Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilverbindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 .

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Bauteilverbindungen bekannt, bei denen Kugeln als Verbindungselemente eingesetzt werden. Beispielsweise ist aus der DE 10 2009 049 602 B3 eine„Bauteilverbindung" bekannt, bei der auf ein Karosserieblech eine als Verbindungselement dienende Kugel aufgeschweißt ist, die formschlüssig in eine in einem anderen Blech vorgesehene Ausnehmung eingreift.

Aus der DE 10 2012 214 453 B4 ist eine Bauteilverbindung bekannt, bei der auf ein Blech eine „Doppelkugel", d.h. ein durch zwei miteinander verbundene Kugeln gebildetes Verbindungselement, aufgeschweißt ist, wobei auf die Doppelkugel ein Clip-Element aufgeclipst werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilverbindung, welche eine Doppelkugel oder eine Mehrfachkugel aufweist, anzugeben, das weitere Anwendungsbereiche erschließt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Bauteilverbindung ist ein Substrat, das im Folgenden als „erstes Bauteil" bezeichnet wird. Das erste Bauteil kann z.B. eben sein oder eine nahezu beliebige andere Form aufweisen.

Das erste Bauteil ist zumindest im Bereich eines Teils seiner Oberfläche aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt oder zumindest im Bereich eines Teils seiner Oberfläche mit thermoplastischem Kunststoff versehen. Selbstverständlich kann das ganze erste Bauteil vollständig aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt sein. Alternativ dazu kann das erste Bauteil ganz oder teilweise aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt sein. Die Fasern sind dann im Inneren des thermoplastischen Kunststoffs des ersten Bauteils verteilt und dienen der Verstärkung bzw. Versteifung. Als Versteifungsfasern kommen z.B. Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern o.ä. in Betracht. Hinsichtlich ihrer Faserlänge können Langfasern, Kurzfasern oder sog. Endlosfasern oder Kombinationen derselben Verwendung finden.

Wie bereits angedeutet, muss nicht das gesamte erste Bauteil vollständig aus thermoplastischem Kunststoff bestehen. Denkbar ist auch, dass das erste Bauteil ein Trägersubstrat aufweist, das ganz oder zumindest in einem Teilbereich seiner Oberfläche mit einem thermoplastischem Kunststoff oder einem faserverstärkten thermoplastischem Kunststoff beschichtet ist.

Gemäß der Erfindung wird mit dem ersten Bauteil eine erste Kugel verbunden und zwar durch Ultraschall-Schweißen. Hierzu wird eine bereitgestellte erste Kugel mittels einer Sonotrode gegen eine „Verbindungsstelle" des ersten Bauteils gedrückt.

Bei der ersten Kugel kann es sich um eine Kugel handeln, die vollständig aus thermoplastischem Kunststoffmaterial besteht. Alternativ dazu kann es sich auch um eine aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehende Hohlkugel handeln. Ferner ist denkbar, dass die erste Kugel einen Kugelkern aufweist, der z.B. aus Stahl, Aluminium, Glas, Blei o.ä. bestehen kann und der ganz oder teilweise mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial oder einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial beschichtet bzw. überzogen ist. Auf diese Weise können bestimmte Eigenschaften des Kugelkerns, der z.B. magnetisch sein kann, mit den spezifischen Eigenschaften des als „Beschichtung" verwendeten thermoplastischen Kunststoffmaterials (z.B. Schweißbarkeit mit Bauteilen oder Substraten) kombiniert werden. Wenn zumindest die Oberfläche oder ein Teil der Oberfläche der ersten Kugel aus einem faser- oder partikelverstärkten Kunststoffmaterial besteht, kann dadurch die Festigkeit der ersten Kugel erhöht werden.

Mittels der Sonotrode wird die an das erste Bauteil angedrückte erste Kugel in Schwingungen versetzt, was dazu führt, dass Material der ersten Kugel und/oder Material des ersten Bauteils lokal, d.h. rund um die Berührstelle, aufschmilzt und die erste Kugel mit dem ersten Bauteil lokal verschweißt.

Gemäß der Erfindung wird auf die erste Kugel eine zweite Kugel aufgeschweißt. Hierzu wird zunächst die zweite Kugel mittels derselben Sonotrode oder einer anderen Sonotrode gegen die erste Kugel gedrückt und in Schwingungen versetzt, was dazu führt, dass Material der zweiten Kugel und/oder das Material der ersten Kugel im Berührbereich, d.h. rund um die Berührstelle, aufschmilzt und die zweite Kugel mit der ersten Kugel verschweißt.

Gemäß der Erfindung können selbstverständlich nicht nur Doppelkugeln hergestellt werden, sondern ganz allgemein Mehrfachkugeln, d.h. Verbindungselemente, die zwei oder mehr als zwei sequenziell nacheinander miteinander verschweißte Kugeln aufweisen.

Die einzelnen miteinander zu verschweißenden Kugeln können hinsichtlich ihres Aufbaus identisch oder unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die zweite Kugel eine aus thermoplastischem Kunststoffmaterial hergestellte Vollkugel oder eine aus thermoplastischem Kunststoffmaterial hergestellte Hohlkugel sein. Alternativ dazu kann die zweite Kugel einen Kugelkern aufweisen, der z.B. aus Stahl, Aluminium, Glas, Blei o.ä. besteht und der ganz oder teilweise mit einem thermoplastischen Kunststoff oder einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff beschichtet bzw. überzogen ist. Wie oben bereits im Zusammenhang mit der ersten Kugel erläutert, können dadurch spezifische Eigenschaften des Kugelkerns mit spezifischen Eigenschaften der Beschichtung kombiniert werden. Um das Andrücken und Positionieren der zweiten Kugel an die erste Kugel bzw. in Bezug auf die erste Kugel zu erleichtern, kann eine Positionierhilfe verwendet werden. Unter dem Begriff „Positionierhilfe" ist ganz allgemein eine die erste Kugel teilweise oder ganz umgreifende Einrichtung zu verstehen, welche als Führung zum exakten Heranführen der Sonotrode bzw. der dadurch anzudrückenden zweiten Kugel an die erste Kugel dient. Anders ausgedrückt wird also zunächst die Positionierhilfe an die erste Kugel angesetzt, wobei die Positionierhilfe die erste Kugel zumindest teilweise umgreift. Anschließend wird die Sonotrode beim Andrücken der zweiten Kugel an die erste Kugel mittels der Positionierhilfe geführt bzw. positioniert.

Dieselbe oder eine ähnliche Positionierhilfe kann auch bereits beim Andrücken bzw. Verschweißen der ersten Kugel mit dem ersten Bauteil verwendet werden. Vor dem Andrücken der ersten Kugel an das erste Bauteil wird also zunächst eine Positionierhilfe an das erste Bauteil angesetzt bzw. angedrückt. Wenn sich die Positionierhilfe in einer definierten Position befindet, wird unter Zuhilfenahme die Sonotrode bzw. die erste Kugel mittels der Sonotrode an das erste Bauteil herangeführt und gegen das erste Bauteil gedrückt.

Um eine exakte Positionierung der ersten Kugel in Bezug auf das erste Bauteil zu erreichen, kann an oder in der Oberfläche des ersten Bauteils eine physische Markierung vorgesehen sein. Die physische Markierung kann bspw. als muldenartige Vertiefung, als Durchgangsloch o.ä. ausgebildet sein. Die erste Kugel ragt zumindest ein Stück weit in die physische Markierung hinein und wird dadurch eindeutig relativ zu dem ersten Bauteil positioniert.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste bzw. die zweite Kugel während des Verschweißens mittels der Sonotrode in translatorische Schwingungen versetzt wird. Alternativ oder ergänzend dazu kann auch vorgesehen sein, dass die erste bzw. zweite Kugel während des Verschweißens mittels der Sonotrode in torsionale Schwingungen versetzt wird. Ein wesentlicher sich aus der vollsymmetrischen Gestalt einer Kugel ergebender Vorteil ist, dass beim Verschweißen einer Kugel diese stets richtig im Raum ausgerichtet ist. Die zu verschweißende Kugel muss also lediglich richtig positioniert werden, nicht aber in bestimmter Weise ausgerichtet werden. Aufgrund der konvexen Geometrie einer Kugel ergibt sich bei Ansetzen an das erste Bauteil bzw. beim Ansetzen der zweiten Kugel an die erste Kugel eine Punktberührung oder eine im Wesentlichen punktförmige Berührung, was beim Verschweißen zu sehr hohen Energiedichten und somit zu einem sauberen lokal begrenzten Aufschmelzen des Kugelmaterials bzw. des Materials des ersten Bauteils führt. Im Ergebnis entsteht somit eine qualitativ sehr hochwertige Schweißverbindung.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die erste bzw. zweite Kugel mittels einer Ansaugeinrichtung an oder in eine muldenförmige Ausnehmung der Sonotrode angesaugt oder eingesaugt und im angesaugten oder eingesaugten Zustand mittels der Sonotrode an das erste Bauteil bzw. an die erste Kugel angedrückt.

Die muldenförmige Ausnehmung kann insbesondere kugelkalottenförmig gestaltet sein. Der Krümmungsradius der kugelkalottenförmigen Ausnehmung der Sonotrode kann gleich dem Radius der Kugel sein. Relativ dazu kann der Krümmungsradius der kugelkalottenförmigen Ausnehmung etwas kleiner als der Radius der Kugel sein, was dann zu einer ringartigen Berührung zwischen der kugelartigen Ausnehmung und der Kugel führt. Wenn der Krümmungsradius der kugelkalottenförmigen Ausnehmung etwas größer als der Radius der Kugel ist, liegt die Kugel nur im Bereich einer relativ kleinen Berührfläche an der kugelkalottenartigen Ausnehmung an.

Es kann vorgesehen sein, dass die erste bzw. zweite Kugel durch Ansaugen mittels der Ansaugeinrichtung aus einem Kugelreservoir, insbesondere aus einem mit einer Vielzahl von Kugeln befüllten Vorratsbehälter entnommen, an die Sonotrode angesaugt und mittels der Sonotrode an das erste Bauteil bzw. an die erste Kugel herangeführt und angedrückt wird. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Kugel der Sonotrode bzw. der Ausnehmung der Sonotrode mittels einer Zuführeinrichtung (z.B. pneumatisch über einen Zuführschlauch o.ä.) zugeführt wird, z.B. von der Seite her.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird auf die erste und/oder die zweite Kugel ein Clip-Element aufgeclipst. Das Clip-Element kann integraler Bestandteil eines zweiten Bauteils sein.

Für eine derartige Bauteilverbindung gibt es nahezu unbegrenzte Anwendungsmöglichkeiten. Die Erfindung ist insbesondere für den Fahrzeugkarosseriebau geeignet, d.h. bei dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil kann es sich bspw. um ein Fahrzeugkarosseriebauteil handeln. Alternativ dazu kann es sich bei dem ersten oder dem zweiten Bauteil um ein Fahrzeugkarosseriebauteil und bei dem anderen Bauteil um ein Anbauteil handeln. Derartige Anbauteile sind z.B. im Motorraumbereich von Fahrzeugen in großer Vielzahl zu finden, aber auch in anderen Fahrzeugbereichen, wie z.B. im Kofferraumbereich, im Unterbodenbereich o.ä.

Mittels eines derartigen Clip-Elements kann auch ein zweites, ein lochaufweisendes Bauteil mit dem ersten Bauteil formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden werden. Das zweite, mit einem Durchgangsloch versehene Bauteil kann so an das erste Bauteil angelegt werden, dass die durch die beiden Kugeln gebildete„Doppelkugel" durch das in dem zweiten Bauteil vorgesehene Loch hindurch ragt. Zum Fixieren der beiden Bauteile braucht dann lediglich ein Clip-Element auf die„Doppelkugel", welche dann als Verbindungselement für die beiden Bauteile fungiert, aufgeclipst werden.

Das Verschweißen der Kugeln kann von Hand, d.h. mittels einer von Hand zu führenden und zu betätigenden Sonotrode oder vollautomatisiert erfolgen. Bei einem automatisierten Prozess wird die Sonotrode z.B. mittels eines Industrieroboters geführt. Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-7 einzelne Schritte der Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein erstes, im Wesentlichen ebenes Kunststoffbauteil 1 , in dessen Oberseite 1 a eine muldenartige Vertiefung vorgesehen ist, die als „physische" Markierung zur Positionierung einer Kugel dient. Das erste Bauteil 1 kann vollständig aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehen oder mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial überzogen werden.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Verfahrensschritt wird eine Positionierungshilfe 3 an das erste Bauteil 1 angesetzt. Die Positionierungshilfe 3 weist eine kreisförmige Ausnehmung 3a auf, die konzentrisch bzgl. der muldenartigen Vertiefung 2 ausgerichtet ist.

Mittels einer hier nur sehr schematisch dargestellten Sonotrode 4, welche an seiner unteren Stirnseite eine muldenartige Vertiefung 4a aufweist, wird eine erste Kugel 5 angesaugt. Das Ansaugen der Kugel 5 an bzw. in die muldenartige Vertiefung 4a der Sonotrode 4 erfolgt mittels einer hier nicht näher dargestellten, in die Sonotrode 4 integrierten oder an der Sonotrode 4 angeordneten Ansaugeinrichtung.

Die an die Sonotrode 4 angesaugte erste Kugel 5 wird durch translatorisches Verschieben der Sonotrode 4 an das erste Bauteil 1 herangefahren, bis die erste Kugel 5 exakt in der muldenartigen Vertiefung 2 des ersten Bauteils 1 zu liegen kommt, was in Fig. 3 dargestellt ist. Die Positionierhilfe 3 dient dabei der Führung der Sonotrode, wodurch sichergestellt wird, dass die erste Kugel 5 exakt zentrisch in Bezug auf die muldenartige Vertiefung 2 positioniert wird. Anschließend wird die Sonotrode 4 „eingeschaltet". Die Sonotrode 4 übt dabei„Ultraschall-Schwingungen" auf die erste Kugel 5 aus. Die Ultraschall- Schwingungen können translatorische Schwingungen und/oder torsionale Schwingungen sein. Durch die Ultraschall-Schwingungen entsteht im Berührbereich zwischen der ersten Kugel 5 und dem ersten Bauteil 1 bzw. der muldenartigen Vertiefung 2 eine derart hohe Energiedichte, dass Material der ersten Kugel 5 und/oder Material des ersten Bauteils 1 lokal aufschmilzt, was zum lokalen Verschmelzen bzw. Verschweißen der ersten Kugel 5 mit dem ersten Bauteil 1 führt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, entspricht der Außendurchmesser der ersten Kugel 5 im Wesentlichen dem Durchmesser 3a der Positionierhilfe 3, wodurch sichergestellt ist, dass die erste Kugel 5 auch bei eingeschalteter Sonotrode 4 exakt in ihrer durch die Ausnehmung 3a vorgegebenen Position bleibt.

Fig. 4 zeigt den Verfahrensschritt des Aufschweißens einer zweiten Kugel 6 auf die erste Kugel 5. Zunächst wird auch hier eine Positionierhilfe oder dieselbe Positionierhilfe 3 an das erste Bauteil 1 angesetzt. Die Positionierhilfe 3 weist an der Unterseite ihrer kreisförmigen Ausnehmung 3a eine Abschrägung 3b auf, die ein„Aufsetzen" der Positionierhilfe 3 auf die erste Kugel 5 erleichtert. Aufgrund der Abschrägung 3b kann die Positionierhilfe auf der ersten Kugel nach unten gleiten. Da der Durchmesser der Ausnehmung 3a dem Durchmesser der ersten Kugel 5 entspricht, ist die Positionierhilfe, wie bereits erwähnt, exakt in Bezug auf die erste Kugel 5 positioniert.

Anschließend wird die zweite Kugel 6 an die Sonotrode 4 angesaugt. Die Sonotrode 4 wird mittels der Positionierhilfe 3 an die erste Kugel 5 herangeführt, derart, dass die Mittelpunkte der beiden Kugeln 5, 6 exakt auf einer Senkrechten 7 in Bezug auf das erste Bauteil 1 liegen. Wie in den Fig. 5-7 dargestellt ist, muss die zweite Kugel 6 nicht unbedingt so gesetzt bzw. mit der ersten Kugel 5 verschweißt werden, dass eine durch die Mittelpunkte der beiden Kugeln 5, 6 verlaufende Gerade 7a senkrecht zu dem ersten Bauteil 1 verläuft. Wie insbesondere aus den Fig. 5, 6, 7 ersichtlich ist, kann die zweite Kugel 6 auch„schräg" an die erste Kugel 5 angeschweißt werden. In diesem Fall verläuft die durch die Mittelpunkte der beiden Kugeln 5, 6 verlaufende Gerade 7a schräg zu einer Senkrechten des Bauteils 1 und somit auch schräg zu dem hier ebenen Bauteil 1.

Die in den Fig. gezeigte Positionierhilfe 3 ist als„voreilende" Positionierhilfe ausgebildet, d.h. sie kommt zur Anlage an dem ersten Bauteil 1 , bevor die erste Kugel 5 an das erste Bauteil 1 herangeführt wird bzw. bevor die zweite Kugel 6 an die erste Kugel 5 herangeführt wird. Insbesondere beim Schweißen von Mehrfachkugeln gewährleistet eine derartige Positionierhilfe eine exakte Lage der Kugeln relativ zueinander. Wie bereits erwähnt, fungiert die Positionierhilfe 3 zudem als„lokaler Niederhalter" und verhindert somit das Verrutschen der aktuell zu schweißenden Kugel während des Schweißvorgangs.

Wie in Fig. 7 dargestellt, kann die Positionierhilfe zweiteilig ausgebildet sein, d.h. sie kann durch zwei auseinanderschwenkbare Hälften gebildet sein oder zwei auseinanderschwenkbare Hälften aufweisen, was nach dem Schweißvorgang das Entfernen der Positionierhilfe erleichtert.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Auslösung des Schweißvorgangs, d.h. das Einschalten der Sonotrode 4 erst bei Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen, auf die erste Kugel 5 bzw. die zweite Kugel 6 wirkenden Andrückkraft erfolgt. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einem Nachdrücken bzw. einem erneuten Andrücken der Sonotrode keine erneute Auslösung des Schweißvorgangs, d.h. kein erneutes Einschreiten der Sonotrode erfolgt.