DE102013221724A1

DE102013221724A1 - Verfahren zur Verbindung von thermoplastischen, lackierten Bauteilen sowie Kunststoff-Bauteil

Info

Publication number: DE102013221724A1
Application number: DE102013221724.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Götzelmann; Heiner Salzmann
Original assignee: Magna Exteriors GmbH
Current assignee: Magna Exteriors GmbH
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-10-26
Also published as: KR20150048049A; KR101818293B1; CN104669599A; US9821539B2; MX2014012966A; CN113580582A; MX366065B; DE102013221724B4; US20150118453A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verbindung von zwei thermoplastischen Kunststoff-Bauteilen vorgeschlagen, wobei deren gegenüberliegende Oberflächen durch Einbringen von Energie mindestens teilweise aufgeschmolzen werden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verbindung von zwei thermoplastischen Kunststoff-Bauteilen, wobei deren gegenüberliegende Oberflächen durch Einbringen von Energie mindestens teilweise aufgeschmolzen werden.
Weiterhin geht die Erfindung aus von einem mit dem Verfahren verbundenen Kunststoff-Bauteil.
Stand der Technik
Das Verschweißen von Bauteilen aus Polymermaterial ist lange Zeit bekannt. Es ermöglicht, komplexe zusammengesetzte Strukturen aus einzelnen Bauteilen aufzubauen. Das Verschweißen wird beispielsweise bei der Fertigung von Bauteilen für Kraftfahrzeuge angewandt. Dort werden großdimensionierte Bauteile, beispielsweise Stoßfängerverkleidungen aus Polymermaterial oder Kotflügel aus den jeweiligen flächigen, die Außenhaut bildenden Teilen und aus strukturellen Elementen, die beispielsweise zur Versteifung dienen, durch Verschweißen zusammengefügt. Die strukturellen Elemente dienen auch zur Formgebung, Versteifung und Befestigung der die Außenhaut bildenden Bauteile. Hierbei werden höchste Ansprüche hinsichtlich der Maßhaltigkeit und der Optik dieser Bauteile gestellt. Die Verschweißung erfolgt im allgemeinen mit sogenannten Schweißdomen, d. h. Laschen, die auf einem Teil angeordnet sind und die entsprechende Durchbrüche des zweiten Bauteils durchdringen und in diesem Zustand beispielsweise mittels Ultraschallschweißen bzw. Ultraschallnieten durch eine Formänderung im plastifizierten Zustand dieses nietend verbinden. Es gibt aber auch Schweißtechniken, wie das Vibrationsschweißen, das Rotationsschweißen, oder das Schweißen mittels Hitze- oder Strahlungseinwirkung, die hierbei ebenfalls angewandt werden. Aus der DE 202005013901 ist dabei ein Verfahren bekannt, das einzelne Stege verschweißt. Allerdings sind bei dem bekannten Schweißverfahren bisher immer Probleme aufgetreten, wenn lackierte Bauteile verbunden werden sollen.
Als Lösung für das Verbinden von Außenschalen, die zumindest teilweise eine Lackierung aufweisen mit Innenschalen wird im Stand der Technik das Verkleben gewählt, wobei aber meist noch eine Vorbehandlung der Bauteiloberfläche notwendig ist. Zusätzlich stellen Klebeverbindungen Schwächung in der Steifigkeit des Bauteils dar, da die Kleber nur eine geringe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen dürfen und die Verbindung an der Klebestelle dadurch mechanisch beeinträchtigt ist.
Die Verwendung von PP also Polypropylen oder auch Polypropen ist im Fahrzeugbau weit verbreitet. Gerade großflächige Strukturen wie Innenausstattungen von Fahrzeugen aber auch Heckklappen und Türen werden aus diesem Kunststoff hergestellt.
Um das PP zu schweißen, stehen mehrere Schweißverfahren zur Verfügung, beispielsweise das Heizelementschweißen, das Ultraschallschweißen oder das Laserschweißen. Prinzip dieser Schweißverfahren ist, dass die Schweißzone durch Energiezufuhr von außen zu plastifizieren, also in einen formbaren Zustand gebracht wird, wobei es sich um ein Verfahren in mehreren Stufen handelt, da die Erwärmung und das Verbinden nicht gleichzeitig stattfinden. Das Verfahren sieht vor, dass Heizelemente die Verbindungsstellen der Kunststoffteile so lange aufwärmen, bis diese die Schmelztemperatur erreichen. Anschließend werden die Verbindungsstellen aufeinander geschoben und bis zum vollständigen Erkalten zusammengepresst.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Verbindung von Bauteilen zu schaffen, wobei die Bauteile zumindest teilweise und auch im Verbindungsbereich auf der Rückseite lackiert sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Im Detail wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zur Verbindung von zwei thermoplastischen Kunststoffbauteilen, wobei deren gegenüberliegende Oberflächen durch Einbringen von Energie mindestens teilweise aufgeschmolzen werden. Dabei weisen mindestens eines der beiden Kunststoffbauteile mindestens teilweise eine flächige Lackierung auf, wobei die Verbindungsstellen und/oder Verbindungsflächen zumindest teilweise hinter einer lackierten Fläche liegen und nicht durchscheinen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass thermoplastischen Kunststoff verwendet werden kann, und lackierte Fläche in ihrer Optik nicht beeinträchtigt wird.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass Polypropylen als Material für die Kunststoffbauteile verwendet werden kann. Um eine präzise Schweißung zu erzeugen, werden Werkzeugteile der Werkzeugmaschine in einem ersten Verfahrensschritt kalibriert. Dazu werden sie aufeinander zugefahren und so die eingelegten Kunststoffbauteile optimal ausgerichtet. Für eine gute Schweißung von größeren Bauteilen ist es von Vorteil dass die Wärmevorrichtung eine rahmenartige Wärmezone aufweist.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Wärmevorrichtung Wärmezonen auf beiden Abstrahlungsebenen besitzt und dass die Wärmezonen getrennt voneinander angesteuert werden können. Es ist auch von Vorteil dass die Wärmezonen einer jeweiligen Abstrahlungsebene in ihrem Verlauf getrennt angesteuert werden. Weiterhin ist es für einen minimalen Einfluss auf die Lackierung von Vorteil, dass die Wärmezonen, die das Kunststoffbauteil mit Lackierung hinter der Verbindungsstelle erwärmt, einen gegenüber dem unlackierten Bereich reduzierten Energieeintrag erzeugen. Es ist weiterhin von Vorteil dass die Wärmezone eine geschlossenen Rahmenstruktur bildet. Vorteilhafterweise sind die Wärmezonen vom Rand der zu verbindenden Bauteile mit einem Randabstand a beabstandet angeordnet.
Der Wärmeeintrag im Bauteil, das eine Lackierung aufweist, erfolgt über eine Eintragsbreite b. Dabei ist es von Vorteil, dass die Eintragsbreite so gewählt wird, dass die Wärmeverteilung sanft in das Bauteil erfolgt.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass die Eindringtiefe des Wärmeeintrags für die Bauteile mit Lackierung nur bis zur Hälfte bzw. bis zu zwei Drittel der Dicke z des Bauteils erfolgt. Vorteilhafterweise bewahren Kunststoffbauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind die Steifigkeit des ursprünglichen Materials auch an den Verbindungsstellen und/oder Verbindungsflächen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist ein Kunststoffbauteil, das eine Kraftfahrzeug-Hecktür bildet. Dabei ist es weiterhin von Vorteil, dass in mindestens eines der Kunststoffbauteile Verstärkungsbauteile eingelegt sind.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform einer Hecktür
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Maschine zur Verbindung der Bauteile
3 zeigt eine Aufsicht auf eine Wärmevorrichtung
4 zeigt ein Detail der Wärmevorrichtung sowie Wärmeverteilungen.
1 stellt eine Kraftfahrzeug-Hecktür dar, die aus zwei großflächigen Bauteilen nämlich einer Außenschale 1 sowie einer Innenschale 2 aufgebaut ist. Die beiden Schalen 1, 2 besitzen einen Ausschnitt 11, der für das Einsetzen einer Heckscheibe vorgesehen ist. Am oberen Holm der Außenschale, sowie an der Innenschale sind Ausprägungen für ein Scharnier 12 vorgesehen. Die Außenschale 1 ist in der Darstellung mit Blick auf ihre Außenhaut zu erkennen. Die Außenhaut weist eine Lackierung 3 auf. Diese Lackierung bedeckt im Beispiel den unteren, unter dem Ausschnitt 11 befindlichen Bereich der Außenschale 1. In dieser vereinfachten Darstellung sind dabei die Holme, die dem Ausschnitt 11 für die Heckscheibe einrahmen nicht dargestellt. Auch diese Seitenholme, sowie der obere Holm können lackiert sein. Je nach Anforderung des Kraftfahrzeugherstellers sind die Bereiche, die lackiert werden unterschiedlich angeordnet. Im Falle des Beispiels einer Kraftfahrzeug-Hecktür ist das zweite Kunststoffbauteil, die Innenschale 2, im Allgemeinen nicht lackiert. Der Blick auf die Innenschale 2 zeigt deren innere Oberfläche, die nach der Verbindung der Bauteile nicht mehr sichtbar ist.
In 1 angedeutet ist ein Rahmen 4, der als Verstärkungsrahmen beispielsweise den Ausschnitt 11 einfasst. Ein solcher Verstärkungsrahmen kann als geschlossener oder auch geöffneter Rahmen in Form eines U gestaltet sein Der Verstärkungsrahmen oder auch einzelne Verstärkungselemente werden in die Innenschale 2 in vorbereitete Ausnehmungen eingelegt. Die Verstärkungselemente werden nach dem Verbindungsprozess durch das Verklemmen zwischen den beiden Bauteilen gehalten. Verwendet man als Verstärkungselemente ebenfalls Kunststoffbauteile, die als rohrartige Strukturen in die Innenschale 2 eingelegt werden, so kann man diese Kunststoffbauteile gleichzeitig mit der Verbindung der flächigen Bauteile verschweißen. Natürlich ist ein Aufbau umgekehrter Weise denkbar, so dass Verstärkungselemente vor der Verbindung der Bauelemente in der Außenschale angeordnet sind.
2 zeigt schematisch eine Maschine mit einem Werkzeugoberteil 5 sowie einem Werkzeugunterteil 6. Dazwischen angeordnet ist eine Wärmevorrichtung 7, die in dieser Darstellung seitlich beabstandet von den Werkzeugteile angeordnet ist. Die Außenschale 1 wird in das Werkzeugoberteil 5 eingelegt. Das geschieht mit Vakuum-Ansaugung, wobei die Lackierung 3 in Richtung Werkzeugoberteil 5 anliegt. In das Werkzeugunterteil 6 wird die Innenschale 2 eingelegt. Wenn beide Bauteile in der Werkzeugmaschine angeordnet sind, fahren die beiden Werkzeugteile aufeinander zu. Im Allgemeinen wird das Werkzeugunterteil statisch angeordnet sein, und das Werkzeugoberteil wird sich vertikaler Richtung auf das Werkzeugunterteil zu bewegen. In einem ersten Schritt erfolgt das Zusammengefahren der Werkzeugteile, um die Ausrichtung der Kunststoffbauteile gegeneinander zu optimieren und vor dem eigentlichen Verschweißen die Ausrichtung zu kalibrieren.
Nach erfolgter Kalibrierung fährt das Werkzeugoberteil 5 wieder nach oben weg und die Wärmevorrichtung 7 wird horizontal zwischen die Werkzeugteile geschoben. Die Wärmevorrichtung 7 weist zwei Abstrahlebenen auf, eine obere Abstrahlungsebene 7a sowie eine untere Abstrahlungsebene 7b. Die beiden Abstrahlebenen 7a, 7b sind in diesem Ausführungsbeispiel thermisch voneinander entkoppelt und können getrennt angesteuert werden. Die Wärmevorrichtung wird so von den Werkzeugteilen umfasst, dass die Wärmequellen nicht im direkten Kontakt mit den Kunststoffbauteilen stehen, sondern nur ein Energieeintrag in die Kunststoffteile erfolgt.
Dabei wird die Abstrahlung von Wärmeenergie in die Außenschale 1 geringer ausfallen, als in die Innenschale 2. Damit wird dem Problem Rechnung getragen, dass die Verschweißungen die Lackierung nicht beeinträchtigen dürfen.
Nach einer vorgegebenen Zeit wird die Wärmevorrichtung wieder zwischen den Werkzeugteile entfernt und die Werkzeugteile sofort anschließend zugefahren. Da die Außenschale und die Innenschale durch das Einbringen von Energie an den vorgegebenen Stellen aufgeschmolzen sind, werden die geschmolzenen Verbindungsstellen miteinander verbunden und unter leichtem Druck abgekühlt. Der Druck darf dabei nicht zu groß sein, um zu vermeiden, dass das Material ausweicht und Spannungen an den Oberflächen vor allem an den lackierten Oberflächen auftreten.
In 3 ist schematisch eine Aufsicht auf die Abstrahlungsebene 7a gezeigt. Die Wärmevorrichtung 7 trägt in diesem Beispiel eine Wärmezonen 9, die als umlaufender der Rahmen ausgebildet ist. Mit einer gestrichelten Kontur 8 ist die äußere Abmessung des Bauteils der Außenschale 1 angedeutet. Man erkennt, dass die Wärmezonen sich innerhalb des Randes des Bauteils befinden. Die Wärmezone 9 ist in diesem Beispiel als gleichmäßig starkes Band ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen können auch unterschiedliche, unterbrochene Bereiche verwendet werden, wodurch eine getrennte Ansteuerung der einzelnen Bereiche vereinfacht wird. Durch Reduzierung des Querschnitts der Wärmezonen wird die Wärmeverteilung beeinflusst.
In der 4 ist ein Ausschnitt aus der Wärmevorrichtung 7 sowie der Innenschale 2 dargestellt. Die Wärmevorrichtung enthält die Wärmezonen 9 deren Einfluss sich auf eine Eintragsbreite von b erstreckt. Im oberen Graph ist die Funktion der Abstrahlung über die Breite b dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Gaußverteilung, deren Ausläufer einen sanften Übergang des Wärmeeintrags vom Maximum zum nicht beeinflussten Bereich ermöglichen. Die durchgezogene Linie 10 mit der geringeren Abstrahlungsleistung zeigt den Energieeintrag in die Außenschale 1, die wegen der Lackierung nicht so stark aufgeschmolzen werden darf. Die gestrichelte Linie 10‘ zeigt den Wärmeeintrag die Innenschale 2. Eine optimale Halbwertszeit beträgt dabei b/2.
Der untere Graph zeigt den Energieeintrag über die Dicke der Innen- und Außenschale. Auch hier zeigt die durchgezogene Linie 11 den Energieeintrag in der lackierten Außenschale, für die Innenschale ist der Energieeintrag bis zu einer größeren Eindringtiefe gestrichelt dargestellt. Ausgehend von den Zeichnungen ist klar, die Verschweißungen auch in Bereichen der inneren Oberfläche der Außenschale erfolgen, die auf der Außenseite Lackierungen tragen. Das soll auch mit der Formulierung, die Verbindungsstellen und/oder Verbindungsflächen liegen zumindest teilweise hinter einer lackierten Fläche ausgedrückt werden.
Durch die Einstellung unterschiedlicher Parameter wie Energieleistung, Eindringtiefe, Eintragsbreite, Zeit werden die optimalen Aufschmelzbedingungen für die beiden Bauteile bestimmt. Dabei ist das Aufschmelzen unsymmetrisch, da unterschiedliche Energieeinträge in die Bauteile erfolgt. Die Anordnung der Wärmezonen folgt dabei den funktionalen Erfordernissen einer Schweißverbindung. Im Falle der Hecktür werden die beiden Schalen entlang des Umfanges miteinander verschweißt. Dabei wird vom Rand ein Abstand a gewählt. Der Randabstand a muss dabei einige Millimeter betragen, damit kein Wärmeeintrag am Rand direkt erfolgt und das Bauteil sich nicht verzieht.
Befinden sich in den Schalen der Bauteile noch Einlageteile wie Verstärkungselemente aus unterschiedlichen Materialien müssen die Parameter für die Einbringung von Wärme verändert werden. Ein Sonderfall stellt dabei eine Verstärkung aus Kunststoffelementen dar. Sollen diese Kunststoffelemente während des Verschweißen der beiden Schalen ebenfalls verschweißt werden, müssen punktuell erhöhte Energieleistungen an das Material abgegeben werden.
Bezugszeichenliste

1: Außenschale
2: Innenschale
3: Lackierung
4: Rahmen
5: Werkzeugoberteil
6: Werkzeugunterteil
7: Wärmevorrichtung
7a: obere Abstrahlungsebene
7b: untere Abstrahlungsebene
8: Konturbauteil
9: Wärmezone
10, 10‘: Wärmeverteilung horizontal
11, 11‘: Wärmeverteilung vertikal
12: Scharnier
a: Randabstand
b: Eintragsbreite
z: Dicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202005013901 [0003]

Claims

Verfahren zur Verbindung von zwei thermoplastischen Kunststoff-Bauteilen, wobei deren gegenüberliegende Oberflächen durch Einbringen von Energie mindestens teilweise aufgeschmolzen werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beiden Kunststoff-Bauteile mindestens teilweise eine flächige Lackierung aufweist, wobei die Verbindungsstellen und/oder Verbindungsflächen zumindest teilweise hinter einer lackierten Fläche liegen und nach dem Verbindungsprozess nicht durchscheinen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei thermoplastischen Kunststoff-Bauteilen aus Polypropylen oder Derivaten davon in ein Werkzeugoberteil und ein Werkzeugunterteil eingelegt werden, anschließend eine Wärmevorrichtung zwischen die Werkzeugteile einfährt und nach ausreichendem Energieeintrag die Wärmevorrichtung herausfährt, damit sich die Werkzeugteile schließen und sich die Kunststoff-Bauteile verbinden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugteile in einem ersten Schritt zusammengefahren und kalibriert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmevorrichtung (7) mindestens eine rahmenartige Wärmezone (9) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmevorrichtung (7) Wärmezonen auf beiden Oberflächen, die den Kunststoffbauteilen gegenüberliegen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmevorrichtung (7) die beiden Wärmezonen der Abstahlungsebenen (7a, 7b) getrennt ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmevorrichtung (7) die die Wärmezone, die das Kunststoffbauteil mit Lackierung hinter der Verbindungsstelle erwärmt, einen gegenüber dem unlackierten Bereich reduzierten Energieeintrag erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmevorrichtung (7) die Wärmezonen auf den Abstrahlungsebenen (7a, 7b) in ihrem Verlauf getrennt angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezonen in einer geschlossenen Rahmenstruktur angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezonen (9) vom Rand der zu verbindenden Bauteile mit einem Randabstand (a) beabstandet angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag im Bauteil, das eine Lackierung aufweist, über eine Eintragsbreite (b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des Wärmeeintrags für die Bauteile mit Lackierung nur bis zur Hälfte bis zu zwei Drittel der Dicke (z) des Bauteils erfolgt.
Kunststoff-Bauteil nach dem Verfahren von einem der vorherigen Ansprüchen hergestellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen und/oder Verbindungsflächen die Steifigkeit des Kunststoff-Bauteils bewahren.
Kunststoff-Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile eine Innenschale und eine Außenschale einer Kraftfahrzeug-Hecktür sind.
Kunststoff-Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eines der Bauteile Verstärkungsbauteile eingelegt sind.