Die Erfindung betrifft eine Rührschweißvorrichtung zur Herstellung einer punktförmigen oder linearen Schweißverbindung zwischen einer Kunststoffplatte oder einem Kunststoffformteil und einem Metall- oder Kunststoffsubstrat, umfassend einen Schweißkopf mit einem rotierbaren oder oszillierbaren Rührstift und einer den Rührstift umgebenden Außenhülse.

Gemäß dem Stand der Technik werden Kunststoffverbindungen (worunter hierin die Verbindung zweier Kunststoffbauteile verstanden wird) und Kunststoffmetallverbindungen (worunter hierin eine Verbindung eines Kunststoffbauteils mit einem Metallbauteil verstanden wird) hauptsächlich durch Kleben, konventionelles Schweißen, Verschrauben oder Nieten verbunden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Kunststoffe im Spritzgussverfahren direkt aufzuspritzen, dies ist aber aufwendig und nur beding einsetzbar, da der flüssige Kunststoff alle Hohlstellen, wie sie z.B. in einem Gehäuse benötigt werden, ausfüllen würde. Ein Gehäusedeckel kann daher nicht einfach aufgespritzt werden.

Bei Schraub und Nietverbindungen werden zusätzliche Dichtungen benötigt, welche im Laufe der Zeit porös werden können oder Undichtigkeiten durch Setzen oder Aufquellen hervorrufen können. Dadurch kann z.B. Wasser oder Schmutz ein- oder austreten.

Aus dem Stand der Technik sind weiters sogenannte Rührreibschweißverfahren („Friction Stir Welding“, FSW) bekannt, bei denen ein rotierender Rührstift in zwei zu verbindende Materialien eindringt, in diesen rotierend verweilt, um Hitze zu generieren. Diese Verfahren können als Punktschweißverfahren oder als Linearschweißverfahren durchgeführt werden, wobei die hierfür entwickelten Maschinen vorzugsweise für das jeweilige Schweißverfahren konzipiert werden und im Allgemeinen aufgrund der jeweiligen Anforderungen nicht für beide Arten der Schweißverfahren austauschbar eingesetzt werden.

Da beim Rührreib schweißen von Kunststoffen der Schweißvorgang ausschließlich das Eindringen und Rotieren des Werkzeugs gesteuert wird, kommt es häufig zur Bildung eines porösen Bereichs im, oder um Schweißnugget. Es bilden sich häufig auch große Blasen, die durch thermische Schrumpfung während der Abkühlphase entstanden.

Die CN 109967858 A offenbart eine Rührschweißvorrichtung zur Herstellung einer linearen Schweißnaht. Ein Rührstift wird innerhalb einer einfachen Außenhülse geführt, die auf dem aufzuschweißenden Kunststoffmaterial aufliegt. Die Außenhülse ist von einer Heizeinrichtung umgriffen. Auch die CN113020776 zeigt eine Rührschweißvorrichtung zur Herstellung einer linearen Schweißnaht, wobei ein Rührstift einstückig am Werkzeugkopf vorgesehen ist.

Die DE102014112683A1 offenbart eine Hybrid-Fügetechnik, bei welcher gleichzeitig Reibung und Ultraschallenergie auf das Werkstück angewandt werden. Ein zentrales Hom leitet hierbei Ultraschallwellen in das Werkstück. Das Horn ist von einem ringförmigen Reibwerkzeug umgeben, das in Reibverbindung mit dem Werkzeug steht.

Die WO 2022/045171 Al offenbart eine Rührschweißvorrichtung zum Punktschweißen. In dieser Schrift ist der Rührstift von einer inneren und einer äußeren Hülse umgeben. Die Wärmegenerierung für den Schweißprozess erfolgt bei dieser Vorrichtung ausschließlich durch Reibung. Das Werkzeug wird ausschließlich zum Punktschweißen verwendet und ein Einsatz zum Linearschweißen ist schon deshalb abwegig, da die innere Hülse in auch in das zu verschweißende Material eindringen kann, was eine Linearbewegung verhindern würde. Ähnliche Punktschweißverfahren werden in den Schriften WO2022045171A1, EP3909714A1 und WO2015145251A1 offenbart.

Auch die KR20070061937A zeigt eine Rührschweißvorrichtung zum Punktschweißen. Hierbei sollen zwei Metalllagen miteinander verschweißt werden. Da somit auch die obere Lage aus Metall gefertigt sein muss, ist eine Längsbewegung der Vorrichtung nicht möglich.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Probleme des Standes der Technik zu überwinden und eine Rührschweißvorrichtung zur Herstellung einer linearen oder punktförmigen Schweißverbindung einer Kunststoffplatte auf einem Metall- oder Kunststoffsubstrat zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Rührschweißvorrichtung zur Herstellung einer punktförmigen oder linearen Schweißverbindung zwischen einer Kunststoffplatte oder einem Kunststoffformteil (im Folgenden wird lediglich von der Kunststoffplatte gesprochen, wobei auch ein Verschweißen eines Kunststoffformteils von der Erfindung mitumfasst ist) und einem Metall- oder Kunststoffsubstrat, umfassend einen Schweißkopf mit einem rotierbaren oder oszillierbaren Rührstift und einer den Rührstift umgebenden Außenhülse, wobei zwischen der Außenhülse und dem Rührstift ein Reservoir zur Aufnahme eines vom Rührstift verdrängten Materials vorgesehen ist, wobei das Reservoir bevorzugt durch einen einstückig an der Außenhülse ausgebildeten Absatz oder durch eine zwischen der Außenhülse und dem Rührstift vorgesehenen Reservoirhülse begrenzt ist (alternativ könnte auch der Rührstift einen Absatz oder dergleichen aufweisen), wobei die Rührschweißvorrichtung ferner eine Heizeinrichtung zur unmittelbaren Erhitzung des Rührstifts umfasst.

Durch das erfindungsgemäße Reservoir kann erstmals auch bei einem Linearschweißverfahren sichergestellt werden, dass eine überaus dichte Schweißverbindung hergestellt werden kann. Durch das Reservoir wird verhindert, dass das vom Rührstift verdrängte Material (das aus der Kunststoffplatte bzw. dem Metall- oder Kunststoffsubstrat stammt) da durch den im Reservoir vorliegenden Druck sichergestellt wird, dass das Material nicht frei nach außen quellt, wodurch in der Folge Lufteinschlüsse verhindert werden. Erfindungsgemäß kann der Druck beim Herstellen der Schweißverbindung somit durch die Außenhülse oder die Reservoirhülse geregelt werden, wodurch der Schrumpfungseffekt weiter ausgeglichen werden kann, wohingegen der Schweißdruck im Stand der Technik ausschließlich über die Anpresskraft des Werkzeugs auf der Unterlage generiert wird.

Zusammenfassend können somit wesentlich dichtere Schweißverbindungen hergestellt werden, als dies im Stand der Technik möglich war. Es werden insbesondere keine zusätzlichen Dichtungen benötigt, welche im Laufe der Zeit porös werden könnten oder Undichtheiten durch Setzen oder Aufquellen hervorrufen könnten.

Wenn ein mehrteiliges Hülsensystem mit Reservoirhülse eingesetzt wird, kann mit dieser insbesondere überschüssiges Material aufgefangen werden, da sie bezüglich der Außenhülse beweglich ausgestaltet sein kann. Die Reservoirhülse ist jedoch nicht unter die Außenhülse versetzbar, sodass diese auch nicht in die Kunststoffplatte eindringen kann, da hierdurch keine lineare Schweißverbindung herstellbar wäre. Eine Außenhülse mit Absatz ist hingegen einfacher herzustellen und anzusteuern. Insbesondere ist es bei diesem System mit einstückiger Außenhülse mit Absatz einfacher möglich, eine Durchgangsöffnung oder Durchbrücke für eine Stromanbindung zum Beheizen des Rührstifts vorzusehen.

Erfindungsgemäß umfasst die Rührschweißvorrichtung weiters eine Heizeinrichtung zur unmittelbaren Erhitzung des Rührstifts. Im Gegensatz zum Stand der Technik muss die Prozesswärme somit nicht über die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück generiert werden, da diese vom bereits erhitzten Rührstift bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß dient die Reibwärme lediglich zum Konditionieren, d.h. zum Vorwärmen, des Werkstücks. Die Temperatur, auf die der Rührstift erhitzt wird, kann in Abhängigkeit von den Materialien des Werkstücks, der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißkopfs etc. gewählt werden und kann bei Bedarf über eine Steuereinheit geregelt werden. Hinsichtlich der CN 109967858 A sei erwähnt, dass diese die Erhitzung einer Schulter lehrt, die um den Schweißkopf herum angeordnet wird, wodurch das Werkstück nur vorkonditioniert wird, der Rührstift jedoch nicht unmittelbar erhitzt wird, sodass die Prozesswärme wiederum durch die Reibung des Rührstiftes erzeugt werden muss. Im Gegensatz dazu könnte bei der vorliegenden Erfindung die Außenhülse sogar gekühlt werden, während der Rührstift unmittelbar erhitzt wird.

Der unmittelbar beheizte Rührstift hat somit den Vorteil, dass die benötigte Prozesswärme nicht ausschließlich durch Reibung erzeugt werden muss. Erfindungsgemäß können somit neue Einsatzgebiete erschlossen werden, da die Prozesswärme beispielsweise für Kunststoffschweißen kaum über Reibung zu erreichen ist, da der Reibkoeffizient von Kunststoff sehr gering ist und die isolierende Wirkung des Kunststoffes ein „Vorlaufen“ der Wärme verhindert. Weiters können durch den unmittelbar beheizten Rührstift geringere Rotationsgeschwindigkeit eingesetzt werden, was der Scherwirkung im Inneren des Schweißgutes entgegenkommt und sich das Material somit besser um den Stift bewegen kann.

Weiters ist hervorzuheben, dass das Reservoir und der unmittelbar beheizte Rührstift eine Synergiewirkung aufweisen, da das Material im Reservoir auf Arbeitstemperatur gehalten werden kann.

Um die unmittelbare Beheizung des rotierenden bzw. oszillierenden Rührstifts umzusetzen, kann die Heizeinrichtung eine im Rührstift angeordnete Heizpatrone umfassen, welche bevorzugt mittels Schleifkontakten an eine außerhalb des Rührstifts angeordnete Energiequelle kontaktiert ist. Alternativ könnte die Heizeinrichtung eine um den Rührstift angeordnete Induktionsspule und ein induktiv erhitzbares Material im oder am Rührstift umfassen. Diese beiden Ausführungsformen sind besonders bevorzugt, um eine Erhitzung des Rührstifts selbst während einer Rotation bzw. während des Oszillierens zu erzielen. In weiteren Varianten könnte ein Wärmeübertragungsmedium durch den Rührstift geführt werden, wobei dies jedoch äußerst aufwendig ist.

Besonders bevorzugt umfasst die Rührschweißvorrichtung weiters einen manuell betätigbaren oder angesteuerten Linearvorschub zur Linearbewegung des Schweißkopfs während des Schweißvorgangs. In der Anwendung hat sich herausgestellt, dass sich die erfindungsgemäße Rührschweißvorrichtung durch die dichten Schweißverbindungen insbesondere zur Herstellung von dichten linearen Schweißverbindungen eignet, um z.B. einen Deckel dicht auf einem Gehäuse zu montieren. Weiters bevorzugt umfasst der Schweißkopf, bevorzugt die Außenhülse, eine zum Reservoir geführte Durchgangsöffnung für eine externe Materialzuführung. Die Durchgangsöffnung kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um den Schweißdruck durch die Zufuhr von Schweißzusatzstoffen weiter regeln zu können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Rührschweißvorrichtung eine Kupplung, welche zur Übertragung eines Drehmoments selektiv den Rührstift mit der Außenhülse und/oder der Reservoirhülse kuppelt. Zwar ist üblicherweise bevorzugt, dass die Außenhülse ohne Rotation auf der Kunststoffplatte zu liegen kommt, jedoch kann eine Rotation der Außenhülse bzw. der Reservoirhülse vorgesehen werden, um eine Durchmischung des Materials im Reservoir zu fördern oder bei Einsatz einer Profilierten Außenhülse einer vordefinierten Kontur zu folgen. Erfindungsgemäß kann mittels der Kupplung - einer sogenannten Stop-Lock-Funktion - die Außenhülse gegen Rotation gesichert werden. Der Rührstift kann, je nach Ausführung auch mit einer oder beiden der genannten Hülsen gekuppelt werden, sodass diese mit dem Rührstift mitrotieren.

Weiters bevorzugt ist, wenn der Rührstift einen der Kunststoffplatte zugewandten Abschnitt aufweist, von dem zumindest ein Teil als Förderschnecke ausgebildet ist. Durch die Rotation kann somit Material vom Reservoir in die Fügezone gefördert werden. In dieser Ausführungsform weist die Außenhülse bevorzugt einen verjüngenden Abschnitt auf, welcher der Kunststoffplatte zugewandt ist, sodass das Reservoir nicht unmittelbar an der Kunststoffplatte vorliegt. In anderen Ausführungsformen ist dies jedoch nicht zwingend, d.h. der Abschnitt mit Förderschnecke kann auch mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Rührschweißverfahren mit einer Rührschweißvorrichtung gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen, umfassend die Schritte:

Auflegen der Kunststoffplatte auf das Metall- oder Kunststoffsubstrat,

- Einführen des Rührstifts in die Kunststoffplatte, bis dieser die Kunststoffplatte durchdringt und das Metall- oder Kunststoffsubstrat zumindest kontaktiert, und Aufsetzen der Außenhülse auf die Kunststoffplatte (wobei dies auch vor dem Einführen des Rührstifts durchgeführt werden kann),

- Bewegen des Schweißkopfs mittels des Linearantriebs mit rotierendem oder oszillierendem Rührstift, während dieser die Kunststoffplatte durchdringt und das Metall- oder Kunststoffsubstrat zumindest kontaktiert, zur Erzeugung einer linearen Schweißverbindung. Weiters bevorzugt ist der Rührstift bei dieser Bewegung unmittelbar beheizt.

Das erfindungsgemäße Rührschweißverfahren hat dieselben Vorteile, wie sie oben für die Rührschweißvorrichtung erläutert wurden. Insbesondere kann der Schweißdruck weiter geregelt werden, wenn während der Bewegung des Schweißkopfs zur Erzeugung einer linearen Schweißverbindung oder zum Verschließen des Endloches Schweißzusatzstoffe über die Durchgangsöffnung in das Reservoir eingebracht werden.

Besonders vorteilhaft ist das Schweißverfahren, wenn das Metall- oder Kunststoff Substrat ein Gehäuse mit einer Öffnung ist und die Kunststoffplatte ein Deckel ist, wobei das Schweißverfahren die folgenden Schritte umfasst:

Auflegen des Deckels auf die Öffnung, und

Erzeugen einer geschlossenen linearen Schweißverbindung (z.B. einer ringförmigen oder rautenförmigen Schweißverbindung) um die Öffnung herum, um die Öffnung mit dem Deckel dicht abzuschließen, d.h. die Öffnung liegt innerhalb der ringförmigen Schweißverbindung.

Mit diesem Schweißverfahren kann die Öffnung besonders dicht abgeschlossen werden, ohne dass weitere Maßnahmen getroffen werden müssen.

Dieses Rührschweißverfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Kunststoffplatte und/oder das Kunststoffsubstrat aus Polyamid, bevorzugt aus PA6 GF30, besteht und das gegebenenfalls vorhandene Metall Substrat aus Aluminium, bevorzugt Gussaluminium, besonders bevorzugt Gussaluminium EN AC44200, besteht. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Rührschweißverfahren jedoch nicht auf diese Materialien eingeschränkt ist, sondern auch für andere Materialien eingesetzt werden könnte wie z.B. Aluminium EN AW6082 für das Metall Substrat oder Polycarbonat für die Kunststoffplatte oder das Kunststoffsub strat.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Rührschweißvorrichtung in einer schematischen Seitenansicht.

Figur 2 zeigt eine Schweißverbindung, die mittels der Rührschweißvorrichtung von Figur 1 zwischen einem Deckel und einem Gehäuse hergestellt ist. Figur 3 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Rührschweißvorrichtung mit mehrteiligem Hülsensystem.

Figur 4 zeigt eine weitere Variante der Rührschweißvorrichtung von Figur 1 mit einem Rührstift, dessen Spitze als Förderschnecke ausgebildet ist.

Figur 5 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Heizeinrichtung für die erfmdungsgemäße Rührschweißvorrichtung.

Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Heizeinrichtung für die erfmdungsgemäße Rührschweißvorrichtung.

Die Figuren 7a - 7c zeigen zeitlich aufeinanderfolgende Zustände bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Rührschweißvorrichtung.

Die Figuren 8a und 8b zeigen eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Rührschweißvorrichtung mit einer profilierten Außenhülse in einer Vorderansicht und einer Seitenansicht.

Die Figuren 9a und 9b zeigen eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Rührschweißvorrichtung mit einer asymmetrischen profilierten Außenhülse in einer Vorderansicht und einer Seitenansicht.

Figur 1 zeigt eine Rührschweißvorrichtung 1 mit einem Schweißkopf 2. Die Rührschweißvorrichtung 1 soll dazu eingesetzt werden, eine lineare Schweißverbindung 31 (Figur 2), z.B. eine längliche Schweißnaht, zwischen einer Kunststoffplatte 3 und einem Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 herzustellen. Die Kunststoffplatte 3 muss jedoch nicht vollständig eben sein, sodass im Allgemeinen auch von einem Kunststoffformteil gesprochen werden kann. Das Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 kann beispielsweise eine weitere Platte oder ein solider Körper sein. Die mit der Rührschweißvorrichtung 1 hergestellte Schweißverbindung 31 soll nach der Herstellung besonders dicht sein, damit die Schweißverbindung 31 zwischen Kunststoffplatte 3 und Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 beispielsweise im Automobilbau, in der Luftfahrttechnik oder bei sogenannter „weiße Ware“ Einsatz finden kann.

Insbesondere kann die Kunststoffplatte 3 ein Deckel sein und das Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 ein Gehäuse sein, wie in Figur 2 dargestellt ist. Das Gehäuse kann eine Öffnung 30 aufweisen, und der Deckel ist deckend über der Öffnung 30 angeordnet. Die Rührschweißvorrichtung 1 wird dazu eingesetzt, um eine dichte, um die Öffnung 30 herum vorliegende Schweißverbindung 31 herzustellen, wodurch die Öffnung 30 dicht abgeschlossen ist. In Figur 2 ist die Schweißverbindung 31 ringförmig dargestellt, jedoch könnte sie auch rautenförmig oder dergleichen sein. Weiters ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt, und im Allgemeinen könnten auch nur linienförmige, d.h. nicht umlaufende, Schweißverbindungen 31 hergestellt werden. Weiters muss das Werkstück keine Kombination aus Gehäuse und Deckel sein.

Um einen Linearvorschub des Schweißkopfs 2 zu erzielen, kann eine nicht weiter dargestellte Aufnahmevorrichtung des Schweißkopfs 2 in eine Werkzeugaufnahme 5 der Rührschweißvorrichtung 1 eingesetzt werden, die in Figur 1 dargestellt ist. Die Werkzeugaufnahme 5 ist beispielsweise auf einem Schienensystem 6 der Rührschweißvorrichtung 1 verfahrbar, sodass der Schweißkopf 2 in einer Ebene verfahrbar ist, die durch die dargestellte x-Richtung und die y-Richtung aufgespannt wird. Diese Ebene liegt üblicherweise parallel zur Kunststoffplatte 3 bzw. zum Metall- oder Kunststoffsubstrat 4. Zusätzlich zu diesem Linearvorschub kann die Rührschweißvorrichtung 1 weiters Mittel umfassen, um den Schweißkopf 2 oder Teile des Schweißkopfs 2 in z-Richtung abzusenken und anzuheben, d.h. in Richtung der Kunststoffplatte 3 bzw. des Metall- oder Kunststoffsubstrats 4.

Es versteht sich, dass die dargestellte Ausführungsform des Linearvorschubs jedoch nur beispielhaft dargestellt ist und im Allgemeinen auch anders ausgeführt werden könnte, z.B. auch rotatorisch. Der Linearvorschub könnte zudem manuell betätigt sein, z.B. durch ein oder mehrere Handräder, oder automatisch angesteuert sein, sodass die Rührschweißvorrichtung 1 als CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) ausgeführt sein könnte.

In anderen Ausführungsformen könnte die Rührschweißvorrichtung 1 jedoch auch zum Punktschweißen eingesetzt werden, sodass ein Linearvorschub auch nicht zwingend notwendig ist. Beispielsweise könnte das Werkstück bewegt werden, um einen weiteren Schweißpunkt an einer anderen Stelle am Werkstück herzustellen. In anderen Ausführungsvarianten kann der Linearantrieb beim Punktschweißen eingesetzt werden, sodass der Schweißkopf 2 mittels des Linearantriebs automatisch oder manuell zu einer zweiten Stelle verbracht wird, wo ein weiterer Schweißpunkt hergestellt werden soll. Der Schweißkopf 2 bzw. der Rührstift wird vor dem Versetzen zum nächsten Schweißpunkt angehoben, um keine lineare Schweißnaht zu erzeugen.

Um die Schweißverbindung 31 herzustellen, umfasst der Schweißkopf 2 einen rotierbaren oder oszillierbaren Rührstift 7, der in Richtung der Kunststoffplatte 3 und des Metall- oder Kunststoffsubstrats 4, hier in z-Richtung, abgesenkt werden kann. Dies kann beispielweise durch Absenken der Werkzeugaufnahme 5 erfolgen, wobei der Rührstift 7 keine Relativbewegung hinsichtlich der Werkzeugaufnahme 5 durchführen muss, wie in Figur 1 dargestellt ist, oder durch eine Relativbewegung des Rührstifts 7, welche durch die in Figur 3 beispielhaft dargestellte Feder 8 herbeigeführt werden kann. Der Rührstift 7 kann aus Metall oder auch aus Keramik hergestellt sein und bei Bedarf eine Beschichtung, insbesondere eine Teflon-Beschichtung, aufweisen. Weiters kann der Rührstift 7 eine Profilierung oder Kerbung an der Außenkontur besitzen.

Um zu erzielen, dass das vom Rührstift verdrängte Material der Kunststoffplatte 3 bzw. des Metall- oder Kunststoffsubstrats 4 eine nach außen besonders dichte Schweißverbindung 31 bildet, umfasst der Schweißkopf 2 weiters eine den Rührstift 7 umgebende Außenhülse 9. Die Außenhülse 9 weist eine bevorzugt ebene Auflagefläche 10 auf, welche der Kunststoffplatte 3 zugewandt ist, sodass die Außenhülse 9 während eines Linearvorschubs bei eingeführtem Rührstift 7 auf der Kunststoffplatte 3 verfahren kann. Hierdurch kann die Außenhülse 9 den Bereich um den Rührstift 7 abdichten. Die Außenhülse 9 kann aus Metall oder Keramik hergestellt sein und gegebenenfalls eine Beschichtung aufweisen. Sie kann sowohl rotationssymmetrisch als auch profiliert ausgeführt werden, um beispielsweise eine Kehlnaht zu erzeugen. Siehe hierzu auch die untenstehenden Figuren 8a bis 9b.

Um das während des Eindringens des Rührstifts 7 in die Kunststoffplatte 3 bzw. in das Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 verdrängte Material aufzufangen, ist ein Reservoir 11 unteren Ende zwischen der Außenhülse 9 und dem Rührstift 7 vorgesehen. Das „untere Ende“ bezeichnet hierin das der Werkzeugaufnahme 5 abgewandte bzw. das der Kunststoffplatte 3 zugewandte Ende.

Das Reservoir 11 kann erfindungsgemäß auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Wie in Figur 1 dargestellt könnte die Außenhülse 9 an deren unteren Ende einen erweiternden Absatz aufweisen, der nach oben begrenzt ist, um das Reservoir 11 auszubilden. Der Absatz hat eine entsprechende Höhe, um eine vorbestimmte Menge an ausgetretenem Material aufzufangen. Der Absatz könnte auch verjüngend ausgebildet sein, wie in Figur 4 dargestellt ist, sodass das Reservoir 11 über dem Absatz vorliegt. In diesem Fall könnte das Reservoir 11 durch einen sich nach oben erweiternden Rührstift 7 zwischen Außenhülse 9 und Rührstift 7 eingeschlossen sein.

Wie in Figur 3 gezeigt kann aber auch eine zwischen der Außenhülse 9 und dem Rührstift 7 vorgesehene Reservoirhülse 12 eingesetzt werden, welche am unteren Ende des Schweißkopfs 2 ein Reservoir 11 ausbildet, indem die Reservoirhülse 12 den zwischen der Außenhülse 9 und dem Rührstift 7 auftretenden Raum nach oben begrenzt. In dieser Ausführungsform kann insbesondere vorgesehen werden, dass eine Relativbewegung der Reservoirhülse 12 und der Außenhülse 9 und bevorzugt auch dem Rührstift ermöglicht wird, um die Höhe des Reservoirs 11 einzustellen, d.h. den Abstand zwischen der Auflagefläche 10 der Außenhülse 9 und dem unteren Ende der Reservoirhülse 12 einzustellen, was durch die in Figur 3 beispielhaft dargestellte Feder 13 umgesetzt werden kann. Auch die Reservoirhülse 12 kann aus Metall oder Keramik hergestellt sein und gegebenenfalls eine Beschichtung aufweisen.

Weiters kann eine Relativbewegung zwischen der Außenhülse 9 und dem Rührstift 7 in z- Richtung ermöglicht werden, beispielsweise durch die schematisch in den Figuren 1 und 3 dargestellte Feder 14. In der Ausführungsform von Figur 1 könnte beispielsweise vorgesehen werden, dass keine Relativbewegung in z-Richtung zwischen Rührstift 7 und Werkzeugaufnahme 5 möglich ist, wobei durch die Feder 14 weiterhin eine Relativbewegung in z-Richtung zwischen Rührstift 7 und Außenhülse 9 möglich ist.

Figur 3 zeigt, dass der Schweißkopf 2 sowohl für den Rührstift 7 als auch für die Außenhülse 9 und für die Reservoirhülse 12 eine eigene Feder 8, 13, 14 vorsehen könnte, um eine Relativbewegung in z-Richtung aller dieser Elemente zueinander als auch gegenüber der Werkzeugaufnahme 5 zu ermöglichen. Die Relativbewegung kann beispielsweise elektromagnetisch, hydraulisch oder auch rein mechanisch aktuiert werden, wobei die Federn 8, 13, 14 zur Erzielung einer Rückstellkraft eingesetzt oder auch entfallen können, z.B. wenn der gewählte Antrieb keine Rückstellkraft benötigt. Es versteht sich, dass es auch nicht zwingend notwendig ist, eine Relativbewegung in z-Richtung aller dieser Elemente zueinander als auch gegenüber der Werkzeugaufnahme 5 vorzusehen, sodass ein Absenken der Werkzeugaufnahme 5 zu einer gleichen Bewegung des jeweiligen Elements führt, für das keine Relativbewegung in z-Richtung bezüglich der Werkzeugaufnehme 5 vorgesehen ist.

Wie bereits erläutert ist der Rührstift 7 zur Herstellung der Schweißverbindung 31 rotierbar und/oder oszillierbar, jeweils um eine in z-Richtung verlaufende Achse A. Die Rotationsbewegung bzw. die Oszillationsbewegung ist üblicherweise durch die Rührschweißvorrichtung 1 oder durch einen Nutzer einstellbar. Die Rotations- bzw. Oszillationsgeschwindigkeit kann beispielsweise in Abhängigkeit der Materialien der Kunststoffplatte 3 und des Metall- oder Kunststoffsubstrats 4 gewählt werden, wobei dies jedoch nicht zwingend notwendig ist, da die Hauptwärme in vielen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht durch die Rotationsbewegung bzw. die Oszillationsbewegung erzielt werden soll, sondern durch eine Heizeinrichtung für den Rührstift 7, wie unten näher erläutert wird. Die Außenhülse 9 und die Reservoirhülse 12 führen üblicherweise keine Rotations- oder Oszillationsbewegung um die in z-Richtung verlaufende Achse A aus, jedoch könnte dies vorgesehen werden, wobei hierfür mittels einer Kupplung die Rotationsbewegung bzw. die Oszillationsbewegung des Rührstifts 7 selektiv auf die Außenhülse 9 und/oder die Reservoirhülse 12 übertragen werden kann. Dies kann vorteilhaft sein, um eine Mischbewegung im Reservoir 11 herbeizuführen.

Zurückkommend auf Figur 1 ist ersichtlich, dass die Außenhülse 9 eine zum Reservoir geführte Durchgangsöffnung 15 für eine externe Materialzuführung. Insbesondere können Schweißzusatzstoffe in das Reservoir 11 eingeleitet werden, um der hergestellten Schweißverbindung 31 besonders bevorzugte Eigenschaften zu verleihen. An jenes Ende der Durchgangsöffnung, das dem Reservoir 11 abgewandt ist, kann beispielsweise ein nicht weiter dargestellter Extruder angeschlossen werden oder Kunststoffdraht zugeführt werden, um die Schweißzusatzstoffe in das Reservoir 11 zu verbringen. Hierdurch kann der Schweißdruck zusätzlich geregelt werden.

Die in Figur 1 dargestellte Durchgangsöffnung 15 für die einstückig ausgebildete Außenhülse 9 kann auch bei der Ausführungsform von Figur 3 eingesetzt werden, wobei die Durchgangsöffnung 15 auch hier bevorzugt ausschließlich durch die Außenhülse 9 verläuft. Gegebenenfalls könnte die Durchgangsöffnung 15 aber auch zumindest teilweise durch die Reservoirhülse 12 verlaufen.

In Figur 4 ist eine besonders bevorzugte Weiterentwicklung dargestellt, die bevorzugt in Kombination mit der Durchgangsöffnung 15 einsetzbar ist. Hierbei ist besonders, dass der Rührstift 7 einen obenliegenden Abschnitt mit einem ersten Durchmesser dl und einen untenliegenden zweiten Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser d2 umfasst, der kleiner ist als der erste Durchmesser dl. Auf dem zweiten Abschnitt ist zumindest teilweise eine Förderschnecke F ausgebildet, d.h. zumindest eine rillenförmige Einkerbung mit in z- Richtung verlaufendem Gradienten. Dadurch kann Material besonders effizient in die vom Rührstift 7 ausgebildete Eindringstelle in der Kunststoffplatte 3 bzw. im Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 eingebracht werden. Wie dargestellt ist der zweite Abschnitt am unteren Ende bevorzugt jedoch nicht als Förderschnecke F ausgebildet, sondern umfasst eine im Wesentlichen zylindrische oder kegelstumpfförmige Form, um besser in die Kunststoffplatte 3 bzw. in das Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 eindringen zu können. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist das Reservoir 11 bevorzugt dadurch gebildet, dass die Außenhülse 9 einen am unteren Ende befindlichen verjüngenden Absatz 16 aufweist, der einen Innendurchmesser von im Wesentlichen d2 aufweist und den zweiten Abschnitt des Rührstifts 7 umgreift. Oberhalb des Absatzes 16 weist die Außenhülse 9 einen Innendurchmesser von im Wesentlichen dl auf. Das Reservoir 11 liegt in dieser Ausführungsform somit nicht unmittelbar auf der Oberfläche der Kunststoffplatte 3 vor, sondern in einem Abstand darüber. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform könnte auch der Rührstift einen Absatz aufweisen und die Außenhülse könnte eine zylindrisch geformte Innenwand aufweisen.

Weiters ist in Figur 1 dargestellt, dass der Rührstift 7 eine Heizeinrichtung 17 umfassen kann, um den Rührstift 7 unmittelbar zu beheizen und diesen auf eine vorbestimmte Schweißtemperatur zu bringen. Erfindungsgemäß kann daher eine Wärmeeinbringung in das Werkstück unmittelbar über den Rührstift 7 erfolgen. In der Ausführungsform von Figur 1 ist schematisch dargestellt, dass der Rührstift 7 zwei parallel zur z-Achse verlaufende Öffnungen aufweisen kann, in welchen Heizpatronen angeordnet sein können, welche Strom in Hitze umwandeln.

Eine konkrete Ausführungsform der Heizeinrichtung 17 ist in Figur 5 dargestellt, bei der zwei durch die Außenhülse 9 geführte Schleifkontakte 18 vorgesehen sind, die jeweils eine ringförmige Kontaktstelle 19 am Rührstift 7 kontaktieren. In anderen Varianten könnten die Schleifkontakte auch über der Außenhülse 9 zu den Kontaktstellen 19 geführt sein, d.h. die Außenhülse 9 muss nicht zwingend durchbrochen sein. Die Kontaktstellen 19 sind wiederum mit einer oder mehreren Heizpatronen 20 verbunden, welche den Rührstift 7 erhitzen. Mit dieser Ausführungsform ist eine Stromübertragung in das Innere des Rührstifts 7 möglich, selbst wenn dieser rotiert oder oszilliert.

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Induktionsspule 21 um den Rührstift 7 angeordnet ist. Wenn durch Leitungen 22 Wechselstrom an die Induktionsspule 21 angelegt wird, bildet sich ein magnetisches Wechselfeld aus, mittels welchem der Rührstift 7 erhitzbar ist, wenn dieser induktiv erhitzbares Material (d.h. elektrisch leitfähiges Material) umfasst. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Rührstift 7 in seinem Inneren einen Wärmeleiter 23. Da die Induktionsspule 21 in dieser Ausführungsform nicht unmittelbar im Rührstift 7 angeordnet ist, wird im Allgemeinen davon gesprochen, dass der Schweißkopf 2 eine Heizeinrichtung 17 zum unmittelbaren Erhitzen des Rührstifts 7 umfasst, um diesen auf eine vorbestimmte Schweißtemperatur zu verbringen. Im Übrigen könnte der Rührstift 7 einen Reibaufsatz 25 am unteren Ende, das der Kunststoffplatte 3 zugewandt ist, aufweisen, siehe Figur 5. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Schweißvorgang bei einem Metall Substrat 4 durchgeführt wird, da der Rührstift 7 hierdurch an der besonders beanspruchten Stelle zusätzlich verstärkt werden kann.

Unter Verweis auf die Figuren 7a, 7b und 7c wird im Folgenden das mit dem oben erläuterten Schweißkopf 2 durchgeführte Schweißverfahren dargestellt. Gemäß Figur 7a wird zuerst das Werkstück bereitgestellt, d.h. die Kunststoffplatte 3 wird auf das Metalloder Kunststoffsubstrat 4 aufgelegt. Über der Kunststoffplatte 3 wird nun der Schweißkopf 2 angeordnet und in Richtung der Kunststoffplatte 3 versetzt, bis der Rührstift 7 und/oder die Auflagefläche 10 der Außenhülse 9 auf der Kunststoffplatte 3 zu liegen kommt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Rührstift 7 bevorzugt bereits durch die Heizeinrichtung 17 beheizt.

Gemäß 7b dringt nun der Rührstift 7 in die der Kunststoffplatte 3 ein und durchsetzt diese, bis der Rührstift 7 das Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 kontaktiert oder dringt auch mit einer vorbestimmten Tiefe in das Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 ein. Beim Versetzen des Rührstifts 7 vom Zustand in Figur 7a in den Zustand von Figur 7b rotiert oder oszilliert der Rührstift 7 bevorzugt um die Achse A und/oder ist durch die Heizeinrichtung 17 beheizt. Jedenfalls rotiert oder oszilliert der Rührstift 7, wenn dieser in Kontakt mit dem Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 kommt, um dieses für den Schweißvorgang zu konditionieren.

Es ist ersichtlich, dass durch das Eindringen des Rührstifts 7 in den Zustand in 7b Material der Kunststoffplatte 3 und gegebenenfalls auch Material des Metall- oder Kunststoffsubstrats

4 verdrängt wird. Dieses wird vom Reservoir 11 aufgenommen. Da das Reservoir 11 jedoch das Material weiterhin unter Druck hält, liegt ein vorbestimmter bzw. einstellbarer Schweißdruck vor. Sollte der Schweißkopf 2 eine Reservoirhülse 12 umfassen, kann durch Bewegen der Reservoirhülse 12 in z-Richtung eingestellt werden, wieviel Material im Reservoir 11 aufgenommen wird. Zusätzlich kann der Schweißdruck weiter eingestellt werden, indem Material über die Durchgangsöffnung 15 in das Reservoir 12 hinein gefördert wird.

Wie in Figur 7c gezeigt ist, kann der Schweißkopf 2 mit rotierendem oder oszillierendem und gegebenenfalls erhitztem Rührstift 7 nun mittels des Linearantriebs in Schweißrichtung

5 verfahren werden, um eine lineare Schweißverbindung 31 zwischen der Kunststoffplatte 3 und dem Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 herzustellen. Es ist ersichtlich, dass hinter dem Rührstift 7, gesehen in Schweißrichtung S, ein Schweißgefüge 24, d.h. eine längliche Schweißnaht entsteht, über welche die Kunststoffplatte 3 mit dem Metall- oder Kunststoffsubstrat 4 verbunden ist. Das Schweißgefüge bildet nach dem Entfernen des Rührstifts 7 aus der Kunststoffplatte 3 die Schweißverbindung 31.

Die Figuren 8a und 8b zeigen eine Variante der Außenhülse 9, die keilförmig ausgebildet ist. Die Spitze des Keils ist dem Werkstück zugewandt und kann gegebenenfalls abgerundet sein. Diese Außenhülse ist ein Beispiel für eine symmetrisch profilierte Außenhülse 9, im Gegensatz zur rotationssymmetrischen Außenhülse 9 der Figuren 1 und 3. In anderen Worten weist die Auflagefläche 10 der Außenhülse 9 von Figur 8a, 8b zwei ebene Teilbereiche 26 auf, die symmetrisch und in einem Winkel um die Achse A angeordnet sind. Für einen Schweißvorgang werden die beiden Teilbereiche 26 derart angeordnet, dass die Schweißrichtung S parallel zu den Teilbereichen 26 liegt. Weiters verläuft eine gedachte Schnittlinie der beiden Teilbereiche 26 normal zur Achse A und liegt während eines Schweißvorgangs parallel zur Schweißrichtung. Eine derartige Außenhülse 9 erlaubt es insbesondere, während eines Schweißvorgangs Kehlnähte herzustellen.

Die Figuren 9a und 9b zeigen eine Abwandlung der Außenhülse 9, die durch zwei keilförmige, in z-Richtung versetzte Stücke gebildet ist, deren Spitzen jeweils dem Werkstück zugewandt sind und abgerundet sein können. Diese Außenhülse 9 ist ein Beispiel für eine asymmetrisch profilierte Außenhülse. In anderen Worten weist die Auflagefläche 10 dieser Außenhülse 9 zwei erste Teilbereiche 27 und zwei zweite Teilbereiche 28 auf, die jeweils ebene Flächen sind. Am unteren Ende, das dem Werkstück zugewandt ist, sind die zwei ersten Teilbereiche 27 symmetrisch und in einem Winkel um die Achse A angeordnet und auch die zweiten Teilbereiche 28 sind symmetrisch und in einem Winkel (üblicherweise im selben Winkel wie die ersten Teilbereiche 27) um die Achse A angeordnet. Zwar sind sowohl die ersten Teilbereiche 27 als auch die zweiten Teilbereiche 28 symmetrisch zueinander ausgebildet, jedoch verlaufen die gedachte Schnittlinie der ersten Teilbereichen 26 bzw. der zweiten Teilbereiche 27 in einem Abstand in z-Richtung zueinander, wodurch die zwei versetzten keilförmigen Stücke ausgebildet sind. Eine derartige Außenhülse 9 erlaubt es insbesondere, während eines Schweißvorgangs Hohlkehle oder andere Nahtformen herzustellen.

Zwar sind die Ausführungsformen der Figuren 8a-9b in Kombination mit der Förderschnecke F und dem innenliegenden Reservoir 11 dargestellt, jedoch könnte eine keilförmige oder anders ausgebildete Außenhülse 9 auch in Kombination mit einem Reservoir 11 wie bei den Ausführungsformen der Figuren 1 und 3 gezeigt zum Einsatz kommen.