente 74 angeformt, und zwar weist das Zwischenteil 12 längs seiner Peripherie mehrere solche im Abstand voneinander angeordnete Rastelemente 74 auf, deren untere freie Enden sich aus der in 5 gezeigten Position elastisch nach links (gemäß 5) auslenken lassen. An die Innenseite der Wand des Unterteils 14 sind wie Rastnasen gestaltete zweite Rastelemente 76 angeformt, und zwar in Positionen, welche den Positionen der Rastelemente 74 entsprechen, wenn das Zwischenteil 12 auf das Unterteil 14 aufgelegt ist. Da die Rastelemente 74 und 76 mit schrägen Aufgleitflächen versehen sind, rasten die Rastelemente 74 unter den Rastelementen 76 ein, wenn man das Zwischenteil 12 von oben auf das Unterteil 14 auflegt und nach unten drückt, so dass sich die vorstehend beschriebene Rast- oder Clips-Verbindung zwischen dem Zwischenteil 12 und dem Unterteil 14 ergibt.
Anhand der 6 und 7 wird im Folgenden noch der grundsätzliche erfindungsgemäße Aufbau eines Werkzeugs zum Heißgas-Schweißen erläutert, mit dem sich in den miteinander zu verschweißenden Bereichen (Fügeflächen) des Oberteils 10, des Zwischenteils 12 und des Unterteils 14 der erfindungsgemäßen Ventilhaube der Kunststoff in einem Schritt und überall gleichzeitig aufschmelzen lässt, worauf das Oberteil 10 sofort gegen das Zwischenteil 12 und das Unterteil 14 angepresst und so mit diesen beiden Teilen verschweißt wird.
Das in den 6 und 7 dargestellte und als Ganzes mit 100 bezeichnete Werkzeug hat mehrere Druckgas-Anschlüsse 102 für die Zuführung eines gegenüber der Kunststoffschmelze inerten und unter Druck stehenden Gases, bei dem es sich insbesondere um Stickstoff handelt. Das Druckgas strömt in nicht dargestellter Weise in einen Wärmetauscher 104, der mindestens ein nicht dargestelltes elektrisches Heizelement enthält, mit dem das Druckgas beim Durchströmen des Wärmetauschers 104 erhitzt wird. An der Oberseite und der Unterseite des Wärmetauschers 104 befindet sich jeweils eine Düsenplatte 106 bzw. 108; die Düsenplatte 106 ist mit einer ersten Gruppe 110 von feinen, hohlnadelartigen Heißgasdüsen 112 versehen, die sich von der Düsen platte 106 vertikal nach oben erstrecken und an ihren oberen Enden feine Austrittsöffnungen für das Heißgas aufweisen. In gleicher Weise ist die Düsenplatte 108 mit einer zweiten Gruppe 114 von feinen, hohlnadelartigen Heißgasdüsen 116 versehen, die sich von der Düsenplatte 108 vertikal nach unten erstrecken und an ihren unteren Enden feine Austrittsöffnungen für das Heißgas aufweisen. Die Heißgasdüsen werden aus dem Wärmetauscher 104 mit Heißgas gespeist.
Was der Einfachheit halber in den 6 und 7 nicht oder nur teilweise dargestellt wurde, sind die folgenden Merkmale des erfindungsgemäßen Werkzeugs:
Nachdem die ersten und zweiten Fügeflächen 50, 52 in einer anderen horizontalen Ebene liegen als die dritten und vierten Fügeflächen 54, 56, weist sowohl die ersten Düsengruppe 110, als auch die zweite Düsengruppe 114 jeweils zwei Untergruppen von Heißgasdüsen 112 bzw. 116 auf, wobei die Heißgasdüsen der einen Untergruppe länger als diejenigen der anderen Untergruppe sind bzw. die Düsenöffnungen der einen Untergruppe in einer anderen, gemäß 7 horizontalen Ebene liegen als die Düsenöffnungen der anderen Untergruppe. Ferner sind erfindungsgemäß die Düsenöffnungen der einen Untergruppe der Gruppe 110 längs einer ersten Kurvenbahn angeordnet, die Düsenöffnungen der anderen Untergruppe der Gruppe 110 längs einer zweiten Kurvenbahn, die Düsenöffnungen der einen Untergruppe der Gruppe 114 längs einer dritten Kurvenbahn und die Düsenöffnungen der anderen Untergruppe der Gruppe 114 längs einer vierten Kurvenbahn, wobei der Verlauf der ersten Kurvenbahn dem Verlauf der zweiten Fügefläche 52, der Verlauf der zweiten Kurvenbahn dem Verlauf der vierten Fügefläche 56, der Verlauf der dritten Kurvenbahn dem Verlauf der ersten Fügefläche 50 und der Verlauf der vierten Kurvenbahn dem Verlauf der dritten Fügefläche 54 entspricht. Ferner liegen die Düsenöffnungen der Heißgasdüsen der vier Untergruppen in solchen Ebenen, dass sich das Werkzeug 100 bei vom Unterteil 14 und dem Zwischenteil 12 abgehobenem Oberteil 10 zwischen letzteres und das Unterteil 14 samt Zwischenteil 12 so einschieben und positionieren lässt, dass die Düsenöffnungen der verschiedenen Heißgasdüsen-Untergruppen von den den Untergruppen zugeordneten Fügeflächen alle denselben geringen Abstand aufweisen, welcher vorzugsweise in der Größenordung von 2 mm liegt. In diesem Zusammenhang wirkt es sich positiv aus, dass erfindungsgemäß nach dem MuCell-Verfahren hergestellte Ober- und Unterteile 10 bzw. 14 zumindest keine nennenswerten Verzöge aufweisen, so dass die zweite, dritte und vierte Fügefläche 52 bzw. 54 bzw. 56 eben sind und in gemäß der 4B horizontalen Ebenen verlaufen.
Erfindungsgemäß haben die Düsenöffnungen der Heißgasdüsen 112, 116 Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm, und für miteinander zu verschweißende Teile wird vorzugsweise ein Polyamid verwendet, dessen Schmelztemperatur bei ca. 270°C liegt; dann wird das zum Heißgas-Schweißen verwendete Werkzeug so betrieben, dass die Temperatur des die Heißgasdüsen verlassenden Gases in einem Bereich von ca. 350°C bis ca. 400°C liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10019300 B4 [0007]
- EP 1415789 B1 [0007]
- WO 92/17533 [0014]
- WO 02/26482 [0014]

Claims

Baugruppe aus mindestens zwei längs mindestens einer Schweißnaht miteinander verschweißten thermoplastischen Kunststoffteilen, von denen mindestens ein erstes Kunststoffteil längs einer Schweißnaht mittels eines heißen Gases aufgeschmolzen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das erste Kunststoffteil ein Schaumkunststoffteil mit Gasbläschen ist, welche mit einem gegenüber dem geschmolzenen Kunststoff des ersten Kunststoffteils inerten Gas gefüllt sind.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasbläschen eine Zellengröße von maximal ungefähr 150 μm aufweisen.
Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasbläschen eine Zellengröße im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 100 μm aufweisen.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Kunststoffteile ein faserverstärktes Teil ist.
Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern im Mittel einige Zehntel Millimeter lang sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem der Kunststoffteile der thermoplastische Kunststoff ein Polyamid ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das erste Kunststoffteil ein durch Spritzgießen und gleichzeitiges physikalisches Schäumen einer Kunststoffschmelze erzeugtes Spritzgussteil ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche drei längs Fügeflächen miteinander verschweißte thermoplastische Kunststoffteile aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten und einem zweiten Außenteil ein Zwischenteil angeordnet ist, welches auf dem ersten Außenteil aufliegt und dessen Umfangsrandbereich mit einer dem zweiten Außenteil zugewandten ersten Fügefläche an eine zweite Fügefläche des zweiten Außenteils angrenzt, dass eine am ersten Außenteil vorgesehene und dem zweiten Außenteil zugewandte dritte Fügefläche an eine vierte Fügefläche des zweiten Außenteils angrenzt, und dass in einer Draufsicht auf die Baugruppe die dritte sowie die vierte Fügefläche die erste sowie die zweite Fügefläche umschließen.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste sowie die zweite Fügefläche in einer ersten Ebene und die zweite sowie die dritte Fügefläche in einer zweiten Ebene liegen, welche gegenüber der ersten Ebene in Richtung senkrecht zu dieser Ebene versetzt ist.
Baugruppe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Außenteile längs einer in der dritten und vierten Fügefläche liegenden endlosen Schweißnaht gasdicht miteinander verbunden sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherie des Zwischenteils mindestens einem von dem ersten Außenteil zusammen mit dem Zwischenteil gebildeten Hohlraum benachbart ist und dass in einer Draufsicht auf die Baugruppe die dritte sowie die vierte Fügefläche zwischen einer Peripherie eines der Außenteile und der ersten sowie der zweiten Fügefläche angeordnet sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Außenteil zusammen mit dem Zwischenteil und/oder dem ersten Außenteil mindestens einen Hohlraum bildet, welcher in einer Draufsicht auf die Baugruppe innerhalb der dritten sowie der vierten Fügefläche liegt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteile als Bestandteile einer Ventilhaube für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor gestaltet sind.
Baugruppe nach den Ansprüchen 8 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenteil ungefähr plattenartig gestaltet ist und dass das erste Außenteil ein schalenartiges Unterteil und das zweite Außenteil ein ungefähr haubenartiges Oberteil der Ventilhaube bilden.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei miteinander verschweißte Kunststoffteile Schaumkunststoffteile sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass beide Außenteile Schaumkunststoffteile sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenteil ein ungeschäumtes Kunststoffteil ist.