Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zusammenfügen von zwei Fügepartnern insbesondere durch quasisimultanes Laserschweißen von Kunststoffteilen.

Technologischer Hintergrund

Kunststoffe oder Kunststoffteile bzw. Werkstücke oder Halbzeuge aus Kunststoff haben in der heutigen Produktion eine besondere Bedeutung. Derartige Kunststoffteile werden in den unterschiedlichsten Gebieten der Technik eingesetzt, wie z. B. auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik, Robotik, Maschinenfertigung Haushaltsgerätetechnik und dergleichen. Hierbei ist es in einzelnen Produktionsschritten oftmals erforderlich, zwei oder mehr Kunststoffteile miteinander zu verbinden. Dies kann beispielsweise durch eine Klebeverbindung oder eine mechanische Befestigungslösung erfolgen, wie z. B. durch Schrauben, Nieten oder Clipsen. Vermehrt wird jedoch Schweißen eingesetzt, um z. B. zwei Bauteile bzw. Fügepartner miteinander insbesondere unlösbar zu verbinden bzw. zusammenzufügen. Hierbei gibt es unterschiedliche Schweißverfahren, die eingesetzt werden können, wie z. B. Laserschweißen, Heißgasschweißen, mittels Heizplatte, Infrarotschweißen, Ultraschallschweißen oder Reibschweißen.

Beim Heißgasschweißen werden die beiden zu verschweißenden Fügepartner in der Regel jeweils in einen produktspezifischen Werkstückträger eingelegt. Dabei öffnen sich sogenannte Vorschubeinheiten und der eigentliche Schweißvorgang wird durch Ausfahren des Heizelements in die Heizposition eingeleitet. Daraufhin erfolgt die diathermische (Durchwärmphase) Phase, in der der Verbindungsbereich bzw. die Fügezone durch Strahlungswärme plastifiziert wird. Der Wärmeübergang vom Heizelement zur Schweißnaht wird durch einen heißen Schutzgasstrom erzwungen. Nachdem die notwendige Schmelzwärme auf das Kunststoffteil aufgebracht wurde, fahren die Vorschübe so weit auseinander, dass das Heizelement von der Arbeits- in die Parkposition fahren kann. Der eigentliche Fügeprozess erfolgt nun durch Schließen der Zuführeinheiten, so dass die plastifizierten, schweißdefinierten Geometrien miteinander verschmolzen werden können. Der vorgegebene Fügeweg wird überwacht und stellt somit das korrekte Endmaß der geschweißten Teile sicher.

Ferner können zwei Kunststoffteile auch mittels einer beheizten Werkzeugplatte miteinander verschweißt werden, wobei eine Schweißrippe oder -raupe an gegenüberliegenden Fügepartnern mit einem beheizten Werkzeug, der Heizplatte, in Kontakt gebracht werden. Die Wärme wird in die Schweißrippe geleitet und bringt diese zum Schmelzen. Die Heizplatte wird dann entfernt und die Fügepartner werden zusammengedrückt, bis sie sich miteinander verbinden. Beim Infrarotschweißen (IR-Schweißen) werden die Fügepartner starr in der Nähe einer infrarotabstrahlenden Platte gehalten, um die Fügeflächen aufzuschmelzen. Die Platte wird entfernt und die Teilehälften werden zusammengetrieben und können unter Druck wieder erstarren. Das Heißgasschweißen, die Heizplatte und das Infrarotschweißen nach dem Stand der Technik haben die Nachteile, dass diese hohe Technologiekosten in Anspruch nehmen und Wärme nicht selektiv für Schweißschnittstellen bereitgestellt werden kann. Zudem sind lange Taktzeiten erforderlich und es wird ein hoher Energieaufwand benötigt.

Bei dem Ultraschallschweißen wird die erforderliche Schweißwärme durch Druck und Ultraschallschwingung zwischen den zu verbindenden Teilen erzeugt. Nach der Plastifizierung erstarrt der geschmolzene Kunststoff unter Druck, wodurch eine homogene Schweißverbindung entsteht. Dieses Verfahren ist jedoch ungeeignet für Baugruppen mit Elektronik im Inneren, da diese durch den Ultraschall beschädigt werden können. Zudem werden Partikel erzeugt, welche zu einer erhöhten Verschmutzung führen können, z. B. auch der Elektronikkomponenten. Beim Reibschweißen wird die erforderliche Schweißwärme durch Druck und Reibung zwischen den zu verbindenden Teilen erzeugt. Nach der Plastifizierung wird das geschmolzene Kunststoffmaterial steif und ergibt eine homogene Schweißverbindung. Jedoch ist auch das Reibschweißen nicht geeignet für einige Baugruppen mit Elektronik im Inneren, da ebenfalls Partikel erzeugt werden.

Das Grundprinzip des Laserschweißens ist ein Laserstrahl, der einen lasertransparenten Fügepartner durchdringt und auf einen absorbierenden Fügepartner fokussiert wird. Der Laserstrahl wird dabei in Wärme umgewandelt und plastifiziert das Material. Das ansteigende Volumen kontaktiert den transparenten Partner. Durch die entstehende Wärmeleitung wird der transparente Fügepartner lokal plastifiziert. Um eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Fügepartnern und schließlich eine Schweißverbindung zu erhalten, muss in der Regel eine Fixierplatte angebracht werden, die beide Fügepartner während der Laserbelichtung zusammenpresst. Das Verfahren zum Laserschweißen von Kunststoffen setzt somit einen lasertransparenten Fügepartner und einen laserabsorbierenden Fügepartner voraus. Dadurch, dass eines der Fügeteile bzw. ein Fügepartner lasertransparent sein muss, kann es zu erhöhten Herstellungskosten kommen, da lasertransparente Kunststoffe oftmals kostenaufwendig sind, insbesondere wenn die Kunststoffteile z. B. in schwarzer Farbe ausgestaltet sein sollen.

Druckschriftlicher Stand der Technik

Aus der CN 107 471 657 A ist ein Laserschweißverfahren zum transmissionsfreien Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen bekannt, bei dem zwei nicht-transparente Bauteile per Laser verschweißt werden, wobei diese aber beim Schweißvorgang unter Druck aneinander gehalten werden. Bei dem Laserschweißverfahren werden ein zu verschweißendes oberes Kunststoffteil und ein zu verschweißendes unteres Kunststoffteil derart positioniert, dass das obere Kunststoffmodul und das untere Kunststoffmodul gestapelt und durch Druck zusammengepresst werden. Ein Laserstrahl wird dann auf das obere Kunststoffteil fokussiert, sodass ein Erwärmungsbereich gebildet wird. Der Laserstrahl wird dann so eingestellt, dass die Temperatur des Erwärmungsbereichs niedriger ist als der Schmelzpunkt des oberen Kunststoffteils, aber höher ist als der Schmelzpunkt des unteren Kunststoffteils, so dass die Wärme des Erwärmungsbereichs auf das untere Kunststoffmodul abgestrahlt und entsprechend geschmolzen wird, so dass dieses dann unter der Druckeinwirkung mit dem oberen Kunststoffteil verbunden wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zusammenfügen von Kunststoffteilen zur Verfügung zu stellen, mit dem Kunststoffteile, insbesondere für Baugruppen mit

Elektronikkomponenten im Inneren, in einfacher, effizienter und kostengünstiger Weise miteinander verbunden werden können und womit die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden.

Erfindungsgemäße Lösung

Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 sowie durch den nebengeordneten Anspruch gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Die vorliegende Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zum Zusammenfügen von zwei Fügepartnern, insbesondere zum Verschweißen der Fügepartner mittels Wärmeeintrag bzw. zum guasisimultanen Laserschweißen von Kunststoffteilen.

Hierzu umfasst die Vorrichtung eine erste Wärmeguelle, die angeordnet ist, um eine Fügefläche des ersten Fügepartners zu erhitzen, und eine zweite Wärmeguelle, die angeordnet ist, um eine Fügefläche des zweiten Fügepartners zu erhitzen. Ferner sind eine erste Bauteilaufnahme zur Aufnahme des ersten Fügepartners und eine zweite Bauteilaufnahme zur Aufnahme des zweiten Fügepartners vorgesehen, wobei die erste Bauteilaufnahme um eine erste Rotationsachse rotierbar angeordnet ist und die zweite Bauteilaufnahme um eine zweite Rotationsachse rotierbar angeordnet ist. Dabei ist die erste Bauteilaufnahme zumindest im Wesentlichen senkrecht bzw. orthogonal zur zweiten Bauteilaufnahme angeordnet, sodass auch die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind. Die erste Bauteilaufnahme weist zudem eine Heizposition auf, in der der erste Fügepartner derart zur ersten Wärmequelle angeordnet ist, dass die Fügefläche des ersten Fügepartners durch die erste Wärmequelle erhitzbar ist. Demgemäß weist auch die zweite Bauteilaufnahme eine Heizposition auf, in der der zweite Fügepartner derart zur zweiten Wärmequelle angeordnet ist, dass die Fügefläche des zweiten Fügepartners durch die zweite Wärmequelle erhitzbar ist. Die Vorrichtung kann dann den ersten und den zweiten Fügepartner insbesondere nach der Erhitzung zusammenfügen, indem eine Fügeposition vorgesehen ist, in der die Fügeflächen des ersten und des zweiten Fügepartners gegenüberliegend angeordnet sind, und die erste Bauteilaufnahme um die erste Rotationsachse rotiert wird bzw. rotierbar ist, sodass sich der erste Fügepartner in der Fügeposition befindet, und die zweite Bauteilaufnahme um die zweite Rotationsachse rotiert wird bzw. rotierbar ist, sodass sich auch der zweite Fügepartner in der Fügeposition befindet. Die Fügeflächen werden dabei zusammengeführt, indem eine Fügeeinheit vorgesehen ist, welche die erste Bauteilaufnahme oder ein Teil der ersten Bauteilaufnahme oder die zweite Bauteilaufnahme oder ein Teil der zweiten Bauteilaufnahme bewegen kann (z. B. dass die erste Bauteilaufnahme oder ein Teil der ersten Bauteilaufnahme auf die zweite Bauteilaufnahme zubewegt werden kann oder die zweite Bauteilaufnahme oder ein Teil der zweiten Bauteilaufnahme auf die erste Bauteilaufnahme zubewegt werden kann), wobei die Fügeflächen durch die Bewegung der Fügeeinheit in Kontakt gebracht werden bzw. in Kontakt bringbar sind.

Vorzugsweise können die Fügeflächen zusammengeführt werden, indem die Fügeeinheit die erste Bauteilaufnahme oder ein Teil der ersten Bauteilaufnahme in Richtung entlang der ersten Rotationsachse oder entlang der zweiten Rotationsachse bewegt wird, so dass die Fügefläche des ersten Fügepartners mit der Fügefläche des zweiten Fügepartners in Kontakt gebracht wird. Alternativ oder zusätzlich können die Fügeflächen auch zusammengeführt werden, indem die bzw. eine Fügeeinheit die zweite Bauteilaufnahme oder einen Teil der zweiten Bauteilaufnahme in Richtung entlang der ersten Rotationsachse oder entlang der zweiten Rotationsachse bewegt, so dass die Fügefläche des ersten Fügepartners mit der Fügefläche des zweiten Fügepartners in Kontakt gebracht wird.

Vorzugsweise ist als erste Wärmequelle ein Laser und/oder als zweite Wärmequelle ein Laser vorgesehen. Darüber hinaus können auch sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen, die zum Erwärmen der Fügeflächen geeignet sind, als Wärmequelle vorgesehen sein.

Ferner können die Bauteilaufnahmen jeweils mehrere Fügepartner aufnehmen können, insbesondere jeweils zwei oder vier Fügepartner oder mehr.

Dementsprechend können die Bauteilaufnahmen auch mehrere Bauteilsitze aufweisen. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Fügepartner parallel bzw. quasisimultan beladen, beheizt, zusammengefügt und entladen werden können. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Bauteilaufnahme einen Drehtisch bzw. Rundtellertisch umfassen, der um die Rotationsachse rotierbar angeordnet ist. Der Drehtisch kann dabei jegliche Form (rund, viereckig, sechseckig oder dergleichen) und jegliche Dicke aufweisen. Ferner kann der Drehtisch z. B. über einen Elektromotor, insbesondere Stellmotor, oder über eine Hydrauliksteuerung angetrieben werden.

Zweckmäßigerweise kann die Bauteilaufnahme zumindest einen Bauteilsitz zur Aufnahme eines Fügepartners umfassen.

In vorteilhafter Weise kann der Bauteilsitz eine zur Aufnahme geeignete Bauteil-Fixierung umfassen, insbesondere einen Vakuumsauger, einen Magnetmechanismus oder eine Klemmvorrichtung, um das Bauteil bzw. den Fügepartner sicher zu halten. Ferner ist es dadurch möglich, dass die Bauteile auch „über Kopf“ am Drehtisch transportierbar sind, ohne dass sich diese vom Bauteilsitz lösen. Vorzugsweise umfasst die Fügeeinheit einen Stempel, der den Drehtisch oder den Bauteilsitz kontaktiert, und eine Fügekraft auf den Stempel übertragen wird, so dass der Drehtisch und/oder der Bauteilsitz in Richtung entlang der ersten Rotationsachse bewegt wird.

Zweckmäßigerweise kann die Fügeeinheit einen motorgetriebenen oder einen hydraulischen Antrieb umfassen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Bauteilaufnahme horizontal und eine Bauteilaufnahme vertikal angeordnet werden.

Ferner können auch zwei vertikal und gegenüberliegend angeordnete Bauteilaufnahmen vorgesehen sein. Dementsprechend kann auch eine zusätzliche Wärmequelle für die zusätzliche zweite vertikale Bauteilaufnahme vorgesehen sein.

Zweckmäßigerweise kann für jede Wärmequelle ein separates Überwachungssystem, insbesondere eine Wärmebildkamera, vorgesehen sein, um das Aufheizen der Fügepartner separat zu überwachen. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Überwachung besonders genau stattfinden kann, da jedes Bauteil einzeln überwacht wird und individuell auf Fehler regiert werden kann (z. B. das nur die Leistung in einer Wärmequelle verändert wird).

Ferner können die Bauteilaufnahmen jeweils eine eigene Fügeeinheit aufweisen, wobei die Fügeflächen der Fügepartner dadurch zusammengeführt werden, dass jede Fügeeinheit die jeweilige Bauteilaufnahme oder einen Teil dieser bewegt, so dass die Fügeflächen durch die Bewegung der Fügeeinheiten in Kontakt gebracht werden. Daraus resultiert der Vorteil, dass eine Taktzeiteinsparung erfolgen kann, wobei die Aufheizphase bzw. die Erwärmung z. B. verkürzt werden kann.

Neben- oder untergeordnet beansprucht die Erfindung zudem ein Verfahren zum Zusammenfügen von zwei Fügepartnern. Insbesondere erfolgt dies anhand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf: - Beladen einer ersten Bauteilaufnahme mit dem ersten Fügepartner und einer zweiten Bauteilaufnahme mit dem zweiten Fügepartner;

- Positionieren der ersten Bauteilaufnahme um eine erste Rotationsachse in eine Heizposition, in der der erste Fügepartner derart zur ersten Wärmequelle angeordnet ist, dass die Fügefläche des ersten Fügepartners durch die erste Wärmequelle erhitzt wird und Positionieren der zweiten Bauteilaufnahme um eine zweite Rotationsachse in eine Heizposition, in der der zweite Fügepartner derart zur zweiten Wärmequelle angeordnet ist, dass die Fügefläche des zweiten Fügepartners durch die zweite Wärmequelle erhitzt wird;

- Erwärmung, indem eine erste Wärmequelle vorgesehen bzw. angeordnet ist, um die Fügefläche des ersten Fügepartners zu erhitzen, und eine zweite Wärmequelle angeordnet ist, um die Fügefläche des zweiten Fügepartners zu erhitzen;

- Rotieren der ersten Bauteilaufnahme um die erste Rotationsachse, sodass sich der erste Fügepartner in einer Fügeposition befindet, und Rotieren der zweiten Bauteilaufnahme um die zweite Rotationsachse, sodass sich auch der zweite Fügepartner in einer Fügeposition befindet, wobei die Fügeflächen des ersten und des zweiten Fügepartners in der Fügeposition gegenüberliegend angeordnet sind;

- Zusammenfügen des ersten Fügepartners und des zweiten Fügepartners, indem die Fügeflächen durch eine Bewegung der ersten Bauteilaufnahme oder eines Teils der ersten Bauteilaufnahme oder der zweite Bauteilaufnahme oder eines Teils der zweiten Bauteilaufnahme in Kontakt gebracht werden. Beispielsweise kann hierzu eine Fügeeinheit vorgesehen sein, welche die Fügefläche des ersten Fügepartners durch eine Bewegung der ersten Bauteilaufnahme oder eines Teils der ersten Bauteilaufnahme entlang der ersten Rotationsachse mit der Fügefläche des zweiten Fügepartners in Kontakt bringt. Ferner könnte auch die Fügefläche des zweiten Fügepartners durch eine Bewegung der zweiten Bauteilaufnahme oder eines Teils der zweiten Bauteilaufnahme entlang der ersten Rotationsachse mit der Fügefläche des zweiten Fügepartners in Kontakt gebracht werden. Darüber hinaus sind auch andere Konstellationen denkbar oder auch beidseitige Bewegungen

(z. B. dadurch, dass jede Bauteilaufnahme eine Fügeeinheit aufweist); und

- Entladen der verbundenen Fügepartner. Vorzugsweise können die Bauteilaufnahmen jeweils mehrere Fügepartner aufnehmen, insbesondere jeweils zwei, drei oder vier Fügepartner.

Dementsprechend können die Bauteilaufnahmen auch mehrere Bauteilsitze aufweisen. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Fügepartner parallel bzw. quasisimultan beladen, beheizt, zusammengefügt und entladen werden können.

In vorteilhafter Weise kann vor allem das Entladen und Beladen der Bauteilaufnahmen mit Fügepartnern parallel zur Erwärmung erfolgen, wobei zumindest ein Fügepartner erwärmt wird, während die Bauteilaufnahme parallel mit einem anderen Fügepartner beladen wird und/oder zwei verbundene Fügepartner entladen werden bzw. ein fertiges Kunststoffprodukt entladen wird.

Ferner kann die vorliegende Erfindung für die Herstellung einer Sensoreinheit mit einem Gehäuse, insbesondere einen Radar- oder Lidarsensor zur Umgebungserfassung für ein Fahrzeug bzw. ein Fortbewegungsmittel, genutzt werden. Das Gehäuse umfasst dabei zwei Fügepartner, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zusammengefügt wurden.

Im Sinne der Erfindung wird unter „entlang der Rotationsachse“ insbesondere in Richtung der Rotationsachse bzw. der Längsausdehnung der Rotationsachse verstanden. Beispielsweise bedeutet das, dass wenn die Rotationsachse mittig durch die Bauteilaufnahme bzw. den Drehtisch der Bauteilaufnahme verläuft, können auch die Bauteilnester bzw. Bauteilsitze, die im äußeren Bereich des Drehtisches angeordnet sind, durch einen Fügehub entlang der Rotationsachse (d. h. in Richtung der Rotationsachse, also etwa senkrecht bzw. orthogonal zum Drehtisch) bewegt werden, um das Zusammenfügen bzw. Kontaktieren der Fügepartner zu bewirken.

In vorteilhafter Weise ermöglicht es die vorliegende Erfindung somit, ein Verfahren (Prozess) und eine Vorrichtung zu schaffen, womit zwei nicht-transparente Kunststoffteile auch unter Verwendung von Laser als Energie- bzw. Heizquelle (Laserschweißen) verschweißt werden können. Die Applikation kann dabei in Hinblick auf den Einsatz in der Serienproduktion für den Materialfluss und die Taktzeit in einfacher und kostengünstiger Weise optimiert werden: Durch die spezielle Ausgestaltung der Vorrichtung kann diese für den Serienbetrieb optimiert werden, indem die einzelnen Prozesse parallelisiert werden (quasisimultan). Insbesondere eignet sich das Verfahren auch zum Schweißen von Baugruppen mit Elektronik im Inneren, da diese durch den erfindungsgemäßen Verbindungsvorgang nicht beschädigt werden. Ferner handelt es sich hierbei um einen partikelfreien Prozess, wobei bekannte ESD-Anforderungen eigehalten werden. In vorteilhafter Weise kann somit die Robustheit der Lasertechnologie für das Schweißen von Kunststoffen genutzt werden, unabhängig von der Transparenz eines Fügepartners. Es kann dabei ein selektiver Wärmepfad an der Schweißschnittstelle gebildet werden. Zudem wird die Flexibilität der Technologie bei Änderungen des Teiledesigns erhöht, wobei keine zusätzlichen Werkzeugänderung oder Neuanfertigungen von Werkzeugen notwendig sind.

Die vorliegende Erfindung kann zudem beispielsweise in den folgenden Bereichen eingesetzt werden (explizit nicht einschränkende Auflistung): Automotive, Aerospatiale, Medizintechnik, Elektronik und darüber hinaus in allen Bereichen, in denen zwei Kunststoffteile verschweißt werden müssen, um ihre Funktion zu entfalten. Infolgedessen liefert die vorliegende Erfindung einen ganz besonderen Beitrag auf dem Gebiet des (Laser-) Schweißens von Kunststoffteilen.

Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführunqsbeispielen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zweckmäßigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserschweißen von Kunststoffteilen, wobei (A) eine Schnittdarstellung durch die Mitte der Bauteilaufnahme 2 sowie die Frontale der Bauteilaufnahme 3 zeigt, (B) eine Schnittdarstellung durch die Mitte der Bauteilaufnahme 3 sowie die Frontale der Bauteilaufnahme 2 zeigt und (C) eine Schnittdarstellung durch die Mitten der Bauteilaufnahmen 2 und 3;

Fig. 2: eine vereinfachte, schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 1 mit dargestellten Rotationsachsen sowie eine Vergrößerungsdarstellung der Fügeposition der beiden Fügepartner 4 und 5;

Fig. 3: eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer horizontal angeordneten Bauteilaufnahme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4: eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer vertikal angeordneten Bauteilaufnahme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie

Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ablaufplans für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei Bauteilsitzen pro Bauteilaufnahme.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst zwei Positioniersysteme bzw. eine erste Bauteilaufnahme 2 und eine zweite Bauteilaufnahme 3, welche hier aufgrund der Anordnung auch als horizontale Aufnahme und vertikale Aufnahme bezeichnet werden können. Die erste Bauteilaufnahme 2 dient zur Aufnahme des ersten Fügepartners 4 und die zweite Bauteilaufnahme 3 zur Aufnahme eines zweiten Fügepartners 5. Ferner sind die erste Bauteilaufnahme 2 und die zweite Bauteilaufnahme 3 derart konfiguriert, dass diese jeweils vier Bauteile oder Fügepartner 4a-4d bzw. 5a-5d aufnehmen können. Die Vorrichtung 1 ist dabei konfiguriert, die aus Kunststoff gefertigten Fügepartner 4, 5 entlang einer Fläche, der Fügefläche, zusammenzufügen. Die Fügefläche entsteht dabei aus Fügeflächen 6, 7 der Fügepartner 4, 5, an denen die Fügepartner 4, 5 miteinander verbunden werden. Die Fügeflächen 6, 7 können dabei eine durchgehende Fläche bilden oder auch Unterbrechungen oder Erhebungen aufweisen. Für den Fügevorgang umfasst die Vorrichtung 1 eine erste Wärmequelle in Form eines Lasers 8, die angeordnet ist, um die Fügefläche 6 des ersten Fügepartners 4 zu erhitzen, und eine zweite Wärmequelle in Form eines Lasers 9, die angeordnet ist, um die Fügefläche 7 des zweiten Fügepartners 5 zu erhitzen, d. h. die Fügeflächen 6, 7 werden dabei erwärmt, so dass diese ggf. schmelzen oder teilweise aufschmelzen, um dann miteinander verschweißt zu werden.

Die erste Bauteilaufnahme 2 ist dabei um eine erste Rotationsachse 10 rotierbar angeordnet und die zweite Bauteilaufnahme 3 ist um eine zweite Rotationsachse 11 rotierbar angeordnet. Die Rotation ist in den Fig. durch die dicken schwarzen Pfeile dargestellt, wobei die Rotationsrichtung je nach Anwendungsfall festlegbar ist. Da die Bauteilaufnahmen 2, 3 jeweils vier Bauteile bzw. Fügepartner aufnehmen können, muss die Bauteilaufnahme 2, 3 für eine Positionsänderung somit um etwa 90 Grad um die jeweilige Rotationsachse gedreht werden. Die erste Bauteilaufnahme 2 ist zumindest im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Bauteilaufnahme 3 angeordnet, d. h. die Installationsebenen der flächig ausgestalteten Bauteilaufnahmen 2, 3 sind im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet, sodass auch die erste Rotationsachse 10 und die zweite Rotationsachse 11 im Wesentlichen senkrecht bzw. rechtwinkelig (+/- einer Bauteiltoleranz von 0 Grad bis 5 Grad, insbesondere von 0 Grad bis 3 Grad) zueinander angeordnet sind. Die erste Bauteilaufnahme 2 sowie auch die zweite Bauteilaufnahme 3 weisen jeweils eine Heizposition auf, in der der jeweilige Fügepartner 4, 5 derart zum entsprechenden Laser 8, 9 angeordnet sind, dass deren Fügeflächen 6, 7 durch die Laser 8, 9 erhitzbar sind (in den Fig. dargestellt durch die schwarzen dünnen Pfeile).

Ferner werden der erste Fügepartner 4 und der zweite Fügepartner 5 nach der Erhitzung zusammengeführt, indem eine Fügeposition vorgesehen ist, in der die Fügeflächen 6, 7 des ersten Fügepartners 4 und des zweiten Fügepartners 5 gegenüberliegend angeordnet sind. Hierzu wird die erste Bauteilaufnahme 2 um die erste Rotationsachse 10 um 90 Grad rotiert, sodass sich der erste Fügepartner 4 in der Fügeposition befindet, und die zweite Bauteilaufnahme 3 wird 90 Grad um die zweite Rotationsachse 11 rotiert, sodass sich auch der zweite Fügepartner 5 in der Fügeposition befindet, sodass die Fügeflächen 6, 7 gegenüberliegend angeordnet sind, wie dies in Fig. 2 näher dargestellt ist. Die Fügeflächen 6, 7 können dann zusammengeführt werden, indem die erste Bauteilaufnahme 2 oder ein Teil der ersten Bauteilaufnahme 2 bewegbar entlang der ersten Rotationsachse 10 angeordnet ist, wobei die erste Fügefläche 6 durch eine Bewegung (dargestellt durch den weißen Pfeil) der ersten Bauteilaufnahme 2 oder eines Teils der ersten Bauteilaufnahme 2 entlang der ersten Rotationsachse 10 mit der zweiten Fügefläche 7 des zweiten Fügepartners 5 in Kontakt gebracht wird.

Die horizontale Aufnahme bzw. erste Bauteilaufnahme 2 umfasst, wie in Fig. 3 dargestellt, einen (horizontal angeordneten) Drehtisch 21 , der um die erste Rotationsachse 10 rotierbar angeordnet ist, ggf. eine Grundplatte 22 für einen Bauteilsitz, einen Bauteilsitz 23, der den ersten Fügepartner trägt, und einen Stempel 24 zur Krafteinleitung und damit zur Fügebewegung (Fügehub), der z. B. über einen Motor oder hydraulisch angetrieben werden kann. Die Krafteinleitung (dargestellt durch den Pfeil F) erfolgt dabei vorzugsweise durch eine stationär montierte Fügeeinheit von unten. Die erste Bauteilaufnahme 2 umfasst somit eine geführte Bauteilaufnahme, um einen präzisen Fügehub zu gewährleisten, d. h. hier wird nicht die ganze Bauteilaufnahme 2 entlang der ersten Rotationsachse 10 in Richtung des zweiten Fügepartners bewegt, sondern nur der Bauteilsitz 23 mit dem ersten Fügepartner 4.

Die vertikale Aufnahme bzw. bzw. zweite Bauteilaufnahme 2 umfasst, wie in Fig. 4 dargestellt, einen (vertikal angeordneten) Drehtisch 31 , der um die zweite Rotationsachse 11 rotierbar angeordnet ist, ggf. eine Grundplatte 32 für einen Bauteilsitz und einen Bauteilsitz 33, der den zweiten Fügepartner 5 trägt. Der Bauteilsitz 33 ist dabei vorzugsweise derart konfiguriert, dass er eine zur Aufnahme geeignete Bauteil-Fixierung (in den Fig. der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt), z. B. einem Vakuumsauger, einem magnetischen Mechanismus (insbesondere bei nichtmetallischen Kunststoffen mit permanentmagnetischen Eigenschaften oder mit Kunststoff umspritzten magnetischen Stoffen) oder einem Klemmmechanismus, umfasst, um das Bauteil bzw. den zweiten Fügepartner 5 zu halten und der Schwer- und Fliehkraft entgegen zu wirken. Die Fügebewegung ist hierbei explizit nicht auf eine Fügebewegung von „unten nach oben“ (auf die Darstellung in den Figuren bezogen) beschränkt, insbesondere könnte auch die erste Bauteilaufnahme vertikal und die zweite Bauteilaufnahme horizontal angeordnet sein, so dass die Fügebewegung von „oben nach unten“ kommen würde gerichtet wäre (auf die Darstellung in den Figuren bezogen würde das bedeuten, dass Fügepartner 5 mit Bauteilaufnahme 33 nach unten gegen den Fügepartner 4 gedrückt würde). Darüber hinaus ist es auch möglich, dass beide Bauteilaufnahmen mittels einer Fügeeinheit jeweils eine Fügebewegung (nacheinander oder gleichzeitig) vollzeihen, d. h. eine beidseitige Bewegung, wobei z. B. jede Bauteilaufnahme eine Fügeeinheit aufweist.

Durch die Auftrennung der einzelnen Prozesse in einzelne Prozessstationen ist ein taktzeitoptimierter Serienbetrieb möglich, da z. B. das Ent- und Beladen der Bauteilaufnahmen 2, 3 parallel zum (Laser)-Aufheizprozess läuft (sozusagen quasisimultan). Ferner sind die bestehenden Verfahren zum Schweißen von Kunststoffen von nicht-transparenten Teilen (z. B. Heißgasschweißen oder Infrarotschweißen), bei denen die Energiequelle nicht die Schweißoberfläche berührt, nicht in der Lage, die Energie bzw. die Wärme direkt auf die Schweißoberfläche zu fokussieren. Demgegenüber haben die Verfahren, die in der Lage sind, die Energie/Wärme direkt auf die Schweißoberfläche zu fokussieren (z. B. Ultraschallschweißen oder Reibschweißen), den Nachteil, dass sie eine Menge Partikel erzeugen und/oder potenziell elektronische Komponenten beschädigen können, wenn die Baugruppe diese enthält. Demgegenüber betrifft die vorgeschlagene Erfindung insbesondere ein selektives Kunststoffschweißverfahren, bei dem die Energie/Wärme direkt auf die Schweißgrenzfläche bzw. die Fügefläche(n) fokussiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Verfahrensschritte Laser-Erwärmung (Heating), Positionieren bzw. Rotieren (Switching), Verpressen und Abkühlen (Clamping and Cooling) sowie das Be- und Entladen (Loading/Unloading) der Bauteile bzw. Fügepartner. Bei der Laser-Erwärmung werden die beiden zu verschweißenden Teile bzw. Fügepartner 4, 5 aufgeheizt bzw. erwärmt. Die Erwärmung sollte dabei im richtigen Winkel für jeden Fügepartner spezifisch erfolgen - hierzu können die Laser 8, 9 entsprechend angeordnet werden bzw. können auch beweglich ausgeführt sein. Für jeden Fügepartner 4, 5 ist daher ein eigenes Laserequipment vorgesehen, damit die notwendigen Prozessparameter selektiv und unabhängig eingestellt werden können. Zudem kann jeweils ein Überwachungssystem, z. B. in Form von Wärmebildkameras (in den Fig. nicht dargestellt), adaptiert werden, um die beiden Aufheizprozesse zu überwachen und eventuell auftretende negative Einflüsse zu erkennen.

Nach dem Beenden des Aufheizens, insbesondere dem Ausschalten des Lasers, werden beide Fügepartner 4, 5 beim Positionieren mit einer rotierenden Bewegung (über den Rundschaltteller bzw. Drehtisch 21 , 31 ) in die Fügeposition bewegt, bis die beiden erwärmten Fügepartner 4, 5 einander gegenüberstehen, sich aber noch nicht berühren (d. h. die Bauteilaufnahmen 2, 3 werden hierzu jeweils um 90 Grad rotiert).

Zweckmäßigerweise ist eine Fügeeinheit vorgesehen, die es dann erlaubt, in der Fügeposition mit variablen Fügegeschwindigkeiten und Fügekräften den optimalen „Verpress-Vorgang" der aufgeschmolzenen Flächen einzustellen (Verpressen) und zu überwachen. In diesem Stadium müssen die Fügepartner 4, 5 so lange verbleiben (d. h. aneinander gepresst verbleiben), bis das erhitzte Material nicht mehr von selbst oder aufgrund des fehlenden Drucks zwischen den Bauteilen verformt werden kann und sich somit die beiden Bauteile dauerhaft stoffschlüssig verbunden haben (Abkühlen). Hierbei kann auch eine aktive Abkühlung (z. B. mittels Luftstromkühlung) vorgesehen sein.

Beim Be- und Entladen erfolgt das Einlegen der beiden Fügepartner für den automatisierten Materialfluss vorzugsweise durch geeignete Handlingsysteme, z. B. Industrieroboter oder Achsportale in einer freien Bauteilaufnahme (z. B. in den Figuren an der Position von Bauteilsitz für Fügepartner 4c/4d oder 5c/5d - abhängig der Anzahl der verwendete Bauteilsitze und abhängig vom verwendeten Positionierungssystem).

In Fig. 5 ist ein Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens exemplarisch für ein System bzw. eine Vorrichtung mit zwei Bauteilaufnahmen gezeigt, bei dem jede Bauteilaufnahme drei Bauteile bzw. Fügepartner aufnehmen kann, d. h. jeweils drei Bauteilsitze aufweist. Für eine Positionsänderung wird der jeweilige Drehtisch somit um 120 Grad gedreht.

Ferner ist es auch denkbar, anstatt der beiden Drehtische 21 , 31 , andere Warenträgerumlaufsysteme zu verwenden (wie z. B. frei programmierbares Antriebssystem mit Linearmotortechnik, auf dem z. B. eine variable Anzahl von „Movern“ unabhängig voneinander in einer Endlosschleife fahren können). Die Anzahl der verwendeten Bauteilsitze 23, 33 (sogenannte „Stationen“ oder „Nester“) auf den Drehtischen 21 , 31 sowie die Rotationsrichtungen der Warenträgersysteme sind variabel wählbar und für den Einsatzfall anpassbar. Die räumliche Anordnung/Orientierung des Fügeaufbaus im Raum ist variabel und kann ebenfalls für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zum Zusammenfügen

2 (erste) Bauteilaufnahme

3 (zweite) Bauteilaufnahme

4, 4a-4d (erster) Fügepartner

5, 5a-5d (zweiter) Fügepartner

6 Fügefläche

7 Fügefläche

8 Laser

9 Laser

10 erste Rotationsachse

11 zweite Rotationsachse

21 Drehtisch

22 Grundplatte

23 Bauteilsitz

24 Stempel

31 Drehtisch

32 Grundplatte

33 Bauteilsitz