GÖRSE, Hergen (Kolpingstr. 8, Roth, 91154, DE)
BÜCKER, Dirk (Jülicherstr. 10, Mönchengladbach, 41199, DE)
GÖRSE, Hergen (Kolpingstr. 8, Roth, 91154, DE)
| Ansprüche 1 . Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Anbauteilen (2) mit einem einzigen Bauteil (1 ) an verschiedenen Fügeorten (3) des Bauteils (1 ), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei jedes der Anbauteile (1 ) eine Fügefläche (4) aufweist, die an die Oberfläche (5) des Bauteils (1 ) am Fügeort (3) ange- passt wird, wobei sich die Anbauteile (2) ausschließlich durch verschiedenartige Fügeflächen (4) voneinander unterscheiden und ansonsten identisch ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, a) dass ein für alle Anbauteile (2) verwendbarer Grundkörper (6) hergestellt wird und alle Grundkörper (6) eine Bearbeitungsfläche (7) aufweisen, die durch Konturanpassung in die erforderlichen Fügeflächen (4) überführbar sind und b) unmittelbar vor dem Fügen diese Konturanpassung der Bearbeitungsfläche (7) an den Grundkörpern (6) vorgenommen wird und dadurch die zu verbindenden Anbauteile (2) mit den erforderlichen Fügeflächen geschaffen werden und c) unmittelbar anschließend die Anbauteile (2) mit ihren Fügeflächen (4) auf die Fügeorte (3) der Bauteile (1 ) aufgesetzt und gefügt werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauteil (2) als ein Verbindungsteil ausgebildet wird an dem andere Teile befestigbar sind. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper (6) von einem Roboter (8) gegriffen und einer Bearbeitungsstation (9) zugeführt wird, in der Bearbeitungsstation (9) die Bearbeitungsfläche (7) durch Konturanpassung in die erforderliche Fügefläche (4) überführt wird und anschließend der Roboter (8) die dann fertigen Anbauteile (2) der Bearbeitungsstation (9) entnimmt und mit ihren Fügeflächen (4) auf die Fügeorte (3) der Bauteile (1 ) aufsetzt und anschließend die Teile (1 , 2) gefügt werden. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturanpassung der Bearbeitungsflächen (7) durch Umformung oder Materialabtrag erfolgt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen durch Schweißen oder Kleben durchgeführt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schweißen das torsionale Ultraschallschweißen verwendet wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim torsio- nalen Ultraschallschweißen die Konturanpassung nur auf Teile der Bearbeitungsfläche (7) erstreckt, zum Beispiel auf die zum Bauteil (1 ) gewandte Oberfläche einer Abstandsrippe (10). 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Konturanpassung vor dem Kleben die Fügeflächen (4) mit Abstandsrippen (10) versehen werden, deren zum Bauteil (1 ) gewandte Oberflächen mit der Oberfläche (5) des Bauteils (1 ) am Fügeort (3) verklebt werden. 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Konturanpassung vor dem Kleben die Fügeflächen (4) so mit Abstandsrippen (10) versehen werden, dass eine für das verwendete Klebesystem benötigte Fugenbreite (1 1 ) geschaffen ist. 10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Bauteile (1 ) und Anbauteile (2) aus Kunststoff im Automotivbereich. 1 1 . Verwendung nach Anspruch 10 bei Bauteilen (1 ) und Anbauteilen (2) des Exterieurs bevorzugt im Bereich unterhalb lackierter Außenflächen (12). 12. Verwendung nach Anspruch 10 oder 1 1 für Stoßfänger als Bauteile (1 ). 13. Verwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 für Sensorhalter als An- bauteile (2). |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Anbauteilen mit einem einzigen Bauteil an verschiedenen Fügeorten des Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei jedes der Anbauteile eine Fügefläche aufweist, die an die Oberfläche des Bauteils am Fügeort angepasst wird, wobei sich die Anbauteile ausschließlich durch verschiedenartige Fügeflächen voneinander un- terscheiden und ansonsten identisch ausgebildet werden.
Eine etablierte Technik zum Verbinden bzw. Fügen von Bauteilen aus Kunststoff ist das Schweißen. Hierzu werden diverse Möglichkeiten zur Energieeinbringung genutzt. Diese Techniken sind zum Beispiel Reibschweißen oder Ultraschallschweißen. Bei beiden Techniken werden durch die eingebrachte Hitze die Bauteile in der
Trennebene am Fügeort aufgeschmolzen und verbinden sich dadurch innig.
Das Ausmaß der eingebrachten Wärmeenergie in das oberflächenveredelte lackierte automobile Außenteil hat sich hierbei als entscheidend für die Oberflächenqualität, gerade im Grenzbereich dünner polyolefiner Werkstoffe erwiesen. Eine zu große Wärmeeinbringung führt zu Nachschwindungseffekten in der Außenhaut, in deren Folge es zu sichtbaren Einfallstellen kommt. Diese sichtbaren Einfallstellen entstehen besonders dort, wo sie am meisten stören, nämlich auf der der Schweißstelle abgewandten Oberfläche des Bauteils. Im Falle eines Stoßfängers werden auf der Rückseite Anbauteile angeschweißt, wie zum Bei- spiel vier Sensorhalter. Durch das Schweißen entstehen leicht sichtbare Einfallstellen auf der gegenüberliegenden lackierten Außenhaut des Stoßfängers.
Zur Minimierung des Energieeintrags haben sich zwei Techniken etabliert: 1 . ) Verklebung des Bauteils mittels eines zusätzlichen Stoffes der in die Trennebene eingebracht wird. Dieses Verfahren ist vergleichsweise teuer und bei hohen Stückzahlen nicht wirtschaftlich.
2. ) Die Technik des torsionalen Ultraschallschweißens. Aufgrund der erheblich niedrigeren Energieeinbringung in das lackierte Außenteil ist mit ihrer Hilfe eine abzeichnungsfreie Verbindung möglich.
Kritik am Stand der Technik:
Bei geringem Energieeintrag ist es nicht möglich, die Kontaktflächen der zu verbindenden Bauteile während des Verbindungsprozesses anzugleichen. Infolgedessen ist es bei Freiformoberflächen nötig, jeweils die Trennebene bzw. die Fügeflächen der beiden Körper exakt aufeinander abzustimmen. Zu jedem Verbindungsort gehört ein exakt auf die Oberfläche abgestimmtes Anbauteil bzw. Verbindungskörper. Auch wenn mehrere Verbindungskörper dieselbe Funktion haben, zum Beispiel vier Sensorhalter eines Stoßfängers, diverse Zentrier- oder Haltepinne, müssen diese an sich gleichen Anbauteile in unterschiedlichen Kunststoffformen erzeugt und in individuellen Masseströmen in den Verbin- dungsprozess eingebracht werden. Dies verteuert den Prozess und führt zu hohen Investitionen.
Das Kleben bietet hier noch die Möglichkeit einer frühen Vereinzelung dergestalt entgegenzuwirken, das ein sich ändernder Abstand zwischen zwei Fügeflächen durch mehr oder weniger starke Kleberaupendicke auszugleichen ist. Bei niedrigenergetischen Schweißverfahren hingegen, zum Beispiel beim torsionalen Ultraschallschweißen, ist es nur möglich, die Trennebene bildende Fläche des anzuschweißenden Körpers so weit runterzuschweißen bis er auf der gesamten Fläche des Grundkörpers anliegt. Dies führt aber zu einem erhöhten Energieeintrag und damit wieder zu einer Gefahr von Abzeichnungen im Grenzbereich dünner lackierter Außenbauteile. Der Vorteil des Ultraschallschweißen ist verspielt.
Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, die Individualisierung der Oberflächenkontur des zu verbindenden Körpers in den Verbindungsprozess bzw. Fügepro- zess zu integrieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
a) dass ein für alle Anbauteile verwendbarer Grundkörper hergestellt wird und alle Grundkörper eine Bearbeitungsfläche aufweisen, die durch Konturanpassung in die erforderlichen Fügeflächen überführbar sind und b) unmittelbar vor dem Fügen diese Konturanpassung der Bearbeitungsfläche an den Grundkörpern vorgenommen wird und dadurch die zu verbindenden Anbauteile mit den erforderlichen Fügeflächen geschaffen werden und c) unmittelbar anschließend die Anbauteile mit ihren Fügeflächen auf die Fügeorte der Bauteile aufgesetzt und gefügt werden.
Es ist dann nur noch ein Grundkörper für alle Anbauteile nötig. Im Falle benötigter exakter Abstände der Fügeflächen zur Oberfläche der Bauteile am Fügeort, z.B. bei einer Sensoraufnahme, sind Haltertiefen und Ausrichtungen zur Oberfläche individuell einstellbar. Bisherige langwierige Änderungsschleifen der Spritzgusswerkzeuge zur Herstellung der Anbauteile entfallen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Anbauteil als ein Verbindungsteil ausgebildet an dem andere Teile befestigbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Grundkörper von einem Roboter gegriffen und einer Bearbeitungsstation zugeführt. In der Bearbeitungsstation wird die Bearbeitungsfläche durch Konturanpassung in die erforderliche Fügefläche überführt und anschließend entnimmt der Roboter die dann fertigen Anbauteile der Bearbeitungsstation und setzt die Anbauteile mit ihren Fügeflächen auf die Fügeorte der Bauteile auf. Anschließend wird das Bauteil mit dem Anbauteil gefügt. Individuelle Konturanpassungen werden durch eine einfache Nachstellung des Roboterbewegungsablaufs und/oder der Bearbeitung in der Bearbeitungsstation bei der vorgeschalteten Konturanpassung ersetzt. Die Konturanpassung der Bearbeitungsflächen erfolgt bevorzugt durch Umformung oder Materialabtrag.
Vorteilhaft wird das Fügen durch Schweißen oder Kleben durchgeführt.
Zum Schweißen wird bevorzugt das torsionale Ultraschallschweißen verwendet, da hierdurch der Energieeintrag in das Bauteil gering ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich beim torsionalen Ultraschallschweißen die Konturanpassung nur auf Teile der Bearbeitungsfläche, zum Beispiel auf die zum Bauteil gewandte Oberfläche einer Abstandsrippe.
Zum Kleben werden bevorzugt bei der Konturanpassung vor dem Kleben die Fügeflächen mit Abstandsrippen versehen, deren zum Bauteil gewandte Ober- flächen mit der Oberfläche des Bauteils am Fügeort verklebt werden.
Alternativ werden bei der Konturanpassung vor dem Kleben die Fügeflächen so mit Abstandsrippen versehen, dass eine für das verwendete Klebesystem benötigte Fugenbreite geschaffen ist.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahrens für Bauteile und Anbauteile aus Kunststoff im Automotivbereich verwendet.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung bei Bauteilen und Anbauteilen des Exterieurs im Automotivbereich bevorzugt im Bereich unterhalb lackierter Außenflächen. Die Bauteile sind bevorzugt Stoßfänger und die Anbauteile zum Beispiel Sensorhalter als Anbauteile.
Das Anbauteil kann zum Beispiel ein Verbindungsteil, zum Beispiel ein Zentrierpin sein, der durch einen Roboter gegriffen und vor dem eigentlichen Verbin- dungsprozess (Fügeprozess) in seiner Kontur derart verändert wird, dass seine Grundfläche der Oberfläche des Bauteils am Fügeort angepasst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt somit den Prozessablauf des Verbindungsprozesses durch im Wesentlichen folgende Schritte. a. ) Aufnahme des zu verbindenden Grundkörpers
b. ) Konturanpassung der Fügefläche des Grundkörpers an die Oberflächenform der späteren Form der Fügefläche des Verbindungspartners.
c. ) Fügeprozess der beiden Verbindungspartner mit der für die jeweilige Verbindungsart benötigten Parallelität der Freiformoberflächen.
In einer bevorzugten Ausführungsform für eine Klebeverbindung erfolgt die Konturanpassung auch dergestalt, dass die angepasste Kontur aus einer Ebene für die Klebefläche und einer durch Abstandsrippen aufgespannten Ebene gebildet wird, die eine für das verwendete Klebesystem benötigte Fugenbreite garantiert.
Bei der torsionalen Ultraschallverschweißung kann sich auch die angepasste Kontur nur auf Teile der Grundkörperfläche erstrecken, zum Beispiel auf eine Schweißrippe.
Die Konturanpassung kann auch mittels Umformung, z.B. Warmumformung erfolgen.
Die Konturanpassung erfolgt bevorzugt mittels Materialabtrag, z.B. mechanischer Bearbeitung mittels Fräsen, Schleifen, etc. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von vier Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt das bekannte torsionale Ultraschallschweißverfahren, wie es zum Beispiel in der EP 1 930 148 A1 beschrieben ist. Unter torsional wird eine Schwingung einer Sonotrode um ihre Längsachse oder Torsionsachse 13 ver- standen, das heißt, die Sonotrode führt eine torsionale Bewegung um eine Torsionsachse aus, welche im Wesentlichen senkrecht auf der Ebene der zu bildenden Schweißnaht steht. Die Torsionsachse liegt somit im Wesentlichen parallel zur Kraftachse, mit welcher die Sonotrode auf das Anbauteil 2 gedrückt wird. Beim torsionalen Ultraschallschweißverfahren wird eine Sonotrode zur Übertragung der den Schweißvorgang erzeugenden Schwingungen auf die Schweißstelle aufgesetzt, wodurch die Trennebene zwischen Anbauteil 2 und Bauteil 1 schmilzt und das Anbauteil 2 mit dem Bauteil 1 verschweißt.
Figur 2 zeigt das Vorgehen nach dem Stand der Technik. Das Bauteil 1 ist hier ein Stoßfänger der mit zwei Anbauteilen 2a, 2b, hier zwei Sensorhalter, verschweißt, d. h. gefügt werden soll. Die Fügeorte 3 am Bauteil 1 sind jedoch verschieden mal eben, mal gebogen oder eckig. Die Fügefläche 4, d . h. die zum Bauteil 1 gewandte Fläche der Anbauteile 2a, 2b muss an die Oberfläche 5 des Bauteils 1 am Fügeort 3 angepasst sein, um eine stabile Verbindung zu errei- chen. Daher werden die Anbauteile 2 in Bezug auf ihre Fügefläche 4 individuell hergestellt. Dies erfordert individuelle Kunststoffformen und eine spezielle Lagerhaltung, um die Teile nicht zu verwechseln. Beim Schweißvorgang werden dann die individuellen Verbindungskörper 2a, 2b auf ihren individuellen Fügeort 3 aufgesetzt und verschweißt, zum Beispiel mit dem torsionalen Ultraschall- schweißverfahren.
Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren. Hier werden für alle Anbauteile 2a, 2b verwendbare Grundkörper 6 hergestellt, wobei alle Grundkörper 6 eine Bearbeitungsfläche 7 aufweisen, die durch Konturanpassung in die erforderlichen Fügeflächen 4a, 4b überführt werden. Alle Anbauteile 2a, 2b sind identisch ausgeführt, wodurch die Herstellung wesentlich vereinfacht ist. Es wird nur eine einzige Spritzform verwendet, die Lagerhaltung ist vereinfacht und eine Ver- wechslung ist ausgeschlossen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Konturanpassung, d.h. die Ausgestaltung der Fügeflächen 4a, 4b erst nach der Herstellung der Grundkörper 6 und unmittelbar vor dem Fügen. Nach der Konturanpassung werden dann die fertig bearbeiteten Grundkörper 6, die dann die Anbauteile 2a, 2b darstellen, mit ihren jeweiligen individualisierten Fügeflächen 4a, 4b mit dem Bauteil 1 an den individuellen Fü- georten 3a, 3b verschweißt oder geklebt.
Diese Konturanpassung erfolgt bevorzugt durch Fräsen oder Warmumformen.
Wie in Figur 3 gezeigt, geschieht das Handling bevorzugt mit einem Roboter 8. Der Roboter 8 wird so programmiert, dass er die Grundkörper 2 greift und in eine Bearbeitungsstation 9 einlegt oder an eine Bearbeitungsstation 9 hält. In der Bearbeitungsstation 9 erfolgt die individuelle Konturanpassung der Bearbeitungsfläche 7 zur Schaffung der Fügefläche 4. Nach dem dies geschehen ist, führt der Roboter 8 das dann geschaffene Anbauteil 2 mit seiner jetzt individualisierten Fügefläche 4 aus der Bearbeitungsstation 9 heraus und setzt es auf die Oberflä- che 5 des Bauteils 1 am Fügeort 3. Anschließend wird beim torsionalen Ultraschallschweißverfahren die Sonotrode auf das Anbauteil 2 gefahren und das Anbauteil mit dem Bauteil 1 verschweißt. Der Roboter 8 ist in Figur 3 nur als Blackbox gezeichnet. Mit 8a ist der Arm des Roboters 8 angedeutet, der den Grundkörper 6 und später das Anbauteil 2 greift und positioniert. Der eigentliche Verbindungsprozess ist im gestrichelten Rechteck 14 dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 12 ist die lackierte Oberfläche des Bauteils 1 gekennzeichnet. Diese darf keine Fehlstellen enthalten. Bevorzugt erfolgt die Verbindung, bzw. das Verschweißen durch das torsionale Ultraschallschweißverfahren. Es können jedoch die zu verbindenden Teile auch mittels eines zusätzlichen Stoffes, der in die Trennebene eingebracht wird, miteinander verklebt werden. Dies zeigt Figur 4. Figur 4a zeigt eine Ausführungsform für eine Schweißverbindung mit einer umlaufenden Abstandsrippe 10 oder Schweißrippe. Die Fügefläche 4 ist in dieser Ausführungsform nur die Oberfläche der Abstandsrippe 10, d. h. die Rippenspitze. Die Rippenkontur bzw. die Rippenspitze wird erfindungsgemäß der Bauteilkontur angepasst. Anschließend werden die Rippenspitzen auf dem Bauteil 1 verschweißt.
Die Schweißverbindung erfolgt so nur in einer Ebene, nämlich die durch die Rippenspitzen aufgeschlagene Ebene. Die Länge der Abstandsrippen 10 oder Schweißrippen spielt keine Rolle. Die Abstandsrippen 10 können auch umlaufend ausgebildet werden, es genügen jedoch auch einzelne Abstandsrippen 10. Figur 4b zeigt eine Ausführungsform für das Kleben. Die Fügefläche 4 ist in dieser Ausführungsform die Oberfläche der Abstandsrippe 10, d.h. die Rippenspitze. Die Abstandsrippen 10 müssen nicht umlaufend sein, manchmal reichen hier einzelne Punkte.
Neben der Ebene der Rippenspitzen muss auch die zweite Ebene zwischen der Rippenkontur und der Bauteilkontur angepasst werden. Hier kommt der Kleber rein.
Beim Kleben ist die Fugenbreite 1 1 entscheidend. Hier ist wichtig, dass die beiden Flächen immer den gleichen Abstand zueinander haben.