Verfahren zum dauerhaften Verbinden zweier Bauteile

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Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden zweier Bauteile.

5 Bei einem aus der DE 101 01 025 A1 bekannten Verfahren dieser Art werden zwei Bauteile, die aus chemisch inkompatiblen Polymeren bestehen, einer Plasmabehandlung unterzogen und anschließend zusammengefügt. Für das Verfahren ist es erforderlich, dass die Oberflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile aneinander anliegen, um eine möglichst große gemeinsame Kontaktflä- ι 0 che zur Ausbildung einer hohen Festigkeit zu ermöglichen.

Weiterhin sind so genannte Laserdurchstrahlschweißverfahren allgemein bekannt. Bei diesen Verfahren werden zwei aus Kunststoff bestehende Bauteile miteinander verbunden, wobei eines der Bauteile für Laserlicht durchlässig, und

!5 das andere Bauteil laserlichtabsorbierend ausgebildet ist. Die Laserabsorption lässt sich dabei mittels Füllstoffen bewirken, die z.B. aus Ruß, Farbstoffen oder Pigmenten bestehen können. Auch hierbei müssen die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile in Anlagekontakt zueinander gebracht werden, wobei das Laserlicht von der Seite des laserlichtdurchlässigen Bauteils her in den Fügebe-

50 reich zwischen den beiden Bauteilen eingeleitet wird. Im Fügebereich erfolgt dann ein Aufschmelzen zunächst des laserlichtabsorbierenden Bauteils, und durch Wärmeübergang anschließend ein Aufschmelzen des laserlichtdurchlässigen Bauteils, so dass die beiden Bauteile im Fügebereich miteinander dicht verbunden werden.

55 Anstelle zweier Bauteile, bei denen zumindest ein Bauteil aus einem laserlicht- absorbierenden Material hergestellt ist bzw. für Laserlicht undurchlässig ist, ist es auch bekannt, zwischen zwei laserlichtdurchlässigen Bauteilen eine Zwischenschicht anzuordnen, die laserlichtabsorbierend ausgebildet ist. Bekannt sind

5 hierbei beispielsweise Verfahren, bei denen eine Folie, die im Bereich der Wellenlänge der Laserlichtquelle absorbierend ist oder eine Flüssigkeit mit entsprechenden Eigenschaften zwischen den Bauteilen anzuordnen. Das letztgenannte Verfahren unter Verwendung einer Flüssigkeit ist beispielsweise aus der WO 2002038677 A2 bekannt. Nachteilig bei den Verfahren, welche im Fügebereich

0 der beiden Bauteile durch Erwärmung mittels Laserlicht eine Verbindung zwischen den beiden Bauteilen herstellen ist, dass diese Verfahren für chemisch inkompatible Polymere nicht einsetzbar sind.

Offenbarung der Erfindung

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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden zweier Bauteile bereitzustellen, das eine Alternative zu dem Laserdurchstrahlverfahren sowie zu dem eine Plasmabehandlung zumindest eines der Bauteile erforderlichen Ver-

! 0 bindungsverfahrens darstellt. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum dauerhaften Verbinden zweier Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen im Fügebereich durch eine Vernetzung auf molekularer Ebene mittels chemischer Bestandteile erfolgen soll, welche nach Einbringen ei-

!5 ner für das Starten der chemischen Reaktion erforderlichen Anfangsenergie sowohl eine Bindung mit den Molekülen des einen Bauteils, als auch mit den Molekülen des anderen Bauteils eingehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum dauerhaf- 50 ten Verbinden zweier Bauteile sind in den Unteransprüchen angegeben. In den

Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Besonders bevorzugt ist es, dass die chemische Reaktion nach dem Starten selbständig verläuft. Dadurch ist nur ein einmaliges, ggf. sehr kurzes Einbringen einer Anfangsenergie erforderlich, um den chemischen Prozess zu starten.

5 Besonders bevorzugt lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin bei

Bauteilen einsetzen, die aus chemisch inkompatiblen Polymeren, insbesondere Thermoplasten, Elastomeren und/oder Dumeren bestehen. Derartige Bauteile lassen sich beispielsweise mit den bekannten konventionellen Laserdurchstrahlverfahren nicht miteinander verbinden.

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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Bauteile in Anlagekontakt miteinander angeordnet werden. Dadurch ist eine sichere Verbindung zwischen den beiden Bauteilen möglich, da nur kleine bzw. gar keine Abstände zwischen den Bauteilen im Fügebereich überbrückt werden müssen.

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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die chemischen Bestandteile als Zwischenschicht ausgebildet bzw. angeordnet sind. Dadurch können die insbesondere aus Kunststoff bestehenden Bauteile unverändert übernommen werden, bzw. es müssen beim Herstellungs-

! 0 prozess der Bauteile keine chemischen Zusatzstoffe für die Bauteile verwendet werden.

Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die Zwischenschicht als Beschich- tung, Paste oder als Dotierungsmittel ausgebildet ist. Dadurch kann die Zwi- !5 schenschicht je nach den speziellen Anforderungen de Bauteile optimal ange- passt werden.

Als vorteilhafte chemische Bestandteile werden vorzugsweise peroxidische Verbindungen und/oder Präpolymere und/oder Oligomere eingesetzt.

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Um den chemischen Prozess in Gang zu setzen ist es in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das Einbringen der Anfangsenergie durch eine Wärmezufuhr erfolgt. Da Wärmebehandlungen in der Industrie aus vielen anderen Anwendungen bekannt sind und sich sehr genau steuern lassen, kann damit

55 das Verfahren großtechnisch einfach angewandt werden. Besonders bevorzugt ist es, dass das die chemischen Bestandteile enthaltende Bauteil bzw. die Zwischenschicht zumindest im Bereich der chemischen Bestandteile laserlichtabsorbierend ausgebildet ist und, dass die Anfangsenergie mittels Laserstrahlung eingebracht wird. Dadurch wird ein gezieltes Starten der 5 chemischen Reaktion im Fügebereich zwischen den beiden Bauteilen ermöglicht, ohne dass die beiden Bauteile ansonsten erwärmt werden müssen.

Zur Erzielung der Laserlichtabsorption ist es in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass eines der Bauteile bzw. die Zwischenschicht einen Füll- 0 stoff enthält, der die Laserstrahlung absorbiert.

Als Alternative zum Starten der chemischen Reaktion mittels einer Wärmezufuhr ist es auch möglich, eine photoaktive Substanz vorzusehen, die unter Einwirkung von Licht die zum Starten der chemischen Reaktion erforderliche Anfangsenergie

5 bereitstellt. Hier wird die Aktivierungsenergie durch die direkte Absorption von

Photonen aufgebracht und nicht durch eine thermische Zersetzung von Molekülen in der Zwischenschicht. Es ist daher möglich, das Verbindungsverfahren bei, im Vergleich zum klassischen Laserstrahlschweißen, sehr niedrigen Temperaturen durchzuführen.

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Insgesamt gesehen bietet das erfindungsgemäße Verfahren den besonderen Vorteil, dass nur ein sehr geringer Wärmeeintrag in die Fügezone und die Bauteile erforderlich ist. Dadurch lässt sich ein Verzug an den Bauteilen verhindern und gleichzeitig die Dauerfestigkeit der Verbindung erhöhen. Weiterhin können je

!5 nach Beschaffenheit der Zwischenschicht auch relativ große Spalte zwischen den Bauteilen überbrückt werden, da das Material der Zwischenschicht nicht aus der Fügezone getrieben wird, sondern dort verbleibt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der 50 nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Dies zeigen in:

55 Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Verbindung zwischen zwei Bauteilen mit dazwischen angeordneter Zwischenschicht, Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 beim Einbringen bzw. Aktivieren der Zwischenschicht durch einen Laserstrahl und

5 Fig. 3 die Anordnung gemäß der Fig. 1 und 2 nach dem Beenden der chemischen Reaktion, bei der die beiden Bauteile miteinander verbunden sind.

Bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Anordnung 10 sollen zwei Bauteile 1 und 3 unter Zwischenlage einer Zwischenschicht 2 dauerhaft miteinander verbunden

0 werden. Hierbei bestehen die beiden Bauteile 1 , 3 beispielsweise aus chemisch inkompatiblen Polymeren, insbesondere Thermoplasten, Elastomeren und/oder Duromeren. Die Zwischenschicht 2 kann entweder als Beschichtung wenigstens einer der beiden Bauteile 1 , 3, oder als Paste oder als Dotierungsmittel ausgebildet sein. Die Zwischenschicht 2 selbst besteht bzw. enthält beispielsweise pero-

5 xidische Verbindungen, die durch Erwärmung freie Radikale bilden. Anstelle von peroxidischen Verbindungen können auch Präpolymere oder Oligomere verwendet werden, die durch Wärmezufuhr polymerisieren und durch dabei entstehende reaktive Endgruppen mit Molekülen der Bauteile 1 , 3 eine Verbindung eingehen.

! 0 Erfindungswesentlich ist, dass durch die Zwischenschicht 2 nach einer Aktivierung mittels einer Anfangsenergie eine chemische Reaktion gestartet wird, in deren Folge die Moleküle der Zwischenschicht 2 (symbolisch dargestellt durch die X-Moleküle in den Fig. 1 bis 3) mit den Molekülen der Bauteile 1 und 3 (dargestellt durch die Y-Moleküle) eine Verbindung auf atomarer bzw. molekularer Ebe-

!5 ne eingehen, die zu einer Vernetzung zwischen den Bauteilen 1 und 3 führt.

Die Aktivierung der chemischen Reaktion in der Zwischenschicht 2 wird bevorzugt mittels eines Laserstrahls 5 erreicht, der von einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle erzeugt wird, und der in den Fügebereich 6 zwischen den Bauteilen

50 1 und 3, das heißt insbesondere in die Zwischenschicht 2 eingeleitet wird. Hierbei besteht entweder die Zwischenschicht 2 selbst aus einem laserlichtabsorbie- renden Material, oder aber das dem Laserstrahl 5 gegenüberliegend angeordnete Bauteil 3 besteht aus einem laserlichtabsorbierenden Material, bzw. es sind dem Bauteil 3 laserlichtabsorbierende Füllmaterialien zugesetzt.

55 Alternativ ist es auch möglich, anstelle einer laserlichtabsorbierenden Zwischenschicht 2 bzw. einem laserlichtabsorbierenden Bauteil 3 eine Zwischenschicht vorzusehen, die eine photochemische Reaktion in Gang setzt.

In der Fig. 1 ist der Zustand der Anordnung 10 dargestellt, bei der zwischen den Bauteilen 1 und 3 unter Zwischenlage der Zwischenschicht 2 noch keine chemische Reaktion stattgefunden hat. Bei der Fig. 2 ist der Fall dargestellt, bei dem die Zwischenschicht 2 durch den Laserstrahl 5 aktiviert wird bzw. ein Energieeintrag in Form einer Wärmeenergie in der Zwischenschicht 2 erfolgt. Dies führt zum Starten eines chemischen Reaktionsprozesses, welcher nach Abstellen des Laserstrahls 5 bevorzugt sich selbständig aufrecht erhält, bis die chemische Reaktion abgeschlossen ist. Dieser Zustand ist in der Fig. 3 dargestellt, bei der zumindest einzelne X-Moleküle mit Y-Molekülen der Bauteile 1 und 3 miteinander vernetzt sind bzw. eine Bindung eingegangen sind, und somit eine dauerhafte und feste Verbindung zwischen den Bauteilen 1 und 3 erzielt wird.