Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, bei dem die beiden Bauteile miteinander in Kontakt ge bracht und anschließend mittels Ultraschallverschweißens miteinander verschweißt werden.

Thermoplastische Kunststoffmaterialien kommen in faserverstärkter Form und nicht faserver stärkter Form in vielen Gebieten der Technik und Anwendungen zum Einsatz, wie zum Beispiel in der Luftfahrt- und Raumfahr- und Automobilindustrie. Aufgrund der thermoplastischen Ei genschaften können verschiedene aus solchen Kunststoffmaterialien hergestellte Bauteile oder Komponenten zur Herstellung größerer Konstruktionen und Strukturen miteinander ver schweißt werden.

Ein bekanntes Schweißverfahren ist Ultraschallverschweißen, das jedoch hauptsächlich für nicht faserverstärkte Kunststoffmaterialien mit niedrigen oder mittleren Schmelztemperaturen von maximal 200 °C Verwendung findet. Demgegenüber hat sich der Einsatz von Ultraschallver schweißen in industriellem Maßstab für Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien und insbesondere faserverstärkten Hochleistungs-Kunststoffmaterialien, wie etwa PPS, PEI, PEEK oder PEKK, als schwierig herausgestellt. Um diese zu adressieren, sind Versuche vorgenommen worden, die Geometrie, Arbeitsfrequenz, Amplitude und andere Parameter der Ultraschallsono trode und Prozessparameter, wie etwa Anpressdruck, Bauteilgeometrie und Verarbeitungszeit, zu optimieren. Eine signifikante Verbesserung der Qualität der Schweißverbindung ist jedoch nur durch das Anordnen von sog. Energierichtungsgebern zwischen den zu verschweißenden Bauteilen erreicht worden. Diese Energierichtungsgeber haben allerdings den Nachteil, dass vor dem Ultraschallverschweißen zweier Bauteile zwischen diesen separate Elemente in definierter Weise angeordnet werden müssen. Dadurch erhöhen sich der Arb eits aufwand, die Verarbei tungszeit und die Kosten, und die Flexibilität bei der Ausgestaltung der Kombination der beiden miteinander verbundenen Bauteile wird eingeschränkt. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial mittels Ultraschallverschweißen be reitzustellen, das einfach, kostengünstig und flexibel durchführbar ist und durch das die Quali tät der Schweißverbindung insbesondere bei faserverstärkten Hochleistungs- Kunststoffmaterialien weiter verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs l und durch eine Verwendung eines Bauteils aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial mit den Merkma len des Anspruchs 13 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile vorgesehen, bei dem ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil bereitgestellt werden, von denen jedes aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Das thermoplastische Kunststoff material liegt demnach nach dem Bereitstellen und vor der Verbindung der beiden Bauteile in konsolidierter Form vor. Jedes der beiden Bauteile ist dabei bevorzugt vollständig aus dem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet oder besteht aus diesem. Es ist aber auch möglich, dass eines oder beide der beiden Bauteile lediglich ein Teil oder ein Abschnitt eines größeren Bauteils ist, das neben dem Teil oder Abschnitt aus dem thermoplastischen Kunst stoffmaterial noch weitere Teile oder Abschnitte aus einem oder mehreren anderen Materialien aufweist. Ein solches größeres Bauteil kann dann auch noch andere Teile oder Abschnitte auf- weisen, die aus demselben oder einem anderen thermoplastischen Kunststoffmaterialien ausge bildet sind.

In jedem Fall weist das erste Bauteil ein erstes Abreißgewebe an einer ersten Oberfläche des ersten Bauteils auf. Die erste Oberfläche kann dabei die gesamte Oberfläche des ersten Bauteils auf einer Seite des ersten Bauteils sein oder nur ein Teil bzw. Abschnitt einer solchen Oberflä- che, wie insbesondere der Teil bzw. Abschnitt, der mit dem zweiten Bauteil verschweißt wird. Ein Abreißgewebe ist in bekannter Weise ein Gewebe, das zum Beispiel aus textilen Fasern oder Filamenten, wie zum Beispiel Glasfasern bzw. -filamente oder Keramikfasern bzw. -filamente, die insbesondere im Fall von Hochleistungsthermoplasten in vorteilhafter Weise zur Anwen dung kommen können, oder auch Nylon- bzw. Polyamid-Fasern oder -Filamenten, ausgebildet sein kann und das während der Herstellung vor dem Konsolidieren als Schicht an der Oberflä che eines Kunststoffbauteils angeordnet wird und nach der Verfestigung des Kunststoffmaterials entfernt werden kann. Im Fall von Bauteilen, die als Laminate und insbesondere als faserver stärkte Kunststofflaminate hergestellt werden, werden die Abreißgewebe während der Herstel lung als erste oder letzte Schicht in das Laminat eingebracht. Durch das Entfernen bzw. Abrei ßen des Abreißgewebes wird an der entsprechenden Oberfläche eine gleichmäßig raue Oberflä che bereitgestellt, die ein Kleben oder Lackieren ohne Reinigen oder Anschleifen ermöglicht. Das Abreißgewebe ist bevorzugt ein gewebtes textiles Gebilde, kann aber ggf. auch ein nicht ge webtes flächiges Fasergebilde sein, zum Beispiel aus den oben genannten Fasermaterialien.

Dementsprechend wird das erste Abreißgewebe nach dem Bereitstellen des ersten Bauteils von dem ersten Bauteil entfernt bzw. abgerissen. Nach dem Entfernen des ersten Abreißgewebes wird die erste Oberfläche des ersten Bauteils mit einer zweiten Oberfläche des zweiten Bauteils in Kontakt gebracht. Mit anderen Worten werden das erste und das zweite Bauteil mit ihrer ers ten und zweiten Oberfläche aneinander angelegt und bevorzugt mit einem definierten Anpress druck aneinandergedrückt. Die erste und die zweite Oberfläche berühren sich somit unmittel bar, und es sind bevorzugt kein weiteres Material und keine weiteren Elemente zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet, insbesondere kein Klebematerial und keine se paraten Energierichtungsgeber.

Anschließend werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil an der ersten und zweiten Ober fläche durch Ultraschallschweißen miteinander verschweißt werden, d.h. während sie miteinan der in Kontakt sind. Durch das Entfernen des Abreißgewebes von der ersten Oberfläche wird in dieser in vorteilhafter Weise ein Oberflächenprofil ausgebildet, das großflächig eine Anordnung einer Vielzahl von - bevorzugt ganz oder zumindest abschnittsweise gleichmäßig verteilten und gleichen - Erhebungen und Vertiefungen bzw. voneinander beabstandeter Vorsprünge aufweist. Diese können aufgrund ihrer Ausbildung durch die Fäden oder Filamente des Abreißgewebes in vorteilhafter Weise feine Strukturen sein, die einfach hergestellt und dabei - durch Wahl eines geeigneten Abreißgewebes - flexibel in Form, Abmessungen und Anordnung angepasst werden können. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die voneinander beabstandeten Erhebun gen bzw. Vorsprünge als eine Vielzahl fein verteilter Energierichtungsgeber wirken. Sie sind bei dem Ultraschallverschweißen mit der zweiten Oberfläche in Kontakt und lenken die Ultraschal- lenergie in der Weise in den Kontaktbereich zwischen der ersten und zweiten Oberfläche, dass sie als eine Vielzahl fein verteilter Ultraschallkeime wirken und für eine gleichmäßigere Dissipa tion der Ultraschallenergie sorgen. Diese Erhebungen bzw. Vorsprünge weisen bevorzugt„Spit zen“ auf und können beispielsweise pyramidenförmig oder in Form von langgestreckten Berg kämmen vorgesehen sein.

Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise eine Ultraschallschweißverbindung verbesserter Qualität hergestellt, und das Verfahren ist dennoch besonders einfach, kostengünstig und flexi bel durchführbar. Insbesondere ist es nicht erforderlich, separate Schichten oder Elemente als Energierichtungsgeber zwischen den beiden zu verschweißenden Bauteilen anzuordnen oder derartige Energierichtungsgeber in einem separaten Schritt an der ersten Oberfläche des ersten Bauteils anzuformen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauteil und das zweite Bauteil jeweils ein Teil eines Flugzeugs. Insbesondere kann dann das erste Bauteil und das zweite Bauteil jeweils ein Abschnitt eines Rumpfes, eines Flügels, eines Leitwerks oder einer Steuerfläche des Flug zeugs sein. Beispielsweise kann eines von dem ersten und dem zweiten Bauteil ein Versteifungs element, wie z.B. ein Spant oder ein Stringer, sein und das andere von dem ersten und dem zweiten Bauteil eine Außenhaut oder ein weiteres Versteifungselement, wie z.B. ein Stringer oder ein Spant. Durch das Verfahren können auch Bauteile aus faserverstärkten und nicht faser verstärkten Kunststoffen unter Ausbildung einer Ultraschallschweißverbindung guter Qualität miteinander verbunden werden, wie sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie und im Flugzeug bau zum Einsatz kommen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Abreißgewebe in der Weise ausgestaltet, dass durch das Entfernen des Abreißgewebes von der ersten Oberfläche in dieser in der oben be schriebenen Weise ein Oberflächenprofil ausgebildet wird, das eine Anordnung einer Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen bzw. voneinander beabstandeter Vorsprünge mit Abmessun gen im Sub-Millimeterbereich aufweist, d.h. Abmessungen, die kleiner als 1 mm sind. Diese Abmessungen im Sub-Millimeterbereich liegen in einer oder zwei - dann bevorzugt zueinander senkrechten - Dimensionen entlang der ersten Oberfläche und bevorzugt auch in der Dimensi on senkrecht zu der ersten Oberfläche vor. Dadurch sind die Erhebungen bzw. Vorsprünge fein und weniger als l mm voneinander entfernt, wodurch eine besonders gleichmäßige Dissipation der Ultraschallenergie erreicht wird. Dabei ist es beispielsweise auch möglich, dass das Abreiß gewebe in der Weise ausgestaltet ist oder wird, dass die beschriebenen Abmessungen kleiner als 0,9 mm, kleiner als 0,8 mm, kleiner als 0,7 mm, kleiner als 0,6 mm oder kleiner als 0,5 mm sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat das thermoplastische Kunststoffmaterial des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils eine Schmelztemperatur von mehr als 200 °C und zum Beispiel von mindestens 220 °C. Im Fall eines faserverstärkten Kunststoffmaterials gilt diese Schmelztemperatur in üblicher Weise für das thermoplastische Matrixmaterial.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das thermoplastische Kunststoffmaterial des ers ten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils jeweils einen Hochleistungsthermoplast bzw. hoch temperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff auf oder ist ein solches Material. Zum Beispiel kann das thermoplastische Kunststoffmaterial des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils dann PPS, PEI, PEEK und/oder PEKK aufweisen oder sein. Bevorzugt gilt das sowohl für das erste Bauteil als auch für das zweite Bauteil, d.h. im Fall der genannten spezifischen thermoplastischen Kunststoffe weist dann das thermoplastische Kunststoffmaterial von sowohl dem ersten Bauteil als auch dem zweiten Bauteil jeweils PPS, PEI, PEEK und/oder PEKK auf oder ist bevorzugt PPS, PEI, PEEK und/oder PEKK.

In einer bevorzugten Ausführungsfo rm ist das thermoplastische Kunststoffmaterial jeweils ein faserverstärktes Kunststoffmaterial, d.h. ein Faserverbundmaterial bzw. Faserverbundwerkstoff. Demnach ist in dieser Ausführungsform das jeweilige Bauteil ein Faserverbundbauteil. In die sem Fall gehören die Fasern zu dem thermoplastischen Kunststoffmaterial, auch wenn sie nicht selbst aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet sind. Bevorzugt gilt das für beide Bauteile, d.h. das thermoplastische Kunststoffmaterial von sowohl dem ersten Bauteil als auch dem zweiten Bauteil ist dann jeweils ein faserverstärktes Kunststoffmaterial. Die Fasern können dabei zum Beispiel Kohlenstoff-, Glasfasern- oder Aramidfasern sein, und es können Endlos-, Lang- oder Kurfasern Verwendung finden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bereitstellen des ersten Bauteils auf, dass das erste Bauteil mit dem ersten Abreißgewebe an der ersten Oberfläche des ersten Bauteils herge stellt wird. Alternativ kann das erste Bauteil aus einer Vielzahl bereits hergestellter Bauteile mit einem Abreißgewebe ausgewählt werden. Wenn das Bereitstellen des ersten Bauteils die Her stellung des ersten Bauteils mit dem ersten Abreißgewebe an der ersten Oberfläche umfasst, ist es ferner bevorzugt, wenn das Abreißgewebe aus einer Vielzahl von Fäden bzw. Filamenten aus gebildet ist und bei dem Herstellen des ersten Bauteils mit dem Abreißgewebe ein oder mehrere Werte für einen oder mehrere Parameter aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Fadenab stand, Fadendurchmesser, Fadenform und Maschenweite besteht. Es wird dann bei dem Her stellen des ersten Bauteils anschließend als das Abreißgewebe ein Abreißgewebe ausgewählt oder hergestellt, das den ausgewählten Parameterwert bzw. die ausgewählten Parameterwerte aufweist. Die durch die Erhebungen bzw. Vorsprünge gebildeten Energierichtungsgeber können so in sehr einfacher und flexibler Weise an die jeweilige Anwendung und die dabei verwendeten Materialien und die dabei angestrebte Festigkeit der Schweißverbindung angepasst werden, indem gezielt ein Abreißgewebe mit entsprechenden Eigenschaften ausgewählt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Bauteil ein zweites Abreißgewebe an der zweiten Oberfläche des zweiten Bauteils auf, und das Verfahren weist ferner den Schritt auf, vor dem Inkontaktbringen der ersten Oberfläche des ersten Bauteils mit der zweiten Oberfläche des zweiten Bauteils das zweite Abreißgewebe von dem zweiten Bauteil zu entfernen bzw. abzurei ßen. Für die Ausgestaltung des zweiten Abreißgewebes und das durch dessen Entfernung an der zweiten Oberfläche entstehende Oberflächenprofil gilt dasselbe, wie es für das erste Abreißge webe und das durch dessen Entfernung an der ersten Oberfläche entstehende Oberflächenprofil erläutert worden ist. Das Bereitstellen des zweiten Bauteils kann dann bevorzugt aufweisen, dass das zweite Bauteil mit dem zweiten Abreißgewebe an der zweiten Oberfläche des zweiten Bauteils hergestellt wird.

Nach der vorliegenden Erfindung ist ferner vorgesehen, ein Bauteil, das aus einem thermoplas tischen Kunststoffmaterial ausgebildet ist und das mit einem Abreißgewebe an einer Oberfläche des Bauteils hergestellt ist, als erstes Bauteil oder zweites Bauteil nach einer der oben beschrie benen Ausführungsformen zu verwenden. Dann ist das Abreißgewebe des Bauteils das erste bzw. zweite Abreißgewebe, und die Oberfläche des Bauteils mit dem Abreißgewebe ist die erste bzw. die zweite Oberfläche.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Figur l zeigt die Bereitstellung eines ersten Bauteils aus faserverstärktem Kunststoffmaterial mit einem Abreißgewebe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 zeigt das erste Bauteil der Figur l nach dem Entfernen des Abreißgewebes und dem an schließenden Inkontaktbringen mit einem zweiten Bauteil aus faserverstärktem Kunststoffmate rial, und Figur 3 zeigt das erste und das zweite Bauteil der Figur 2 nach dem Ultraschallverschweißen mit Hilfe einer Ultraschallsonotrode.

Figur l zeigt ein erstes Bauteil l, das aus faserverstärktem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Es ist in Form eines Laminats aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Schichten 3 aus jeweils einem faserverstärkten Kunststoffmaterial vorgesehen. Der Übersicht- lichkeit halber sind nur zwei der Schichten 3 mit dem Bezugszeichen versehen. Verschiedene Schichten können aus demselben faserverstärkten Kunststoffmaterial oder aus unterschiedli chen faserverstärkten Kunststoffmaterialien ausgebildet sein. Zum Beispiel können sich Schich ten 3 aus zwei unterschiedlichen faserverstärkten Kunststoffmaterialien entlang der Stapelrich tung abwechseln. Das erste Bauteil 1 weist in einer Oberflächenschicht 4 ein Abreißgewebe 6 auf, das in eine Matrix 5 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial eingebettet ist. Das Abreißgewebe 6 ist somit an einer ersten Oberfläche 12 des ersten Bauteils 1 abgeordnet.

Das erste Bauteil 1 wird in einem ersten Verfahrensschritt bereitgestellt, indem es zum Beispiel aus einer Vielzahl bereits hergestellter Bauteile der erläuterten Ausgestaltung ausgewählt wird oder indem es durch Aufbau des Laminats hergestellt wird. Anschließend wird das Abreißgewebe 6 durch Ausübung einer Abziehkraft 8 von dem ersten Bauteil l entfernt, wodurch in der ersten Oberfläche 12 ein Oberflächenprofil 7 entsteht, das eine Vielzahl voneinander beabstandeter spitzer Vorsprünge 9 aufweist (siehe auch Figur 2). Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, werden die Form, die Abmessungen und die Anordnung der Vorsprünge 9 durch die Form, die Abmessungen und die Abstände der Fäden bzw. Filamente des Abreißgewe bes 6 bestimmt.

Nach dem Entfernen des Abreißgewebes 6 wird das erste Bauteil 1 mit seiner ersten Oberfläche 12 bzw. genauer den Vorsprüngen 9 in Kontakt mit einer zweiten Oberfläche 13 eines zweiten Bauteils 2 gebracht, das - mit Ausnahme des Fehlens des Abreißgewebes 6 - in derselben Weise wie das in Figur 1 gezeigte erste Bauteil 1 aufgebaut und zuvor bereitgestellt worden ist. Das ers te Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 im miteinander in Kontakt gebrachten Zustand sind in Fi gur 2 gezeigt. Der Kontaktbereich zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 ist durch das Bezugszei chen 10 gekennzeichnet. Das erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 werden durch Ausüben von durch die Pfeile gekennzeichnete Kräfte gegeneinander gedrückt. Anschließend wird eine Ultraschallsonotrode 11 mit zum Beispiel dem zweiten Bauteil 2 in Kon takt gebracht. Wenn nun von der Ultraschallsonotrode 11 Ultraschallenergie in die Kombination aus erstem und zweitem 1, 2 eingebracht wird, wirken die Vorsprünge 9 als Energierichtungsge ber und Keime zur gleichmäßigen Dissipation der Ultraschallenergie, so dass das thermoplasti sche Matrixmaterial im Kontaktbereich 10 gleichmäßig aufgeschmolzen und miteinander ver- schweißt wird.