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DE102016101945A1 - Heißnietstempel und Heißnietvorrichtung - Google Patents

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DE102016101945A1
DE102016101945A1 DE102016101945.3A DE102016101945A DE102016101945A1 DE 102016101945 A1 DE102016101945 A1 DE 102016101945A1 DE 102016101945 A DE102016101945 A DE 102016101945A DE 102016101945 A1 DE102016101945 A1 DE 102016101945A1
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heating
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    • B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
    • B29C66/742—Joining plastics material to non-plastics material to metals or their alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/80—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof
    • B29C66/81—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps
    • B29C66/818—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the cooling constructional aspects, or by the thermal or electrical insulating or conducting constructional aspects of the welding jaws or of the clamps ; comprising means for compensating for the thermal expansion of the welding jaws or of the clamps
    • B29C66/8181—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the cooling constructional aspects, or by the thermal or electrical insulating or conducting constructional aspects of the welding jaws or of the clamps ; comprising means for compensating for the thermal expansion of the welding jaws or of the clamps characterised by the cooling constructional aspects

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heißnietstempel und eine Heißnietvorrichtung. Das Heißnieten, auch Heißverstemmen genannt, ist ein gängiges Verfahren in der heutigen Kunststofffügetechnik. Bei einem solchen Kunststofffügeprozess werden thermoplastische Kunststoffbauteile miteinander bzw. mit metallischen Komponenten form-, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden, wobei keine Zusatzmaterialien wie Schrauben oder Klebstoffe benötigt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heißnietstempel und eine Heißnietvorrichtung.
  • Das Heißnieten, auch Heißverstemmen genannt, ist ein gängiges Verfahren in der heutigen Kunststofffügetechnik. Bei einem solchen Kunststofffügeprozess werden thermoplastische Kunststoffbauteile miteinander bzw. mit metallischen Komponenten form-, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden, wobei keine Zusatzmaterialien wie Schrauben oder Klebstoffe benötigt werden.
  • Eine form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung wird durch die unter Einwirkung von Kraft und Wärme umgeformten Kunststoffnieten bzw. -zapfen, die auch als Nietdome bezeichnet werden, realisiert. Die Einbringung der notwendigen Kraft und Wärme in den Kunststoff erfolgt dabei durch beheizte Heißnietstempel.
  • Das Heißnieten stellt ein vergleichsweise einfaches und robustes sowie gleichzeitig ein thermisch und mechanisch schonendes Fügeverfahren dar, welches die Erzeugung von qualitativ hochwertigen strukturellen Verbindungen zwischen Kunststoffen, Kunststoffen und Metallen oder Kunststoffen und anderen Materialien ermöglicht.
  • Das Heißnieten ist vor allem in der Automobilzuliefererindustrie, in der Medizintechnik und in der Mikroelektronik eine breit angewendete Fügetechnologie.
  • Bekannt ist vor allem das Heißluftnieten. Beim Heißluftnieten werden Nieten aus einem thermoplastischen Kunststoff verwendet. Um den Niet in den plastischen Zustand überzuführen, wird ein Lufterhitzer mit einem Luftaustrittsrohr verwendet, das von der Seite schräg auf den Niet gerichtet ist. Da der Niet üblicherweise nur von einer Seite mit Heißluft angeströmt wird, nimmt das Erwärmen des Niets eine entsprechend lange Heizzeit in Anspruch. Die Pressposition des Stempels muss solange eingehalten werden, bis der verformte plastische Niet erstarrt ist. Hierzu wird die Kaltluft über ein Rohr mit einer Düse seitlich gegen den Niet geblasen, auf den der Stempel gepresst ist. Damit erfordert auch das Abkühlen des Niets eine entsprechend lange Kühlzeit. Aufgrund der langen Heizzeit und der langen Kühlzeit lässt die Taktzeit einer solchen Vorrichtung zu wünschen übrig. Zudem nimmt das Rohr mit der Düse neben dem Stempel Platz in Anspruch, sodass ein Nieten mit einem geringen Nietabstand nicht erfolgen kann.
  • In der DE 103 52 821 A1 ist eine Vorrichtung zum Heißluftnieten beschrieben. Die Vorrichtung ist mit einem Lufterhitzer zur Erzeugung eines den Niet anströmenden Heißluftstrahls, einem Arbeitszylinder, an dessen Kolbenstange ein Stempel befestigt ist, der zwischen einer Pressposition, in der er gegen den vom Heißluftstrahl erwärmten Niet gepresst ist, und einer Ruheposition, in der er von dem Niet abgehoben ist, bewegbar ist, und mit einer Luftkühlung zur Erzeugung eines Kaltluftstrahls, der den Niet in der Pressposition des Stempels anströmt, ausgestattet. Es ist außerdem wenigstens eine Austrittsöffnung am Umfang des Stempels zum Austritt der Kaltluft und einen Luftführungskanal vorhanden, in dem der Stempel in der Pressposition angeordnet ist, zur Führung des aus der Austrittsöffnung des Stempels austretenden Kaltluftstrahls zum Niet dient.
  • Aus der DE 10 2010 061 164 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung einer Kunststoffheißvernietung bekannt, wobei ein überstehender Nietabschnitt erwärmt und mittels eines Nietkopfes zu einem Nietkopf umgeformt wird. Der Nietkopf wird kraftgesteuert verfahren und ein sich nach Berühren des Nietabschnittes ergebender Haltezeitraum als Wegausgangspunkt erfasst. Ein sich im Zuge des Aufschmelzens des Nietabschnittes ergebender Verfahrweg des Nietkopfes bis zum Erreichen eines Anschlags wird mit einem vorgegebenen Mindestverfahrweg zur Überprüfung einer vollständigen Vernietung verglichen. Der Nietkopf wird in einer vollständigen Ausführung bis zum Berühren des Nietabschnittes kalt verfahren, d. h. ohne hierbei aktiv beheizt zu werden. Durch den kalten Zustand des Nietkopfes bzw. einer die Schmelztemperatur des Nietes nicht erreichenden Niedertemperatur, wird eine exakte Ermittlung des Wegausgangspunktes ermöglicht. Die Erfassung des Wegausgangspunktes und der sich daraus ergebende Verfahrweg bis zum Erreichen eines Anschlags werden mittels eines analogen Sensors (analoger Initiator, Potentiometer, Laser, Lichtschranke usw.) ermittelt. Die Signale des Sensors werden bevorzugt mittels eines Mikrocontrollers ausgewertet, wobei mit Hilfe eines Algorithmus das Aufsetzen des Nietkopfes auf den Nietabschnitt erkannt und hiernach das Umformen des Nietabschnittes als Wegstrecke erfasst wird. Zum Aufheizen des Nietkopfes wird nach dem Erreichen des Wegausgangspunktes während eines definierten Zeitabschnittes der Nietkopf aufgeheizt. Mit Erreichen der gewünschten Temperatur wird der Nietkopf für den Nietprozess verfahren.
  • Aus der DE 295 07 066 U1 ist ein Nietstempel mit einer aktiven Kühlung bekannt. Am Nietstempel ist eine Ringdüse vorgesehen, durch die zur Abkühlung des Nietstempels über einen Anschlussstutzen Luft eingeblasen werden kann. Damit kann der Nietstempel in seiner oberen, ausgefahrenen Position gekühlt werden. Nachdem der Nietkopf gebildet worden ist und der Nietstempel noch auf den Nietkopf drückt, wird der Nietkopf nicht gekühlt, sondern nur sich selbst überlassen.
  • Aus der DE 10 2014 101 750 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Gegenständen durch Kunststoffheißvernietung sowie eine Vorrichtung zur Heißvernietung bekannt. Es werden hierbei die Heißnietköpfe mit einer ersten Geschwindigkeit in Richtung der kongruenten Oberflächen der Nietdome bis zum Erreichen einer definierten Startposition, unter Beachtung vorgegebener oder voreingestellter definierter Koordinaten, mindestens eines Heißnietkopfes verfahren. Sodann wird mit einer geringeren Geschwindigkeit bis zum Berühren der Oberfläche mindestens eines Nietdomes vorgeschoben. Sodann werden die Heißnietköpfe bis zur Anlage des Heißnietkopfes an dem Nietdom auf eine Solltemperatur aufgeheizt und die aufgeheizten Heißnietköpfe werden mit einer weiteren Vorschubbewegung, unter Aufbringung einer geregelten, konstanten oder einer progressiv ansteigenden Druckkraft, bis zum Erreichen eines definierten Verformungsgrades mindestens eines Nietdomes, vorgeschoben.
  • Bei den bekannten Heißnietverfahren erfolgt eine indirekte Erwärmung der Arbeitsfläche des Stempels, was aufgrund insbesondere der relativ großen zu erwärmenden Masse des Stempels eine entsprechend lange Zeit in Anspruch nimmt. Zudem ist der Stempel üblicherweise mit anderen gut wärmeleitenden Komponenten direkt verbunden, wodurch nicht nur die Wärmeverluste hoch sind, sondern auch insbesondere bei thermisch sensiblen Komponenten deren Funktionsfähigkeit und Lebensdauer beeinträchtigt werden können. Der resultierende Wirkungsgrad einer derartigen Stempelbeheizung ist daher sehr gering. Es beträgt die erforderliche elektrische Leistung einer Heizpatrone üblicherweise ca. zweihundert Watt. Das Abkühlen des Stempels erfolgt üblicherweise, indem Kaltluft über ein Rohr mit einer Düse seitlich gegen die Nietstelle mit angepresstem Stempel geblasen wird. Die an dem Stempel vorbeiströmende Luft kann jedoch nur wenig Wärme aufnehmen, was den Nachteil mit sich bringt, dass entweder lange angeblasen oder ein hoher Luftvolumenstrom verwendet werden muss. Damit erfordert auch das Abkühlen des Nietkopfs eine entsprechend lange Zeit.
  • Aufgrund der langen Aufheiz- und Kühlzeiten lässt die Prozesszykluszeit der bekannten Heißnietanlagen von durchschnittlich ca. sechzig Sekunden zu wünschen übrig, und die die Taktzeitanforderungen der Industrie, insbesondere der Automobilzuliefererindustrie, werden deutlich überschritten.
  • Nachteilig ist weiterhin, wie ausgeführt, die geringe Energieeffizienz. Das Heißnietverfahren stellt daher keinen energieeffizienten Fügeprozess dar. Außerdem sind vergleichsweise lange Prozesszeiten notwendig, wodurch das Verfahren als unwirtschaftlich einzustufen ist.
  • Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung den bekannten Heißnietprozess, insbesondere im Kunststoffbereich, zu verbessern und sowohl die Prozesszykluszeit beim Heißnieten als auch den dazu erforderlichen Energieaufwand zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Heißnietstempel mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine Heißnietvorrichtung mit den Merkmalen der Patentanspruches 9 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Heißnietstempel weist einen Fuß mit einer Arbeitsfläche auf, die mittels einer Heizeinheit erhitzbar ist. Die Heizeinheit ist in oder an dem Heißnietstempel angeordnet. Die Arbeitsfläche des Fußes bzw. im oder am Fuß ist an die zu erzeugende Nietkopfkontur angepasst. Es ist außerdem ein Aufnahmebereich vorhanden, mittels dessen der Heißnietstempel an oder in einer Vorrichtung befestigbar ist Zwischen dem Aufnahmebereich und dem Fuß mit der Arbeitsfläche ist eine thermische Trenneinheit vorgesehen, welche eine direkte Wärmeübertragung zwischen dem Fuß mit der Arbeitsfläche und dem Aufnahmebereich verhindert.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 2 ist, dass die thermische Trenneinheit aus einer Schicht mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Material des Fußes und des Aufnahmebereichs des Heißnietstempels besteht und/oder von einem Bereich mit einer Reduzierung des Materialquerschnitts mittels der Ausbildung von Gitterstrukturen gebildet ist.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 3 ist, dass der Heißnietstempel mindestens einen Kanal besitzt, der den Heißnietstempel in seiner Längsachse im Innern durchläuft und mindestens eine Öffnung besitzt, die in der Nähe der Arbeitsfläche des Fußes angeordnet ist.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 4 ist, dass der Fuß des Heißnietstempels eine Verjüngung aufweist, oberhalb derer die Öffnung des Kanals ausmündet.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 5 ist, dass die Heizeinheit ein keramisches Heizelement ist und/oder dass die Heizeinheit im Fuß des Heißnietstempels angeordnet ist.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 6 ist, dass der Fuß des Heißnietstempels gegenüber dem Aufnahmebereich des Heißnietstempels gekröpft angeordnet ist.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 7 ist, dass die thermische Trenneinheit im Kröpfungsbereich integriert ist.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 8 ist, dass im Fuß des Heißnietstempels eine von außen zugängliche Aussparung vorhanden ist, in welche die Heizeinheit einsetzbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Heißnietvorrichtung nach Patentanspruch 9 besitzt eine Befestigungskomponente zur kraft- und/oder formschlüssigen Aufnahme mindestens eines Heißnietstempels. Es ist außerdem eine Trägerplatte vorhanden, an welcher mindestens eine Befestigungskomponente anordenbar ist. Es ist eine Arretiervorrichtung zur kraftschlüssigen Aufnahme mindestens zweier Fügepartner, die mittels mindestens eines Niets verbindbar sind, vorhanden. Die Fügepartner weisen Durchbrüche, vorzugsweise in Form von Bohrungen auf, durch welche ein Nietdom führbar ist, der die beiden Fügepartner verbindet. Es ist in der Heißnietvorrichtung mindestens ein Heißnietstempel so angeordnet, dass dieser in einer Position der Vorrichtung auf dem mindestens einen Nietdom zum Liegen kommt. Dies ist die Verformungsposition. Es ist eine Antriebseinheit vorhanden, die von einer elektronischen Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei mittels der Antriebseinheit, gesteuert über die elektronischen Steuereinheit, die Trägerplatte in Richtung auf die Arretiervorrichtung oder von dieser weg bewegbar ist. Die elektronische Steuereinheit steuert die Erwärmung des mindestens einen Heißnietstempels über dessen Heizeinheit, wobei die Steuereinheit die Vorrichtung in einem Zyklus mit mehreren einander nachfolgenden Arbeitsschritten betreibt. Zunächst fügt die Steuereinheit die mindestens zwei Fügepartner über eine mechanische Betätigungseinheit in die Arretiervorrichtung ein und führt den Nietdom entsprechend ein; in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Nietdom bereits eingeführt. Anschließen oder zeitgleich steuert die elektronische Steuereinheit die Erwärmung des mindestens einen Heißnietstempel auf eine voreinstellbare Prozesstemperatur und hält diese Temperatur nach Erreichen der Prozesstemperatur durch geeignete Ansteuerung der Heizeinheit des mindestens einen Heißnietstempels nahezu konstant. Sodann steuert die Steuereinheit die Trägerplatte mittels der Antriebseinheit auf die Fügepartner und presst den mindestens einen Heißnietstempel mit einer vordefinierten Kraft auf den mindestens einen Nietdom des Niets und belässt dies für einen voreinstellbaren Zeitraum. Danach leitet die elektronische Steuereinheit über einen einstellbaren Zeitraum aus dem mindestens einen Luftkanal des mindestens einen Heißnietstempels Kühlluft, wodurch der Fuß des mindestens einen Heißnietstempels und der Niet gekühlt werden. Anschließend entfernt die Steuereinheit die Trägerplatte mittels der Antriebseinheit von den Fügepartnern, entnimmt diese aus der Arretiervorrichtung und fügt erneut mindestens zwei Fügepartner über eine mechanische Betätigungseinheit in die Arretiervorrichtung ein. Sodann wird der Prozess erneut gestartet.
  • Vorteilhaft gemäß der Ausführung nach Patentanspruch 10 ist, dass die Prozesstemperatur zum Ausbilden des Nietkopfes nach etwa sieben Sekunden wird erreicht und der Abkühlvorgang in etwa zehn Sekunden in Anspruch nimmt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Ansprüche, der weiteren Beschreibung sowie anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels, welches anhand von Figuren erläutert wird.
  • Es zeigt:
  • 1 eine Heißnietvorrichtung nach dem Stand der Technik;
  • 2 einen Prozesszyklus nach dem Stand der Technik während eines Heißnietvorgangs;
  • 3 Temperatur-Zeit-Verläufe in Knotenpunkten eines Stempels nach dem Stand der Technik;
  • 4 eine erfindungsgemäße Heißnietvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Heißnietstempel;
  • 5 einen Prozesszyklus währen eines Heißnietvorgangs mit einer erfindungsgemäßen Heißnietvorrichtung und einem erfindungsgemäßen Heißnietstempel;
  • 6 Temperatur-Zeit-Verläufe in Knotenpunkten eines erfindungsgemäßen Heißnietstempels; und
  • 7 einen erfindungsgemäßen Heißnietstempel in einer perspektivischen Ansichten.
  • Die nachfolgende Beschreibung anhand des konkreten Ausführungsbeispiels stellt keine Limitierung der Erfindung auf dieses konkrete Ausführungsbeispiel dar.
  • In 1 ist eine Heißnietvorrichtung 101 nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Heißnietvorrichtung 101 gemäß 1 umfasst einen zylindrisch ausgebildeten Stempel 102 mit einer entsprechend der jeweiligen Nietkopfkontur nach innen gewölbten Arbeitsfläche 103. Im Innern des Stempels 102 ist eine Heizeinheit 104 angeordnet, die mit Strom versorgt den Stempel 102 und insbesondere dessen Arbeitsfläche 103 erhitzt. Der Stempel 102 ist über eine Befestigungskomponente 105 an einer Trägerplatte 106 befestigt. Durch die Trägerplatte 106 ist ein Kühlrohr 107 geführt, das bis in die Nähe des Endes des Stempels 102 geführt und diesem zugebogen ist, sodass aus dem Kühlrohr 107 ein Luftstrom 108 gerichtet zugeführt werden kann. Der Stempel 102 ist über einem Nietdom 109 angeordnet, mittels dessen zwei Fügepartner 110, 111 mechanisch zu verbinden sind. Der Stempel 102 und dessen Arbeitsfläche 103 werden auf eine Temperatur erhitzt bei welcher der Nietdom 109 schmilzt bzw. verformbar wird. Es wird dann der Stempel 102 mit der Arbeitsfläche 103 auf den Nietdom 109 gedrückt und dieser verformt sich und verbindet die beiden Fügepartner 110, 111. Anschließend wird der Stempel 102 zurückgefahren und es wird der Nietdom 109 mit dem Luftstrom 108 gekühlt, sodass dieser wieder „fest“ wird. Die Trägerplatte 107 ist verfahrbar in Richtung auf den Nietdom 109. An der Trägerplatte 107 kann ein Stempel 102 oder mehrere Stempel befestigt sein. Es sind die Arbeitspositionen am Nietdom und die Ruheposition des Stempels 102 zu unterscheiden. Die Beheizung bzw. Erwärmumg des Stempels 102 erfolgt in der Ruheposition vor bzw. nach dem Nietvorgang, z.B. während die gefügten Fügepartner 110, 111 aus der Heißnietvorrichtung 101 entnommen werden. Durch die mit Bezugszeichen 112 versehenen Pfeile ist der Wärmefluss dargestellt, der sich bei der Erwärmung und des Haltens der Temperatur im Stempel ergibt, dargestellt. Es ist klar ersichtlich, dass durch den Wärmefluss ein erheblicher Teil der Wärmemenge in die angrenzenden Komponenten und die Umgebung abfließt und nicht vorrangig dem Heißnietprozess dient, sondern einen reinen Energieverlust darstellt.
  • In 2 ist ein Heißnietvorgang mit einer Heißnietvorrichtung gemäß 1 dargestellt. Es ist der Stempel 201 dargestellt, der über einem Nietdom 202 angeordnet ist, der zwei Fügepartner 203, 204 verbinden soll. Der Stempel 201, der Nietdom 202 und die Fügepartner 203, 204 sind nebeneinander dargestellt, jeweils bei einem Verfahrensschritt, nämlich dem Verfahrensschritt des Erwärmens 205, des Umformens 206, des Abkühlens 207 und des Abhebens bzw. erneuten Erwärmens 208 des Stempels 201. Es ist außerdem die Temperatur T über die Zeit t in Sekunden dargestellt. Zunächst, bei t0, hat der Stempel 201 die Temperatur T1. Im Verfahrensschritt des Erwärmens 205 wird der Stempel 201 auf die Temperatur T2 erwärmt. Hierfür wird ein Zeitintervall t0 bis t1 benötigt. Bei dieser Temperatur T2 ist der Nietdom 202 verformbar.
  • Bei t1 ist der Stempel 201 auf die Niettemperatur T2 gebracht und es wird der Verfahrensschritt des Umformens 206 gestartet. Hierzu wird der Stempel 201 auf den Nietdom 203 verfahren und auf diesen mit einer vordefinierten Kraft gepresst. Es wird die Niettemperatur T2 beibehalten. Dies erfolgt während des Zeitintervalls t1 bis t2.
  • Anschließend erfolgt der Verfahrensschritt des Abkühlens 207. Hierzu wird die Temperatur des Stempels 201 reduziert. Es wird Kühlluft zum Nietdom 202 geleitet. Der Stempel 201 verbleibt im Zeitintervall t2 bis t3 auf dem Nietdom 202 bis die Temperatur T1 erreicht wird.
  • Sodann wird im nächsten Verfahrensschritt des Abhebens bzw. erneuten Erwärmens 208 des Stempels 201 im Zeitintervall nach t3 der Stempel 201 in die Ausgansposition zurückgefahren. Es werden die beiden Fügepartner 202, 203 entnommen und neue Fügepartner in die Vorrichtung eingelegt. Der Stempel 201 wird wieder auf die Niettemperatur T2 gebracht.
  • Es wird also der Stempel 201, sobald er die Niettemperatur T2 erreicht hat, die innerhalb eines Verformbarkeitstemperaturbereichs des zu bearbeitenden Kunststoffmaterials des Nietdoms 202 liegt, auf die beiden Fügepartner 203, 204 abgesenkt und formt den Nietdom 202 zu einem Nietkopf um. Anschließend wird der Stempel 201 und der Nietkopf durch Anblasen mit Luft auf die Temperatur T1 unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs abgekühlt und in einem nachfolgenden Schritt von dem ausgeformten und erstarrten Nietkopf abgehoben. Die Zeitdauer des Erwärmens 205 beträgt ca. zehn Sekunden, die Zeitdauer des Umformens 206 beträgt ca. zwanzig Sekunden, die Zeitdauer des Abkühlens 207 beträgt ca. zehn Sekunden und die Zeitdauer des Abhebend bzw. Erwärmens 208 beträgt ca. zwanzig Sekunden. Die gesamte Zykluszeit ergibt sich damit zu sechzig Sekunden.
  • Als Heizeinrichtung wird in der Regel eine elektrisch beheizte metallische Heizpatrone verwendet, die in den Stempel 201 integriert ist. Diese muss jedoch aufgrund einer relativ geringen Leistungsdichte massiv ausgeführt werden, um den Stempel 201 auf die notwendige Niettemperatur T2 zu erwärmen. Durch die Wärmeleitung von der Heizpatrone erfolgt dann eine indirekte Erwärmung der Arbeitsfläche des Stempels 201, was aufgrund eines relativ großen Abstandes und einer hohen zu erwärmenden Masse eine entsprechend lange Zeit in Anspruch nimmt. Zudem ist der Stempel 201 üblicherweise mit anderen gut wärmeleitenden Komponenten direkt verbunden, wodurch nicht nur die Wärmeverluste enorm hoch sind, sondern auch insbesondere bei thermisch sensiblen Komponenten deren Funktionsfähigkeit und Lebensdauer beeinträchtigt werden können. Der resultierende Wirkungsgrad einer derartigen Stempelbeheizung ist somit sehr gering. So beträgt die erforderliche elektrische Leistung einer Heizpatrone im Durchschnitt zweihundert Watt. Das Abkühlen des Stempels 201 erfolgt üblicherweise, indem Kaltluft über ein Rohr mit einer Düse seitlich gegen die Nietstelle mit angepresstem Stempel 201 geblasen wird. Die an dem Stempel 201 vorbeiströmende Luft kann jedoch nur wenig Wärme aufnehmen, was den Nachteil mit sich bringt, dass entweder lange angeblasen oder ein hoher Luftvolumenstrom verwendet werden muss. Damit erfordert auch das Abkühlen des Nietkopfs eine entsprechend lange Zeit.
  • Aufgrund der langen Aufheiz- und Kühlzeiten lässt die Prozesszykluszeit der herkömmlichen Heißnietanlage von durchschnittlich ca. sechzig Sekunden zu wünschen übrig.
  • In 3 ist schematisch ein Stempel 301 dargestellt, der dem Stempel aus 1 und 2 entspricht. Es ist eine Konturdarstellung gewählt, die die Temperaturverteilung im Stempel 301 im quasistationären Temperaturzustand, der zumeist nach einer Betriebsdauer von dreißig Minuten erreicht wird, visualisiert. Es zeigt sich, dass die größte Temperatur und damit Wärme nicht an der Spitze 302 des Stempels 301, sondern im mittleren Bereich des Stempels 301 konzentriert. Es liegt die maximale Temperatur im Stempel 301 um etwa einhundert Grad C höher als die notwendige Prozesstemperatur. Des Weiteren fließt ein wesentlicher Teil der Wärme in die umgebenden Anlagenkomponenten. Durch eine große thermische Masse (Wärmeleitung) und eine große erwärmte „freie“ Oberfläche (Konvektion und Strahlung) treten sehr hohe Wärmeverluste auf.
  • In 3 sind Temperatur-Zeit-Verläufe in vier Knotenpunkten P1, P2, P3, P4 in unterschiedlichen Bereichen des Stempels 301 dargestellt. Daraus werden die Temperaturunterschiede innerhalb des Stempels 301 gezeigt. Beispielsweise beträgt die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Arbeitsfläche 303 des Stempels 301 und dem Stempelinneren beim Erwärmen bis zu einhundert Grad C. Darüber werden die umgebenden Anlagenkomponenten im Dauerbetrieb auf eine Temperatur im Bereich von 150 Grad C oder sogar höher erwärmt, was zu einer Beeinträchtigung deren Funktionsfähigkeit und Lebensdauer führen kann.
  • Es ist der Temperaturverlauf an den vier Knotenpunkten P1, P2, P3, P4 über den Zeitverlauf eines Heißnietvorgangs dargestellt. Es zeigt sich eine permanente Temperaturerhöhung an der Arbeitsfläche 303 des Stempels 301 während des Umformvorgangs, die durch eine große thermische Trägheit des massiven Stempels 301 verursacht wird. Dies zeigt, dass der Heißnietvorgang nur schwer regelbar ist und damit ein Problem insbesondere im Hinblick auf die Qualität der Nietverbindungen darstellt.
  • In 4 ist eine erfindungsgemäße Heißnietvorrichtung 401 mit einem erfindungsgemäßen Heißnietstempel 402 dargestellt. Die Heißnietvorrichtung 401 umfasst den Heißnietstempel 402 mit einer entsprechend der jeweiligen Nietkopfkontur, vorzugsweise nach innen gewölbten, angepassten Arbeitsfläche 403. Im Innern des Heißnietstempels 402 ist eine Heizeinheit 404 angeordnet, die, mit Strom versorgt, den Heißnietstempel 402 und insbesondere dessen Arbeitsfläche 403 erhitzt. Der Neißnietstempel 402 ist über eine Befestigungskomponente 405 an einer Trägerplatte 406 befestigt. Im Heißnietstempel 402 verlaufen zwei Kühlrohre 407 bzw. Kühlkanäle, die vorzugsweise mit Kühlluft versorgt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehr als zwei Kühlrohre 407 bzw. Kühlkanäle innerhalb des Heißnietstempels 402 vorgesehen. Dies ermöglicht eine besonders effektive Abkühlung durch Zuführung von Kühlluft.
  • Es kann aber in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nur ein Kühlrohr 407 bzw. Kühlkanal vorgesehen sein, was die Herstellung des Heißnietstempels 402 vereinfacht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen. Dass das oder die Kühlrohre 407 bzw. -kanäle in Wendeln den Heißnietstempel 402 durchlaufen. Hierdurch ist der Heißnietstempel 402 schnell abkühlbar. Vorzugsweise sind die Wendeln im Fuß 412 des Heißnietstempels 402 vorhanden, da nur dieser schnell abzukühlen ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlrohre 407 bzw. Kühlkanäle einen geschlossenen Kreislauf bilden und über eine Pumpe ein gekühltes Medium den Kreislauf durchfließt. Somit kann gezielt eine schnelle Abkühlung erreicht werden.
  • Es ist eine thermische Trenneinheit 408 vorgesehen. Diese ist oberhalb der Heizeinheit 404 im Heißnietstempel 402 angeordnet und verhindert, dass Wärme von der Heizeinheit 404 in Bereich des Heißnietstempels 402 oberhalb der thermischen Trenneinheit 408 ungehindert abgeleitet wird. Dadurch verbleibt die von der Heizeinheit 404 eingebrachte Wärmeenergie weitgehend in dem Bereich des Heißnietstempels 402, der für den Heißnietvorgang zuständig ist. Die thermische Trenneinheit 408 ist vorzugsweise in Form einer thermischen Trennschicht ausgestaltet. Diese wird bereits beim Herstellungsprozess des Heißnietstempels 402 erzeugt bzw. integriert.
  • Es wird gezielt nur der Fuß 412 des Heißnietstempels 402 über die Heizeinheit 404 erhitzt. Durch die thermische Trenneinheit 408 wird ein Energieverlust durch Abstrahlung und Konvektion reduziert, zumal die Oberfläche des Heißnietstempels 402, die erhitzt ist, sich nur auf den Fuß 412 unterhalb der thermischen Trenneinheit 408 beschränkt. Außerdem ist die Masse dieses Teiles des Heißnietstempels 402 weit geringer als der gesamte Heißnietstempel 402, sodass auch eine geringere Energie notwendig ist um den Heißnietstempels 402, dessen für den Nietvorgang relevanten Teil, nämlich den Fuß 412, zu erhitzen und weniger Zeit um diesen anschließend wieder abzukühlen.
  • Der Heißnietstempel 402 ist mit der Trägerplatte 406 über die Befestigungskomponente 405 verbunden. Durch die Trägerplatte 406 ist Kühlluft in die Kühlrohre 407 bzw. Kühlkanäle zuführbar, ebenso erfolgt hierüber die Zuführung des elektrischen Stroms für die elektrisch betriebene Heizeinheit 404.
  • Die Kühlrohre 407 bzw. -kanäle enden über einer Verjüngung des Fußes 412 des Heißnietstempels 402, sodass aus den Kühlrohren 407 bzw. -kanälen ein Luftstrom gerichtet entlang des Fußes 412 des Heißnietstempels 402 im Bereich der Arbeitsfläche 403 zugeführt werden kann und damit der Fuß 412 des Heißnietstempels 402 und ein Nietdom 409, der zwei Fügepartner 410, 411 verbindet, gekühlt werden kann. Zugleich erfolgt eine Kühlung des gesamten Heißnietstempels 402.
  • Der Heißnietstempel 402 ist über einem Nietdom 409 angeordnet, mittels dessen die zwei Fügepartner 410, 411 mechanisch zu verbinden sind. Der Heißnietstempel 402 und dessen Arbeitsfläche 403 werden auf eine Temperatur erhitzt bei welcher der Nietdom 409 schmilzt bzw. verformbar wird. Es wird dann der Heißnietstempel 402 mit der Arbeitsfläche 403 auf den Nietdom 409 gedrückt und dieser verformt sich und verbindet die beiden Fügepartner 410, 411. Anschließend wird der Heißnietstempel 402 mittels des Luftstroms aus den Kühlluftrohren 407 bzw. -kanälen, der durch einblasen von kühler Luft in die Luftrohre 407 bzw. -kanäle erzeugbar ist, gekühlt. Sobald der Fuß 412 des Heißnietstempels 402 soweit abgekühlt ist, dass der Nietdom 409 eine Temperatur besitzt, bei welcher dieser nicht mehr verformbar ist, wird der Heißnietstempel 402 zurückgefahren.
  • Die Trägerplatte 406 ist verfahrbar in Richtung auf den Nietdom 409. An der Trägerplatte 406 kann ein Heißnietstempel 402 oder es können mehrere Heißnietstempel befestigt oder angeordnet sein.
  • Der Heißnietstempel 402 besitzt somit eine Innenkühlung über die Kühlluftrohre 407 bzw. -kanälen und eine thermischen Trennung durch die thermische Trenneinheit 408 zu den anliegenden Komponenten.
  • Der Heißnietstempel 402 wird durch additive Fertigungsverfahren hergestellt. Da additive Verfahren eine deutlich größere Gestaltungsfreiheit gegenüber konventionellen Technologien bieten, lassen sich damit problemlos hochkomplexe Kühlluftrohre 407 bzw. Kühlluftkanäle und Gitterstrukturen in das Innere des Heißnietstempels 402 integrieren. Mit der Kühlluftzufuhr durch die in den Heißnietstempel 402 verlaufenden Kühlluftrohren 407 bzw. Kühlluftkanälen und die in unmittelbarer Nähe der Nietkontaktfläche angeordneten Austrittsöffnungen 413 wird die Fügezone effektiv gekühlt, wodurch die Kühlzeit wesentlich herabgesetzt werden kann. Mittels der thermischen Trennung über die thermische Trenneinheit 408 im Inneren des Heißnietstempels 402 wird die direkte Wärmeübertragung in die mit dem Heißnietstempel 402 in Kontakt stehenden Anlagenkomponenten, wie z.B. der Befestigungskomponente 405 und der Trägerplatte 406, erheblich reduziert. Auf Grund einer geringeren thermischen Masse, die im Wesentlichen aus dem Fuß 412 des Heißnietstempels 402 besteht, können somit die Erwärmung und die Abkühlung des Nietkopfbereichs des Nietdoms 409 schneller erfolgen, woraus eine kürzere Prozesszykluszeit resultiert.
  • Durch die nunmehr konkret auf den Einzelfall einstellbare Erhitzung des Heißnietstempels 402, wobei nur noch die Masse des Fußes 412 des Heißnietstempels 402 zu erwärmen ist, kann die Heizleistung der Heizeinheit 404 reduziert werden, was zu einer Verkleinerung der Heizeinheit 404 und damit auch zu einer Verkleinerung der Abmessungen des Heißnietstempels 402 führt und damit zu einem geringeren Energieverbrauch. Zum anderen wird eine Reduzierung der Erwärmungs- und Abkühlzeit erreicht, wodurch die gesamte Prozesszykluszeit reduziert werden kann.
  • Es ist der Kühlluftstrom 414 dargestellt, der durch die Kühlluftrohre 407 bzw. -kanäle durch den Heißnietstempel 402 geführt und an den Austrittsöffnungen 413 austritt und geleitet von der Form und Ausrichtung der Austrittsöffnungen 413 entlang dem Fuß 412 des Heißnietstempels 402 und an den Nietdom 409 bzw. den diesen umgebenden Bereich geführt wird.
  • Ein erfindungsgemäßer Heißnietstempel 402 kann somit leichter und mit kleinerem Volumen gestaltet werden. Dementsprechend wird für seinen Vorschub weniger Kraft benötigt. Aufgrund des geringeren Raumbedarfs des Heißnietstempels 402 durch die kleinere Stempelgröße des bzw. schlankere Bauform des Heißnietstempels 402 und den Entfall der äußeren Kühleinrichtung über externe Kühlluftrohre, wie beim Stand der Technik der Fall, kann ein erfindungsgemäßer Heißnietstempel 402 an unzugänglicheren Stellen angeordnet werden. Hierdurch wird die Anpassbarkeit der Heißnietvorrichtung 401 an unterschiedlichste Nietaufgaben erhöht. Der erfindungsgemäße Heißnietstempel 402 besitzt eine geringere thermische Trägheit, aufgrund der geringeren Masse, die zu erhitzen ist und erfordert daher einen niedrigeren Regelaufwand.
  • Zur Beheizung des Heißnietstempels 402 wird als Heizeinheit 404 ein keramisches Heizelement verwendet, welches in der Lage ist, eine hohe Leistungsdichte zu realisieren. Dies ermöglicht es, die Heizeinheit 404 mit geringerer Masse und kleineren Abmessungen im Vergleich zu herkömmlichen Heizpatronen oder Heizeinheiten auszulegen. Hierbei wird die beheizte Zone des Heizelementes 404 an die Geometrie des Heißnietstempels 402 und insbesondere dessen Fußes 412 derart angepasst, dass ausschließlich der Bereich des Heißnietstempels 402 in der Nähe der Arbeitsfläche 403 erwärmt wird. Ein größerer Heizwirkungsgrad und die Minimierung der zu erwärmenden Masse ermöglichen somit eine signifikante Reduzierung der zur Erwärmung des Heißnietstempels 402, eben nur dessen Fuß 412, auf die erforderliche Temperatur benötigten Zeitspanne und Energiemenge.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermische Trenneinheit 408 durch eine Schicht eines Materials mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Material, aus dem der Korpus des Heißnietstempels 402 gefertigt ist, besteht. Es kann daher für die Trennschicht ein Material mit Edelstahlanteilen eingesetzt werden. Es kann aber auch durch eine Gitterstruktur im Innern des Heißnietstempels 402 ein solcher Bereich geschaffen werden. Es kann aber auch die thermische Trenneinheit 408 etabliert werden indem neben dem Einsatz eines mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit ausgestatteten Materials für die thermische Trenneinheit 408 eine Reduzierung des Materialquerschnitts und des wärmeleitfähigen Wirkbereichs erfolgt.
  • In 5 ist ein Prozesszyklus während eines Heißnietvorgangs mit einer erfindungsgemäßen Heißnietvorrichtung und einem erfindungsgemäßen Heißnietstempel gemäß 4 dargestellt. Es ist ein Heißnietstempel 501, der dem Heißnietstempel 402 in 4 entspricht, schematisch dargestellt, der über einem Nietdom 502 angeordnet ist, der zwei Fügepartner 503, 504 verbinden soll. Der Heißnietstempel 501, der Nietdom 502 und die Fügepartner 503, 504 sind nebeneinander dargestellt, jeweils bei einem Verfahrensschritt, nämlich dem Verfahrensschritt des Erwärmens 505, des Umformens 506, des Abkühlens 507 und des Abhebens bzw. erneuten Erwärmens 508 des Heißnietstempels 501. Der Heißnietstempel 501 besitzt die thermische Trenneinheit 510. Es ist außerdem die Temperatur T über die Zeit t in Sekunden dargestellt. Zunächst, bei t0, hat der Heißnietstempel 501 an seinem Fuß 509 und im Bereich der Arbeitsfläche 511 die Temperatur T1. Im Verfahrensschritt des Erwärmens 505 wird der Heißnietstempel 501 an seinem Fuß 509 und im Bereich der Arbeitsfläche 511 auf die Temperatur T2 erwärmt. Bei dieser Temperatur T2 ist der Nietdom 502 verformbar. Hierfür wird ein Zeitintervall t0 bis t1 benötigt. Bei t1 ist der Heißnietstempel 501 an seinem Fuß 509 und im Bereich der Arbeitsfläche 511 auf die Niettemperatur T2 gebracht und es wird der Verfahrensschritt des Umformens 506 gestartet. Hierzu wird der Heißnietstempel 501 auf den Nietdom 503 verfahren und auf diesen mit einer vordefinierten Kraft gepresst. Hierbei wird die Niettemperatur T2 beibehalten. Dies erfolgt während des Zeitintervalls t1 bis t2. Anschließend erfolgt der Verfahrensschritt des Abkühlens 507. Hierzu wird die Temperatur des Heißnietstempels 501 reduziert. Es wird Kühlluft zum Nietdom 502 durch den Heißnietstempel 501 und dessen Kühlluftrohre geleitet. Der Heißnietstempel 501 verbleibt im Zeitintervall t2 bis t3 auf dem Nietdom 502 bis die Temperatur T1 erreicht wird. Sodann wird im nächsten Verfahrensschritt des Abhebens bzw. erneuten Erwärmens 508 des Heißnietstempels 501 im Zeitintervall nach t3 wird der Heißnietstempel 501 in die Ausgansposition zurückgefahren. Es werden die beiden Fügepartner 503, 504 entnommen und neue Fügepartner in die Vorrichtung eingelegt.
  • Es wird also der der Heißnietstempel 501, sobald dessen Arbeitsfläche 511 die Niettemperatur T2 erreicht hat, die innerhalb eines Verformbarkeitstemperaturbereichs des zu bearbeitenden Kunststoffmaterials des Nietdoms 502 liegt, auf die beiden Fügepartner 503, 504 abgesenkt und es wird der Nietdom 502 zu einem Nietkopf umgeformt. Anschließend wird der Fuß 409 des Heißnietstempel 501 im Bereich der Arbeitsfläche 511 durch Anblasen mit Luft durch die Lüftkanäle des Heißnietstempels 501 auf die Temperatur T1 unterhalb des Verformbarkeitstemperaturbereichs des Nietdoms 502 abgekühlt und in einem weiteren Schritt von dem ausgeformten und erstarrten Nietkopf abgehoben.
  • Der Zeitbedarf für den Verfahrensschritt des Umformens 506 ist prozessbedingt konstant. Der Zeitbedarf für den Verfahrensschritt des Erwärmens 505 und des Abkühlens 507 ist aber erheblich reduziert, was im Vergleich zur Dauer eines herkömmlichen Heißnietvorgangs nach dem Stand der Technik von ca. sechzig Sekunden auf nunmehr nur noch ca. siebenunddreißig Sekunden zu einer Zeitbedarfsreduzierung von ca. achtunddreißig Prozent führt. Es lässt sich die Zeit zum Erwärmen 505 auf ca. sieben Sekunden und die Zeit zum Abkühlen 507 auf ca. zehn Sekunden abkürzen. Weiterhin ergibt sich ein veränderter Temperaturverlauf in der Umformphase 506. In den ersten ca. sechs bis sieben Sekunden steigt die Temperatur im Fuß 519 des Heißnietstempels 501 noch weiter an, danach aber sinkt sie langsam ab. Damit weist der erfindungsgemäße Heißnietstempel 501 eine geringere thermische Trägheit auf und erfordert daher einen niedrigeren Regelaufwand.
  • Zur Beheizung des Heißnietstempels 501 wird ein keramisches Heizelement eingesetzt, welches in der Lage ist, eine hohe Leistungsdichte zu realisieren. Dies ermöglicht es, die Heizeinheit mit geringerer Masse und kleineren Abmessungen im Vergleich zu herkömmlichen Heizpatronen oder Heizeinheiten auszulegen. Hierbei wird die beheizte Zone des Heizelementes an die Geometrie des Heißnietstempels 501 derart angepasst, dass ausschließlich der Bereich des Heißnietstempels 501 in der Nähe der Arbeitsfläche erwärmt wird. Ein größerer Heizwirkungsgrad und die Minimierung der zu erwärmenden Masse ermöglichen somit eine signifikante Reduzierung der zur Erwärmung des Heißnietstempels 501 auf die erforderliche Temperatur benötigten Zeitspanne und Energie.
  • Außerdem besitzt der Heißnietstempel 501 eine Innenkühlung mittels der Kühlrohre bzw. -kanäle und die thermischen Trennung mittel der thermischen Trenneinheit 510 zu anliegenden Komponenten. Durch die Anwendung von additiven Fertigungsverfahren zum Aufbau des Heißnietstempels 501 lassen sich damit problemlos hochkomplexe Kühlluftrohre bzw. Kühlluftkanäle und Gitterstrukturen in das Innere des Heißnietstempels 501 integrieren. Mit einer Kühlluftzufuhr durch die im Heißnietstempels 501 verlaufenden Rohre bzw. Kanäle und die in unmittelbarer Nähe der Nietkontaktfläche angeordneten Austrittsöffnungen wird die Fügezone effektiv gekühlt, wodurch die Kühlzeit wesentlich herabgesetzt werden kann. Mittels der thermischen Trennung im Inneren des Heißnietstempels 501 wird die direkte Wärmeübertragung in die mit dem Heißnietstempel 501 in Kontakt stehenden Anlagenkomponenten erheblich reduziert. Auf Grund einer geringeren thermischen Masse können somit die Erwärmung und die Abkühlung des Nietkopfbereichs schneller erfolgen, woraus eine kürzere Prozesszykluszeit resultiert.
  • In 6 sind Temperatur-Zeit-Verläufe in Knotenpunkten eines erfindungsgemäßen Heißnietstempels dargestellt. Aus den in 6 dargestellten Temperatur-Zeit-Verläufen werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Heißnietstempels gegenüber dem Stand der Technik ersichtlich.
  • Es ist schematisch ein Heißnietstempel 601 dargestellt, der einem Heißnietstempel gemäß der Ausführung von 4 bzw. 5 entspricht. Es ist eine Kontourdarstellung gewählt, welche die Temperaturverteilung im Heißnietstempel 601 im quasistationären Temperaturzustand zeigt. Die größte Temperatur und damit Wärme verbleibt im Fuß 603 des Heißnietstempels 601. Dies erfolgt durch die eingebrachte thermische Trenneinheit 604, die im Heißnietstempel 601 eingebracht ist. Die Hitze die von der Heizeinheit eingebracht wird, wird im Fuß 603 und damit bei der Arbeitsfläche 602 gehalten. Dies und damit an der Arbeitsfläche 302 des Heißnietstempels 601 erzielt wird und dort konzentriert ist. In 6 sind Temperatur-Zeit-Verläufe in vier Knotenpunkten P1, P2, P3, P4 in unterschiedlichen Bereichen des Heißnietstempels 601 dargestellt. Es wird die maximale Temperatur TE1 in der Nähe der Arbeitsfläche 602 des Heißnietstempels erreicht, also dort, wo eine Wärmeübertragung auf den Nietdom bei einem Heißnietvorgang stattfindet. Mit zunehmender Entfernung von der beheizten Zone des Heißnietstempels 601 sinkt die Temperatur stetig. Während die Temperatur TE2 im mittleren Bereich des Heißnietstempels sich um ca. zwanzig Grad C reduziert, beträgt die Temperatur TE3 am oberen Rand des Heißnietstempels im Durchschnitt einhundert Grad C weniger. Die Erwärmung der mit dem Heißnietstempel 601 in Kontakt stehenden Komponenten in oberen Bereich des Heißnietstempels 601, bei TE3, ist wesentlich geringer, wodurch eine deutliche Reduzierung der Wärmeverluste erfolgt. Es ist daher eine Verkürzung der Aufheiz- und Abkühlzeiten jeweils um bis zu fünfzig Prozent erzielbar.
  • Es wird nur ein relativ kleiner Bereich um die Arbeitsfläche 602 des Heißnietstempels 601 auf eine Temperatur knapp oberhalb der erforderlichen Verformbarkeitstemperatur des Kunststoffs erwärmt. Im Mittelteil des Heißnietstempels 601 fällt die Temperatur kontinuierlich ab. Dadurch erfahren die anliegenden Vorrichtungskomponenten keine übermäßige Erwärmung.
  • Der quasistationäre Temperaturzustand wird bereits nach ca. zehn Minuten erreicht. Im Fuß 603 des Heißnietstempels 601, bei den Knotenpunkten P1 und P2 wird die erforderliche Prozesstemperatur erreicht, die Peripherie des Heißnietstempels 601 bei den Knotenpunkten P3 und P4 wird nur geringfügig erwärmt.
  • In 7 ist ein Heißnietstempel in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der Heißnietstempel 701 besteht aus einem Fußbereich 702 und einem Befestigungsbereich 703. Der Befestigungsbereich 703 dient zur Anordnung des Heißnietstempels 701 an einer Befestigungskomponente einer Vorrichtung. Der Fußbereich 702 ist an dem Befestigungsbereich 703 seitlich abgesetzt angeordnet. Es ist in dieser Absetzung eine thermische Trenneinheit angeordnet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Fußbereich 703 zum Befestigungsgereich 702 gekröpft. In der Abkröpfung ist die thermische Trenneinheit angeordnet.
  • Im Fußbereich 703 ist eine Aussparung 704 vorhanden. In diese Aussparung 704 ist eine Heizeinheit einbringbar, welche zur Erwärmung des Fußbereichs 703 dient. Die Heizeinheit kann in Form einer Heizpatrone ausgestaltet sein. Es kann eine elektrisch betriebene Heizeinheit zum Einsatz kommen.
  • Der Fußbereich 703 weist eine gestufte Verjüngung 705 mit einem umlaufenden Rand auf. Aus dem Rand treten Öffnungen von Luftkanälen aus, die auf das untere Ende des Fußbereichs gerichtet sind.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermische Trenneinheit durch eine Schicht eines Materials mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Material, aus dem der Korpus des Heißnietstempels gefertigt ist, besteht. Es kann daher für die Trennschicht ein Material mit Edelstahlanteilen eingesetzt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bereich des Übergangs zwischen Fußbereich 703 und Befestigungsbereich 703 die thermische Trenneinheit etabliert, wobei neben dem Einsatz eines mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit ausgestatteten Materials für die thermische Trenneinheit eine Reduzierung des Materialquerschnitts und des wärmeleitfähigen Wirkbereichs erfolgt.
  • Es wird im Folgenden eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heißnieten beschrieben, ohne auf eine Darstellung in einer Figur zu verweisen. Die Vorrichtung zum Heißnieten verwendet einen oder mehrere der vorherig beschriebenen Heißnietstempel. Die Heißnietstempel, die in der Heißnietvorrichtung, wie eingangs beschrieben, angeordnet sind, werden mit einer ersten Geschwindigkeit in Richtung der kongruenten Oberflächen der Nietdome bis zum Erreichen einer definierten Startposition, unter Beachtung vorgegebener oder voreingestellter definierter Koordinaten, mindestens eines Heißnietstempel verfahren und sodann mit einer geringeren Geschwindigkeit bis zum Berühren der Oberfläche mindestens eines Nietdomes vorgeschoben. Während des Rücklaufs und/oder während des Vorschubs bis zur Anlage des Heißnietstempels an dem Nietdom oder nach dem Vorschub bis zum Nietdom werden die Heißnietstempel auf eine Solltemperatur aufgeheizt. Die Heißnietstempel werden mit einer Vorschubbewegung, unter Aufbringung einer geregelten, konstanten oder einer progressiv ansteigenden Druckkraft, auf die Nietdome verfahren, bis die Verformung der Nietdome erreicht ist oder bis zum Erreichen eines definierten Verformungsgrades des mindestens einen Nietdomes.
  • Durch die stufenweise Änderung der Verfahrgeschwindigkeit wird erreicht, dass die Heißnietstempel sehr schnell den Ausgangspunkt erreichen, da die Koordinaten vorgegeben oder beim Einrichten der Vorrichtung durch einen Sensor erfasst werden und in einer Speichereinheit der Steuereinheit, die vorzugsweise eine elektronische Steuereinheit ist, gespeichert werden. Es ist auch eine zeitliche Zuordnung im Verfahrensablauf der Verfahrensschritte der Vorrichtung zum Heißnieten vorgesehen, so dass auch der Zeitpunkt, zu welchen der Vorschub unterbrochen werden soll, festgelegt werden kann. Ab diesem Zeitpunkt kann ein langsameres Verfahren einsetzen und/oder auch ein Aufheizen oder ein Fortführen der Aufheizung des Heißnietstempels oder der Heißnietstempel, die in der Vorrichtung angeordnet sind, wie beschrieben in oder an der Trägerplatte. Die Verfahrgeschwindigkeit zwischen der Ausgangsposition und dem Anschlag des Heißnietstempels auf der Oberfläche eines Hohl- oder Vollnietes aus Kunststoff oder der Endposition nach Abschluss der Verformung erfolgt gegenüber dem ersten Vorschub langsamer. Mit dem Anliegen des Heißnietstempels am Nietdom wird über die Steuerung veranlasst, dass der Servomotor mit einer progressiven oder mittels einer geregelten gleichbleibenden Druckkraft den Nietdom in gewünschter Weise durch den Heißnietstempel, insbesondere dessen Arbeitsfläche, vorgegeben verformt.
  • Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung einer ansteigenden Beschleunigungskurve bei der Vernietung der Nietprozess im Vergleich zu einer Nietung mit konstanter Verformzeit zeitlich wesentlich verkürzt werden kann, ebenso wenn mit gleichbleibender Druckkraft auf den Nietkopf gedrückt wird.
  • Um den Nietprozess weiter zu beschleunigen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass bereits während der ersten beiden Bewegungsabschnitte der Heißnietkopf bzw. jeder der vorhandenen Heißnietköpfe aufgeheizt oder auf Solltemperatur nachgeheizt wird, während die Aufheizung schon während der Rückführphase der Druckplatte nach der Verformung erfolgt.
  • Die Erfindung umfasst aber auch eine Vorrichtung zum Verbinden von Gegenständen durch Kunststoffheißvernietung mittels Umformung erwärmter thermoplastischer Nietdome mittels einer Vorrichtung mit einer definierten Anzahl von Heißnietköpfen unterschiedlicher Höhe und Querschnittsform, die nach dem Einlegen der Gegenstände in die Vorrichtung und der Nieten in kongruente Durchbrüche in den Gegenständen oder nach Durchstecken der an einem Gegenstand fixierten Nietdome durch Durchbrüche in den weiteren Gegenständen zunächst bis zum Berühren der Oberfläche mindestens eines Nietdomes verfahren werden und sodann wegabhängig bis zum Erreichen des Anschlages den Verformungsprozess jedes Nietdomes durch die aufgeheizten Heißnietköpfe bewirken.
  • Nachfolgend wird die Vorrichtung zum Heißnieten anhand der Figur 4 beschrieben. Die erfindungsgemäße Heißnietvorrichtung besitzt eine Befestigungskomponente zur kraft- und/oder formschlüssigen Aufnahme mindestens eines Heißnietstempels 402. Es ist außerdem eine Trägerplatte 406 vorhanden, an welcher mindestens eine Befestigungskomponente 405 anordenbar ist. Es ist eine Arretiervorrichtung, nicht in 4 dargestellt, zur kraftschlüssigen Aufnahme mindestens zweier Fügepartner 410, 411 die mittels mindestens eines Niets verbindbar sind, vorhanden. Die Fügepartner 410, 411 weisen Durchbrüche, vorzugsweise in Form von Bohrungen auf, durch welche ein Nietdom 409 führbar ist, der die beiden Fügepartner 410, 411 verbindet. Es ist in der Heißnietvorrichtung 401 mindestens ein Heißnietstempel 402 so angeordnet, dass dieser in einer Position der Vorrichtung auf dem mindestens einen Nietdom 409 zu liegen kommt. Dies ist die Verformungsposition. Es ist eine Antriebseinheit vorhanden, die von einer elektronischen Steuereinheit, nicht in 4 dargestellt, ansteuerbar ist, wobei mittels der Antriebseinheit, gesteuert über die elektronischen Steuereinheit, die Trägerplatte 406 in Richtung auf die Arretiervorrichtung oder von dieser weg bewegbar ist. Die elektronische Steuereinheit steuert die Erwärmung des mindestens einen Heißnietstempels 402 über dessen Heizeinheit 404, wobei die Steuereinheit die Vorrichtung in einem Zyklus mit mehreren einander nachfolgenden Arbeitsschritten betreibt. Zunächst fügt die Steuereinheit die mindestens zwei Fügepartner 410, 411 über eine mechanische Betätigungseinheit in die Arretiervorrichtung ein und führt den Nietdom 409 entsprechend ein; in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Nietdom 409 bereits eingeführt. Anschließend oder zeitgleich steuert die elektronische Steuereinheit die Erwärmung des mindestens einen Heißnietstempel 402 auf eine voreinstellbare Prozesstemperatur und hält diese Temperatur nach Erreichen der Prozesstemperatur durch geeignete Ansteuerung der Heizeinheit 404 des mindestens einen Heißnietstempels 402 nahezu konstant. Sodann steuert die Steuereinheit die Trägerplatte 406 mittels der Antriebseinheit auf die Fügepartner 410, 411 und presst den mindestens einen Heißnietstempel 402 mit einer vordefinierten Kraft auf den mindestens einen Nietdom 409 des Niets und belässt dies für einen voreinstellbaren Zeitraum. Danach leitet die elektronische Steuereinheit über einen einstellbaren Zeitraum aus dem mindestens einen Luftkanal 407 des mindestens einen Heißnietstempels 402 Kühlluft, wodurch der Fuß 412 des mindestens einen Heißnietstempels 402 und der Niet gekühlt werden. Anschließend entfernt die Steuereinheit die Trägerplatte 406 mittels der Antriebseinheit von den Fügepartnern 410, 411 entnimmt diese aus der Arretiervorrichtung und fügt erneut mindestens zwei Fügepartner 410, 411 über eine mechanische Betätigungseinheit in die Arretiervorrichtung ein. Sodann wird der Prozess erneut gestartet. Die Prozesstemperatur zum Ausbilden des Nietkopfes wird nach etwa sieben Sekunden erreicht und der Abkühlvorgang nimmt in etwa zehn Sekunden in Anspruch.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    Heißnietvorrichtung
    102
    Stempel
    103
    Arbeitsfläche
    104
    Heizeinheit
    105
    Befestigungskomponente
    106
    Trägerplatte
    107
    Kühlrohr
    108
    Kühlluft
    109
    Nietdom
    110
    Fügepartner
    111
    Fügepartner
    112
    Wärmefluss
    201
    Stempel
    202
    Nietdom
    203
    Fügepartner
    204
    Fügepartner
    205
    Erwärmen (Phase des Erwärmens)
    206
    Umformen (Phase des Umformens)
    207
    Abkühlen (Phase des Abkühlens)
    208
    Anheben bzw. erneutes Erwärmen (Phase des Abhebens bzw. erneuten Erwärmens)
    t, t0, t1, t2, t3
    Zeitpunkt
    T, T1, T2
    Temperatur
    301
    Stempel
    302
    Spitze
    303
    Arbeitsfläche
    P1, P2, P3, P4
    Knotenpunkte
    401
    Heißnietvorrichtung
    402
    Heißnietstempel
    403
    Arbeitsfläche
    404
    Heizeinheit
    405
    Befestigungskomponente
    406
    Trägerplatte
    407
    Kühlluftrohr bzw. Kühlluftkanal
    408
    thermische Trenneinheit
    409
    Nietdom
    410
    Fügepartner
    411
    Fügepartner
    412
    Fuß des Heißnietstempels
    413
    Austrittsöffnung (des Kühlluftrohrs bzw. Kühlluftkanals)
    414
    Kühlluftstrom
    415
    Wärmefluss
    501
    Heißnietstempel
    502
    Nietdom
    503
    Fügepartner
    504
    Fügepartner
    505
    Erwärmen (Phase des Erwärmens)
    506
    Umformen (Phase des Umformens)
    507
    Abkühlen (Phase des Abkühlens)
    508
    Anheben bzw. erneutes Erwärmen (Phase des Abhebens bzw. erneuten Erwärmens)
    509
    Fuß (des Heißnietstempels)
    510
    thermische Trenneinheit
    511
    Arbeitsfläche
    t, t0, t1, t2, t3
    Zeitpunkt
    T, T1, T2
    Temperatur
    601
    Heißnietstempel
    602
    Arbeitsfläche
    603
    Fuß (des Heißnietstempels)
    604
    thermische Trenneinheit
    P1, P2, P3, P4
    Knotenpunkte
    TE1, TE2, TE3
    Temperatur
    701
    Heißnietstempel
    702
    Fußbereich
    703
    Befestigungsbereich
    704
    Aussparung
    705
    Verjüngung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10352821 A1 [0007]
    • DE 102010061164 A1 [0008]
    • DE 29507066 U1 [0009]
    • DE 102014101750 A1 [0010]

Claims (10)

  1. Heißnietstempel (402) aufweisend einen Fuß (412) mit einer Arbeitsfläche (403), die mittels einer Heizeinheit (404) erhitzbar ist, wobei die Heizeinheit (404) in oder an dem Heißnietstempel (402) angeordnet ist und wobei die Arbeitsfläche (403) des Fußes (412) an die zu erzeugende Nietkopfkontour angepasst ist, und einen Aufnahmebereich, mittels dessen der Heißnietstempel (402) an einer Vorrichtung befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aufnahmebereich und dem Fuß (413) mit der Arbeitsfläche (403) eine thermische Trenneinheit (408) vorgesehen ist, welche eine direkte Wärmeübertragung zwischen dem Fuß (412) mit der Arbeitsfläche (403) und dem Aufnahmebereich verhindert.
  2. Heißnietstempel (402) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Trenneinheit (408) aus einer Schicht mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Material des Fußes (413) und des Aufnahmebereichs des Heißnietstempels (402) besteht und/oder von einem Bereich mit einer Reduzierung des Materialquerschnitts mittels der Ausbildung von Gitterstrukturen gebildet ist.
  3. Heißnietstempel (402) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißnietstempel (402) mindestens einen Kanal (407) besitzt, der den Heißnietstempel (402) in seiner Längsachse im Innern durchläuft und mindestens eine Öffnung (413) besitzt, die in der Nähe des Arbeitsfläche (403) des Fußes (412) angeordnet ist.
  4. Heißnietstempel (402) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fuß (412) des Heißnietstempels (402) eine Verjüngung aufweist, oberhalb derer die Öffnung (413) des Kanals (407) ausmündet.
  5. Heißnietstempel (402) nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (404) ein keramisches Heizelement ist und/oder dass die Heizeinheit (404) im Fuß des Heißnietstempels (402) angeordnet ist.
  6. Heißnietstempel (402) nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fuß (412) des Heißnietstempels (402) gegenüber dem Aufnahmebereich des Heißnietstempels (402) gekröpft angeordnet ist.
  7. Heißnietstempel (402) nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Trenneinheit (408) im Kröpfungsbereich integriert ist.
  8. Heißnietstempel (402) nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fuß (412) des Heißnietstempels (402) eine von außen zugängliche Aussparung (704) vorhanden ist, in welche die Heizeinheit (404) einsetzbar ist.
  9. Heißnietstempelvorrichtung mit einer Befestigungskomponente (405) zur kraft- und/oder formschlüssigen Aufnahme mindestens eines Heißnietstempel (402) mit den Merkmalen eines der vorangehenden Patentansprüche und einer Trägerplatte (406) an welcher mindestens eine Befestigungskomponente (405) anordenbar ist, einer Arretiervorrichtung zur kraftschlüssigen Aufnahme mindestens zweier Fügepartner (410, 411) die mittels mindestens eines Niets verbindbar sind, wobei der mindestens eine Heißnietstempel (402) so in der Vorrichtung angeordnet ist, dass dieser in einer Position der Vorrichtung auf dem mindestens einen Niet zu liegen kommt, einer Antriebseinheit, die von einer elektronischen Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei mittels der Antriebseinheit, gesteuert über die elektronischen Steuereinheit die Trägerplatte (406) in Richtung auf die Arretiervorrichtung oder von dieser weg bewegbar ist, wobei die elektronische Steuereinheit außerdem die Erwärmung des mindestens einen Heißnietstempels (402) steuert, wobei die Steuereinheit die Vorrichtung in einem Zyklus mit mehreren einander nachfolgenden Arbeitsschritten betreibt, wobei zunächst die Steuereinheit die mindestens zwei Fügepartner (411, 412) über eine mechanische Betätigungseinheit in die Arretiervorrichtung eingelegt und die Erwärmung des mindestens einen Heißnietstempel (402) auf eine Prozesstemperatur vornimmt und diese Temperatur nach Erreichen der Prozesstemperatur durch geeignete Ansteuerung der Heizeinheit (404) des mindestens einen Heißnietstempels (402) beibehält, nach Erreichen der Prozesstemperatur die Steuereinheit die Trägerplatte (406) mittels der Antriebseinheit auf die Fügepartner (411, 412) verfährt und den mindestens einen Heißnietstempel (402) mit einer vordefinierten Kraft auf den mindestens einen Nietdom (409) des Niets presst und dort für einen voreinstellbaren Zeitraum belässt, danach über einen einstellbaren Zeitraum über den mindestens einen Kanal (407) des mindestens einen Heißnietstempels (402) Kühlluft einleitet, wodurch der Fuß (412) des mindestens einen Heißnietstempels (402) und der Niet gekühlt werden und anschließend die Steuereinheit die die Trägerplatte (406) mittels der Antriebseinheit von den Fügepartnern (411, 412) entfernt, erneut mindestens zwei Fügepartner (411, 412) über eine mechanische Betätigungseinheit in die Arretiervorrichtung eingelegt und die Erwärmung des mindestens einen Heißnietstempel (402) auf die Prozesstemperatur startet.
  10. Heißnietstempelvorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Prozesstemperatur nach etwa sieben Sekunden erreicht und der Abkühlvorgang etwa zehn Sekunden beansprucht.
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