Fügeverfahren

Die Erfindung richtet sich auf ein Fügeverfahren zur dauerhaften mechanischen Verbindung zweier Fügebauteile miteinander.

Um Fügebauteile in einer gewünschten Fügeposition relativ zueinander anordnen und fixieren zu können, werden verschiedene Techniken angewendet. Es ist bekannt, ausgerichtete und fixierte Teile durch Verschraubungen und Vernietungen zu fügen. Hierbei ergeben sich dann Verstellmöglichkeiten durch die Ausbildung von Langlöchern oder die Ausbildung spezifisch gestalteter Ausnehmungen. Hierbei handelt es sich um eine kraftschlüssige, insbesondere reibschlüssige Verbindung. Hierbei können Einstellvorrichtungen mit Gewindeelementen vorgesehen sein, die die Realisierung von linearen Zug- und Druckeinstellbewegungen und die Realisierung von drehenden Ausgleichsbewegungen durch weiterhin vorzusehende Gelenke ermöglichen. Durch Unterlegen von Ausgleichselementen wie Passscheiben, Einstellfolien oder Distanzblechen können unerwünschte Spalte ausgeglichen werden. Die Anwendung klemmbarer Einstellelemente, z. B. klemmbare Rohrmuffen, ermöglicht die Realisierung drehbarer und/oder linear ausgleichender Fügeverbindungen. Bei flächigen Verklebungen können toleranzausgleichende Fügeverbindungen im Rahmen der Verschiebbarkeit der Klebeflächen zueinander realisiert werden.

Bei diesen Verfahren treten Probleme dann auf, wenn die miteinander zu verbindenden Fügebauteile Toleranzabweichungen in ihren Maßen aufweisen und bei Anordnung der Fügebauteile in ihrer relativen Fügeposition zueinander ein Toleranzausgleich erfolgen muss. Da die Fügebauteile frei im

Raum positionierbar sind, ergeben sich sechs Freiheitsgrade bzw. Verstellrichtungen oder -möglichkeiten, in denen ein Toleranzausgleich gegebenenfalls möglich sein muss. Bei den bekannten Verfahren ist dies nur durch iterative, nacheinander erfolgende Mehrfachanwendung oder Hintereinanderschaltung der einzelnen Verfahrensschritte möglich. Beim mechanischen Fixieren mittels Klemmung und/oder Reibschluss entstehen darüber hinaus Verspannungen in den Bauteilen, die unerwünschte Verformungen auslösen oder ausbilden können. Ebenso besteht die Gefahr, dass beim Aufbringen der Klemmkräfte die zueinander ausgerichteten Fügebauteile, beispielsweise aufgrund elastischer Verformung der Bauteile oder eines der Fügebauteile, verrutschen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, mit der ein hinsichtlich der Kompensationsmöglichkeit von Fügebauteilmaßabweichungen verbessertes und vereinfachtes Fügeverfahren zur Verfügung gestellt wird.

Bei einem Fügeverfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Fügeverfahren zur dauerhaften mechanischen Verbindung zweier Fügebauteile miteinander, das die Schritte umfasst :

a) positionsgenaues Ausrichten eines ersten und eines zweiten Fügebauteils zueinander in eine Fügeposition unter Ausbildung eines Fügespaltes zwischen den Fügeflächen der Fügebauteile; b) zumindest temporäres Fixieren der Fügebauteile in dieser Fügeposition; c) Verfüllen des Fügespaltes mit einem fluiden Fügemedium und d) Aushärten des Fügemediums im Fügespalt zu einer Kohäsions- und Adhäsionskräfte ausbildenden dauerhaften

und die zwischen den Bauteilen auftretenden Kräfte übertragenden Verbindung.

Ebenso wird die vorstehende Aufgabe bei dem eingangs bezeichneten Verfahren gelöst durch ein Fügeverfahren zur dauerhaften mechanischen Verbindung zweier Fügebauteile miteinander, das die Schritte umfasst :

al) Bereitstellen eines ersten Fügebauteils, das ein Fügeflächen umfassendes und mit flüssigem Fügemedium befülltes Aufnahmebehältnis aufweist; bl) positionsgenaues Ausrichten des ersten und eines zweiten Fügebauteils zueinander in eine Fügeposition, in welcher Fügeflächen des zweiten Fügebauteils in das flüssige Fügemedium im Aufnahmebehältnis des ersten Fügebauteils eintauchen und zwischen den Fügeflächen von erstem und zweitem Fügebauteil ein Fügespalt ausgebildet wird; cl) zumindest temporäres Fixieren der Fügebauteile in dieser Fügeposition und dl) Aushärten des Fügemediums im Fügespalt zu einer

Kohäsions- und Adhäsionskräfte ausbildenden dauerhaften und die zwischen den Bauteilen auftretenden Kräfte übertragenden Verbindung.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungsgegenstände ergeben sich aus den von den Ansprüchen 1 und 4 jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird ein Fügeverfahren geschaffen, das Kräfte übertragen kann und insbesondere zur Verbindung von

Fügebauteilen geeignet ist, die in einer definierten Lage zueinander, ihrer Fügeposition, präzise gefügt werden sollen und die insbesondere nicht über entsprechend genaue Pass- und Fügeflächen verfügen. Die notwendige Präzision der aus den zwei Fügebauteilen zu erstellenden Zusammenbauten wird durch

Ausrichtung der zu fügenden Fügebauteile zueinander und gegebenenfalls notwendiges zumindest temporäres Fixieren der Fügebauteile in dieser Fügeposition, beispielsweise mittels entsprechender Aufnahmevorrichtungen, und das anschließende spannungsfreie Fügen mittels des zunächst flüssigen und dann aushärtenden Fügemediums erreicht . Hierbei wird die Fügeposition der Fügebauteile während des Aushärtens und damit dann auch im ausgehärteten Zustand des Fügemediums nicht verändert . Die aufgrund von Maßungenauigkeiten bestehenden Bauteiltoleranzen führen hierbei lediglich dazu, dass der vorgesehene Fügespalt den Maß- und gegebenenfalls Toleranzabweichungen der Fügebauteile entsprechend in seiner Dimensionierung größer oder kleiner wird, dadurch aber insgesamt die Maßabweichungen kompensiert werden, dass das flüssige Medium sich während des Aushärtens an die jeweils gegebenen geometrischen Verhältnisse anpasst und dann durch Aushärtung eine Kohäsions- und Adhäsionskräfte ausbildende Verbindung zwischen den Fügebauteilen ausbildet. Insgesamt wird somit ein Verfahren zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen beim Zusammenbau von einzelnen Fügebauteilen zu gegebenenfalls hoch präzisen Strukturen oder Gesamtbauteilen durch spannungsfreies Fügen unter Anwendung eines zunächst fluiden Mediums und dessen anschließender Aushärtung geschaffen.

Das Verfahren ist in einer Vielzahl von Anwendungsfällen einsetzbar. Besonders vorteilhaft eignet sich dieses Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von Solarrinnenkollektoren, deren Wirkungsgrad entscheidend von der optischen Präzision und damit von der präzisen Ausrichtung der Bauteile der mechanischen Kollektorstruktur zueinander abhängig sind. Hierdurch ist es also möglich, die Spiegelelemente und die Tragkonstruktion eines Sonnenkollektorelementes präzise zueinander in einer Fügeposition ausgerichtet anzuordnen und zu positionieren und

dann dauerhaft fest miteinander zu verbinden, wobei diese Befestigung der beiden Fügebauteile miteinander spannungsfrei ausgebildet ist. Parabelförmige Solarrinnenkollektoren bestehen aus mehreren Kollektorelementen, die beispielsweise eine Parabelöffnungsweite von ca. 6 m und eine Länge von ca. 12 m aufweisen. Die Parabolrinnen werden von Spiegelelementen ausgebildet und in der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr, auf das die Sonneneinstrahlung konzentriert wird und an das die aufgefangene Wärmeenergie abgegeben wird. Die Präzision, mit der die Spiegelelemente zueinander und zur Brennlinie ausgerichtet sind, ist wesentlich, da davon die Energieausbeute und damit der Wirkungsgrad einer solchen solarthermischen Anlage abhängt. Diese Präzision wird durch die Positionierung und Fixierung der Spiegelelemente auf den jeweiligen Tragkonstruktionen der Sonnenkollektoren bestimmt. Hier wird durch die Erfindung nun ein Verfahren geschaffen, das eine dauerhafte, stabile und feste Verbindung der Fügebauteile in ihrer Fügeposition schafft, das es ermöglicht, die Bauteile frei in die Fügeposition zu bewegen und das dann etwa vorhandene Maß- und/oder

Präzisionsabweichungen der Fügebauteile bezüglich ihrer zu verbindenden Fügeflächen ausgleicht. Insgesamt wird hierdurch eine Kostenminimierung bei der Herstellung von Sonnenkollektorelementen erreicht, da die komplexen Strukturen eines Sonnenkollektorelementes weiterhin hochgenau und präzise zueinander ausgerichtet und angeordnet sind, wobei gleichzeitig die Ansprüche an die Maßhaltigkeit der einzelnen Fügebauteile verringert werden kann, weil Maß- und Toleranzabweichungen durch das Fügeverfahren noch ausgeglichen werden können.

Dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren ist ein sechsachsiger

Toleranzausgleich in jeweils einem einzigen Wirkelement eines

Fügebauteils, nämlich in dem die Fügeflächen aufweisenden Fügebauteilelement , möglich. Es entsteht bei entsprechender

Auswahl des Fügemediums, welches vorteilhafterweise ein Gießharz, wie Polyesterharz, Polyurethanharz, Silikonharz, Vinylesterharz, insbesondere aber ein Epoxidharz ist, keine thermische Belastung durch das aushärtende Vergussharz. Ein mögliches Fügemedium ist auch Schmelzklebstoff. Es wird also ein Fügemedium verwendet, das vorzugsweise bei Raumtemperatur oder im Bereich von < 100 ⁰ C, oder auch im Bereich von < 200 ⁰ C flüssig ist. Zur Herstellung der Fügeverbindung müssen keine Fügekräfte aufgebracht werden. Auch werden keine Eigenspannungen in die zu fügenden Fügebauteile eingebracht. Eventuell vorhandene Korrosionsschutzschichten der Fügebauteile, beispielsweise eine Feuerverzinkung, bleiben beim Fügen unversehrt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbunden werden. Eine Lösung der Verbindung ist nur durch Zerstören der Verbindung möglich, so dass ein unbeabsichtigtes Lösen, wie beispielsweise bei Schraubverbindungen, bei der erfindungsgemäß zerstörungsfrei unlösbaren Verbindung nicht eintritt .

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. Ia, Ib in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Verfahrens,

Fig. 2a, 2b in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3a, 3b in schematischer Darstellung erstes und zweites Fügebauteil eines

Sonnenkollektorelementes in schematischer

Darstellung vor positionsgenauer Ausrichtung der Fügebauteile zueinander und in

Fig. 4a, 4b Fügebauteile des Sonnenkollektorelementes in schematischer Darstellung in positionsgenau ausgerichteter Fügeposition zueinander.

Die Fig. Ia zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Fügebauteil, an welchem ein Reservoir oder Aufnahmebehältnis 2 angeordnet ist, wobei die Fügeflächen 3 des ersten Fügebauteiles 1 von den Innenwandflächen des Aufnahmebehältnisses 2 ausgebildet werden. Dem ersten Fügebauteil 1 ist ein zweites Fügebauteil 4 zugeordnet, das mit einem stabförmigen Ankerelement 5 versehen ist, wobei die Außenflächen des Ankerelementes 5 die Fügeflächen 6 des zweiten Fügebauteiles 4 ausbilden. Beispielsweise ausgehend von der in Fig. Ia dargestellten relativen Position von erstem und zweitem Fügebauteil 1, 4 zueinander, werden diese in ihrer Raumposition so verändert und gedreht, dass sie in der in Fig. Ib dargestellten positionsgenauen Ausrichtung zueinander positioniert werden. In dieser in Fig. Ib dargestellten Fügeposition sind die die Fügeflächen des zweiten Fügebauteiles ausbildenden Außenflächen des Verankerungselementes 5 von den die Fügeflächen 3 des ersten Fügebauteils 1 ausbildenden Innenwandflächen des Aufnahmebehältnisses 3 beabstandet angeordnet, so dass dadurch ein durchgängiger Fügespalt 7 ausgebildet wird. Damit ist als erster Schritt ein positionsgenaues Ausrichten des ersten und zweiten Fügebauteils 1, 4 zueinander in die dargestellte Fügeposition unter Ausbildung des Fügespaltes 7 zwischen den Fügeflächen 6 der Fügebauteile 1, 4 erfolgt. In dieser Fügeposition werden erstes Fügebauteil 1 und zweites Fügebauteil 4 in ihrer Relativlage zueinander zumindest temporär fixiert. Danach wird der Fügespalt 7 mit einem fluiden Fügemedium 8 verfüllt. Bei dem fluiden Fügemedium

handelt es sich um ein Gießharz, beispielsweise ein Polyesterharz, ein Polyurethanharz, ein Silikonharz, ein Vinylesterharz, aber insbesondere ein Epoxidharz oder auch einen Schmelzklebstoff, die in flüssigem Aggregatzustand in den Fügespalt 7 eingegossen werden. Dieses Fügemedium 8 härtet nun in dem Fügespalt 7 aus und wird zu einer Kohäsions- und Adhäsionskräfte ausbildenden dauerhaften und die zwischen erstem und zweitem Fügebauteil 1, 4 auftretenden Kräfte übertragenden Verbindung. Nach dem Aushärten sind erstes Fügebauteil 1 und zweites Fügebauteil 4 somit dauerhaft in ihrer durch die Fügeposition bestimmten Relativlage zueinander fixiert. Daher kann nach zumindest teilweiser Aushärtung des Fügemediums 8 die zunächst vorgesehene zumindest temporäre Fixierung von erstem und zweitem Fügebauteil 1, 4 zueinander aufgehoben werden. Im in den Figuren Ia und Ib dargestellten Ausführungsbeispiel taucht das Verankerungselement 5 nur teilweise in das Aufnahmebehältnis 2 und auch nur teilweise in das darin eingefüllte Fügemedium 8 ein. In diesem Ausführungsbeispiel bilden folglich nur die Bereiche der Außenflächen des Verankerungselementes 5 die Fügeflächen 6 aus, die in das Fügemedium 8 eintauchen. Die darüber hinaus vorhandenen Außenflächenbereich des Verankerungselementes 5 können zwar identisch zu den Fügeflächen 6 ausgebildet und ausgeformt sein, tragen aber zur kraft- und gegebenenfalls formschlüssigen Verbindung von erstem Fügebauteil 1 und zweitem Fügebauteil 4 nicht bei. Gleiches gilt für die Fügeflächen 3 des Fügebauteils 1.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann es auch möglich sein, beispielsweise die dem ersten Fügebauteil 1 zugewandte Endfläche des Verankerungselementes 5 als nahezu dem Innenquerschnitt des Aufnahmebehältnisses 2 entsprechende tellerförmige Ausformung auszubilden, die dann lediglich mit ihrer dem ersten Fügebauteil 1 zugewandten Außenfläche mit

dem Fügemedium 8, das nur bis zu der dafür notwendigen Höhe in das Aufnahmebehältnis 2 eingefüllt wird, in Kontakt tritt. In diesem Falle findet die Kraftübertragung beim ersten Fügebauteil 1 und zweiten Fügebauteil 4 dann lediglich über diese flächige Aneinanderkopplung statt. Dies ist eine Möglichkeit, die dann genutzt wird, wenn die dadurch mögliche Kraft- und Momentübertragung eine ausreichende mechanische Stabilisierung und Fixierung der ausgerichteten Fügeposition zwischen erstem Fügebauteil 1 und zweitem Fügebauteil 4 dauerhaft gewährleistet.

Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2a und 2b unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach den Figuren Ia und Ib ausschließlich darin, dass die Fügeflächen 3a des ersten Fügebauteils 1 und die Fügeflächen 6a des zweiten Fügebauteils 4 Hinterschneidungen ausbilden, die nach Erstarrung des Fügemediums 8 dazu führen, dass zwischen dem Verankerungselement 5 und dem Aufnahmebehältnis 2 eine formschlüssige Verbindung ausgebildet ist. Da die übrigen Bauteile identisch zu denen des Ausführungsbeispieles nach den Figuren Ia, Ib sind und auch dieselbe Funktion aufweisen und ebenso das dazu identische Verfahren angewendet wird, sind diese in den Figuren 2a und 2b mit identischen Bezugszeichen versehen.

Die Figuren 3a, 3b, 4a und 4b verdeutlichen eine leicht abgewandelte Verfahrensweise, die mit besonderem Vorteil bei der Herstellung von Sonnenkollektorelementen Anwendung findet .

In der Fig. 3a ist ein erstes Fügebauteil 9 schematisch dargestellt, das auf seiner konkav gewölbten Außenfläche 10 verspiegelt ausgebildet ist. Das erste Fügebauteil 9 bildet somit ein Spiegelelement 11 eines Sonnenkollektorelementes aus. Auf der der verspiegelten Außenfläche 10 abgewandten

(Rück-) Seite sind auf dem ersten Fügebauteil 9 zwei Aufnahmebehältnisse 12, 13 ausgebildet und angeordnet. In den Aufnahmebehältnissen 12, 13 befindet sich flüssiges Fügemedium 8, wobei es sich um dasselbe Medium wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren Ia, Ib, 2a und 2b handelt. Das in der Fig. 3a weiterhin schematisch dargestellte zweite Fügebauteil 14 stellt eine in Teilansicht schematisch dargestellte Stahl- und/oder Tragkonstruktion 15 eines Sonnenkollektorelementes dar, auf welchem die Spiegelelemente 11 des Sonnenkollektorelementes befestigt werden und welches in der Regel einachsig um eine Achse 16 im Anwendungsfalle dem Sonnenverlauf nachfolgend verschwenkt werden. An dem zweiten Fügebauteil 14 bzw. aus der Stahl - und/oder Tragkonstruktion 15 ragen Verankerungsstifte oder Verankerungsbolzen 17a, 17b hervor, deren Außenflächen analog zu den Außenflächen des Verankerungselementes 5 nach der Ausführungsform gemäß Figuren Ia und Ib die Fügeflächen 18a, 18b des zweiten Fügebauteils 14 ausbilden.

In der Fig. 3b ist in einer etwas weniger schematischen Darstellung eine konkrete Ausgestaltung eines Teilbereiches des zweiten Fügebauteils 14 gemäß Fig. 3a dargestellt. Die Fig. 3b zeigt einen Tragkonstruktionsarm 15a der Stahl - und/oder Tragkonstruktion 15, an dem ein Verankerungsstift oder Verankerungsbolzen 17a hervorstehend angeordnet ist. Weiterhin ist ein Teil der Rückseite des ersten Fügebauteiles 9 dargestellt, auf welcher unter Zwischenschaltung eines U- förmigen Bügelelementes 19 das Aufnahmebehältnis 13 angeordnet ist. In dem Aufnahmebehältnis 13 befindet sich das flüssige Fügemedium 8.

Es wird nun zunächst das erste Fügebauteil 9 bereitgestellt, das Fügeflächen 20a, 20b auf den Innenwandseiten der

Aufnahmebehältnisse 12, 13 aufweist. Hierbei sind die Aufnahmebehältnisse 12, 13 bereits mit dem flüssigen

Fügemedium 8 befüllt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass das Spiegelelement 11 mit der verspiegelten Seite nach unten in eine erste (nicht dargestellte) Aufnahmevorrichtung eingelegt und die Aufnahmebehältnisse 12, 13 mit dem flüssigen Fügemedium 8 befüllt werden. Anschließend erfolgt ein positionsgenaues Ausrichten von erstem und zweitem Fügebauteil 9, 14 zueinander in eine Fügeposition. Hierbei wird beispielsweise in der in den Figuren 3a und 3b dargestellten Ausgangsposition die Stahl- und/oder Tragkonstruktion 15 in der in den Figuren 3a und 3b dargestellten Position in eine über der ersten Aufnahmevorrichtung angeordneten, das Spiegelelement 11 aufnehmenden zweiten (ebenfalls nicht dargestellten) Aufnahmevorrichtung eingehängt und mit seinen Verankerungsstiften oder Verankerungsbolzen 17a, 17b oberhalb der Aufnahmebehältnisse 12, 13 positioniert. Durch Aufeinanderzufahren von erster und zweiter Aufnahmevorrichtung in Richtung des Pfeiles 21 (siehe Fig. 4a) werden das erste Fügebauteil 9 und das zweite Fügebauteil 14 dann aufeinander zu bewegt und gleichzeitig in ihre exakte

Fügeposition ausgerichtet. In dieser Fügeposition tauchen dann, wie es aus den Figuren 4a und 4b ersichtlich ist, die Fügeflächen 18a, 18b des zweiten Fügebauteils 14 in das flüssige Fügemedium 8 in den Aufnahmebehältnissen 12, 13 des ersten Fügebauteils 9 ein. Hierbei wird zwischen den Fügeflächen 18a, 18b des zweiten Fügebauteils 14 und den Fügeflächen 20a, 20b des ersten Fügebauteils 9 jeweils ein Fügespalt 22a, 22b ausgebildet. In dieser, in den Figuren 4a und 4b dargestellten Fügeposition erfolgt nun ein zumindest temporäres Fixieren der Fügebauteile 9, 14 und ein Aushärten des Fügemediums 8 in den Fügespalten 22a und 22b zu einer Kohäsions- und Adhäsionskräfte ausbildenden dauerhaften und die zwischen den Fügebauteilen 9, 14 auftretenden Kräfte übertragenden Verbindung. Anschließend wird nach zumindest teilweiser Aushärtung des Fügemediums die zumindest temporäre

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Fixierung von erstem und zweitem Fügebauteil 9, 14 in der Fügeposition aufgehoben, so dass dann allein die Fixierung der beiden Bauteile zueinander mit Hilfe der durch das nun ausgehärtete Fügemedium 8 gebildeten Verbindung erfolgt. Auch bei der Ausführungsform nach den Figuren 3a, 3b, 4a, 4b wird die Ausbildung der Fügespalte 22a, 22b sowie die Ausbildung der dauerhaften festen Verbindung durch Eintauchen der Verankerungsstifte oder Verankerungsbolzen 17a, 17b in das mit dem ersten Fügebauteil 9 zur Verfügung gestellte flüssige Fügemedium 8 erreicht.