特許 7013383 材料連続性を有する、又は材料連続性及び形状適合性を有する、少なくとも１つの金属製又はセラミック製の構成要素と、熱可塑性ポリマーから形成されるか、または熱可塑性ポリマーによって形成される構成要素と、の接続を、確立又は分離するための装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-21

(45)【発行日】2022-01-31

(54)【発明の名称】材料連続性を有する、又は材料連続性及び形状適合性を有する、少なくとも１つの金属製又はセラミック製の構成要素と、熱可塑性ポリマーから形成されるか、または熱可塑性ポリマーによって形成される構成要素と、の接続を、確立又は分離するための装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/44 20060101AFI20220124BHJP

   B29C 65/16 20060101ALI20220124BHJP

   B29C 65/32 20060101ALI20220124BHJP

【ＦＩ】

B29C65/44

B29C65/16

B29C65/32

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018549519

(86)(22)【出願日】2017-03-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-04-25

(86)【国際出願番号】 EP2017055934

(87)【国際公開番号】W WO2017162473

(87)【国際公開日】2017-09-28

【審査請求日】2020-01-08

(31)【優先権主張番号】102016204797.3

(32)【優先日】2016-03-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】515230084

【氏名又は名称】フラウンホーファー－ゲゼルシャフト ツゥア フェアデルング デア アンゲヴァンドテン フォァシュング エー．ファウ．

(73)【特許権者】

【識別番号】516386144

【氏名又は名称】テヒニシュ ウニヴェルズィテート ドレスデン

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】ランガー モーリス

(72)【発明者】

【氏名】クロツバッハ アネット

(72)【発明者】

【氏名】ポーッチェ ローベルト

【審査官】酒井 英夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０７９９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－０６４５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－１４５６２３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１３－１６６３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１９５６４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６５／０２－６５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属製又はセラミック製の少なくとも１つの構成要素（１）と、熱可塑性ポリマーから形成される構成要素（a component formed from or by a thermoplastic polymer）（２）と、の、材料連続性、又は、材料連続性及び形状適合性、を有する結合を、形成又は分離する、装置であって、当該構成要素（１及び２）は、カウンターホルダー（４）及びプランジャー（３）を有するプレス装置によって一緒にプレスされるように接合され、
加熱装置（６）は、前記プランジャー（３）及び／又は前記カウンターホルダー（４）に配置、又は、そこにおいて動作し、前記加熱装置（６）は、前記構成要素（２）を形成する前記ポリマーの軟化温度以上まで前記金属製又はセラミック製の少なくとも１つの構成要素（１）を加熱することを達成し、
前記加熱装置（６）は、
接合領域内の前記構成要素（１）に向けられた少なくとも１つのレーザービームを有し、
及び／又は、
前記構成要素（１及び２）の誘導加熱に使用される前記プランジャー（３）及び／又は前記カウンターホルダー（４）に少なくとも１つのインダクターを有し、
ここで、前記接合領域における金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）の局所的に規定された加熱は、前記加熱装置（６）によって達成され、
少なくとも１つの前記レーザービームは、前記接合領域において達成される均一な温度場における空間分解能を検出する温度測定装置に依存して、偏向及び／又は動作可能であって、
及び／又は、少なくとも１つの前記インダクターは、前記接合領域において均一な温度場が達成されるように、前記構成要素（１）に対して、可動又は調整可能に動作することができるように設計され、
金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）に係合する、固定要素又はクランプ要素が、前記プランジャー（３）及び前記カウンターホルダー（４）に存在し、材料連続性、又は、材料連続性及び形状適合性、を有する結合を分離し、前記プランジャー（３）と前記カウンターホルダー（４）とを移動する際に金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）に引張力を作用させることを特徴とする、装置。

【請求項2】

軟化されたまたは溶融された前記ポリマーが入る少なくとも1つの開口及び／又は1つの凹部、又は、軟化されたまたは溶融された前記ポリマーに浸入する隆起が、前記接合領域内の金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）に存在し、形状適合接続に使用可能であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記少なくとも１つのレーザービームは、計測された、又は、前記接合領域内の前記構成要素（１）の空間分解能として知られている、送り方向の温度、前記レーザービームの焦点の前記送り速度、前記焦点領域の大きさ、その性能、及び／又は、前記レーザービームのパルス動作におけるパルスレート及びパルス長に応じて、調節可能な方法で動作可能であり、それぞれ照射された前記構成要素（１）の均一な温度場は前記接合領域内において維持され、前記温度は前記軟化温度以上分解温度以下に維持されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

少なくとも１つのセンサーは、存在し、前記接合領域内における温度の決定を空間的に解決するために形成されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

金属製又はセラミック製の少なくとも１つの構成要素（１）と、熱可塑性ポリマーから形成される構成要素（２）と、の、材料連続性、又は、材料連続性及び形状適合性、を有する結合を、形成又は分離する、方法であって、当該構成要素（１及び２）は、カウンターホルダー（４）及びプランジャー（３）を有するプレス装置によって一緒にプレスされ、前記ポリマーの加熱は、前記プランジャー（３）及び／又は前記カウンターホルダー（４）に配置されている少なくとも１つの加熱装置（６）を用いて、少なくとも一緒にプレスされている間に起こり、少なくとも１つの金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）の加熱は、軟化温度以上、接合領域がポリマーで形成されている前記構成要素（２）の分解温度以下で起こり、
前記加熱装置（６）において、レーザービームの偏向運動の影響、ビーム形状、及び／又は前記接合領域内の金属部品の材料内に局所的に定義された方法で結合することができるエネルギーによって、金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）上の少なくとも１つのレーザービームを用いて前記接合領域内において調節又は制御された方法で加熱が行われ、
及び／又は、
代替として、前記プランジャー（３）及び／又は前記カウンターホルダー（４）に存在すると共に前記構成要素（１）の加熱のために構成された少なくとも１つのインダクターを用いて必要な加熱が行われ、前記接合領域内において局所的な加熱を達成するように調節又は制御が行われる、
及び、
前記熱可塑性ポリマーの塑性変形が起こり、材料連続性を有する又は材料連続性及び形状適合性を有する接続が確立され、
又は、
引張力は、金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）において働き、前記熱可塑性ポリマーの温度が前記軟化温度に到達した後に、材料連続性を有する又は材料連続性及び形状適合性を有する接続を分離する、前記プランジャー（３）及び前記カウンターホルダー（４）の動作によって、作用され、
ここで、前記接合領域における金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）の局所的に規定された加熱は、前記加熱装置（６）によって達成され、
少なくとも１つの前記レーザービームは、前記接合領域において達成される均一な温度場における空間分解能を検出する温度測定装置に依存して、偏向及び／又は動作可能であって、
及び／又は、少なくとも１つの前記インダクターは、前記接合領域において均一な温度場が達成されるように、前記構成要素（１）に対して、可動又は調整可能に動作することができるように設計され、
金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）に係合する、固定要素又はクランプ要素が、前記プランジャー（３）及び前記カウンターホルダー（４）に存在し、材料連続性、又は、材料連続性及び形状適合性、を有する結合を分離し、前記プランジャー（３）と前記カウンターホルダー（４）とを移動する際に金属製又はセラミック製の前記構成要素（１）に引張力を作用させることを特徴とする、方法。

【請求項6】

冷却は、冷却媒体を供給する、又は、前記ポリマー材料の前記塑性変形に続いて冷却要素を使用することによって行われることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記加熱装置（６）、及び／又は、前記プランジャー（３）及び／又は前記カウンターホルダー（４）の動作によって実行され、力センサー及び／又は経路センサーを用いて前記構成要素（１及び２）を一緒にプレスすることを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、材料連続性を有する、又は材料連続性及び形状適合性を有する、少なくとも1つの金属製又はセラミック製の構成要素と、熱可塑性ポリマーから形成されるか、または熱可塑性ポリマーによって形成される構成要素と、の接続を、確立又は分離するための装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

抵抗溶接は、典型的にはロボット誘導溶接トングを用いて行われ、自動車産業においてボディー部品を相互に接続する一般的な方法である。対向して配置された２つの電極は、ここで点として一緒にプレスされ、電流フローは、電流フロー中及びその後の圧力が安定した接続を補助するように、ジュール効果によって溶融する導電性材料を通って開始される。
溶接継ぎ目は、溶融した部品が再び固化する際に生成される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

金属と熱可塑性プラスチック又は熱可塑性複合材料との組み合わせは、複合材料の重量が低いと共に強度が高く、金属の特性を有利に補完するため、軽量構造を構成する中心的な役割をますます果たすようになっている。これらの異種材料を３０秒以下のプロセス時間で接合する大規模工業用に適した方法を開発することが以前から存在する課題であり、そのため、接続に直ちにかかるストレスは、例えば、接着結合された構成要素の範囲内又はそれ以上における結合の強さを有する材料フローを実現することは、以下の作業工程で実現することができる。材料の物理的構造の違い及びそれらの熱膨張係数の違いは、ここで特別な結合プロセスを要する。

【0004】

金属製部材と熱可塑性プラスチック又は熱可塑性プラスチック製複合材料とを軽量構造の構成で接続する従来のアプローチは、適切な接着剤を用いて材料を接合することを備える。これのための要件は、接着を準備する点において時間がかかること及びコストがかかること、さらなる材料（接着剤）を用いる必要性、及び、典型的には数分から数時間の硬化時間の観察である。

【0005】

更なるアプローチは、金属板が、熱可塑性プラスチック又は熱硬化性有機シートと交互に積層され、続いて、高温及び高圧で不連続接合プレスによって互いに接続される、金属‐熱可塑性プラスチック半完成品を備える。このいわゆるホットプレスは、繊維複合材パッチが適用された予備形成済みの金属部品にも同様に使用される。

【0006】

インモールドプロセスもまた、プラステックが射出形成プロセスにおいて金属上に直接射出される、又は、金属部品がオーバーモールドされる、個々の構成要素に対して、確立されている。しかしながら、プラスチックを射出形成機で処理しなければならないため、構成要素の幾何学的形状の柔軟性及び材料の選択に実質的な限界が存在する。

【0007】

ねじ止めやリベット締め等の機械的接合プロセスは、繊維強化プラスチック（ＦＲＰｓ）の破壊に伴う力の流れで局所的な断面収縮をもたらし、材料特性を実質的に低下させる。

【0008】

前記アプローチは、費用及び特に生産時間が依然として非常に高いため、従来、制限付きの工業用にのみ適していた。接着剤のような付加材料を使用しない、直接熱接合による単純な一体化は、コンパクトかつフレキシブルな工具又はそのような装置が提供される工業的製造プロセスにおいてのみ実現される。

【0009】

したがって、本発明の目的は、短いサイクルタイムで、金属製の少なくとも１つの構成要素と熱可塑性ポリマーから形成されるか、または熱可塑性ポリマーによって形成される構成要素と、の接続を、確立又は分離できる可能性を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この目的は、本発明に係る請求項１の特徴を有する装置によって達成される。製造方法は、請求項７に定義される。本発明の有利な実施形態及びさらなる展開は、従属請求項に指定された特徴を用いて実現することができる。

【0011】

本発明に係る装置は、金属製またはセラミック製の少なくとも１つの構成要素と、熱可塑性ポリマーから形成される構成要素（a component formed from or by a thermoplastic polymer）と、の、材料連続性、又は、材料連続性及び形状適合性、を有する結合を、形成又は分離し、当該構成要素は、カウンターホルダー及びプランジャーを有するプレス装置によって、一緒にプレスされる、又は引き離される。

【0012】

加熱装置は、プランジャー及び／又はカウンターホルダーに存在する。これは、少なくとも１つの金属製又はセラミック製の構成要素における部分的な加熱が、軟化温度を超えるまで、及び、場合によっては、ポリマーから形成された構成要素の分解温度以下で行われるという効果を有する。少なくとも接合中において、分解温度を超えてはならない。

【0013】

加熱装置は、以下の３つの選択肢のうち少なくとも１つから構成される。
―加熱装置は、電気絶縁性の、好ましくはセラミック製の保護フィルムで覆われた少なくとも１つの電気抵抗発熱体を有する。
―少なくとも１つのレーザービームは、好ましくは、レーザー光線に対して通過な素子、すなわちプランジャー及び／又はカウンターホルダーの一体部分を通り、接合領域内の金属製又はセラミック製の構成要素に向けられる。複数のレーザービームは、しかしながら、好ましくは個々に制御可能な複数のレーザービーム光源のアレイ配置によって、金属製又はセラミック製の要素の表面に向けられて使用可能である。
―それは、プランジャーに及び／又はカウンターホルダーの側に、少なくとも１つのインダクターを有し、金属製の構成要素の誘導加熱に使用される。

【0014】

したがって、金属製又はセラミック製の構成要素の局所的に規定された加熱は、接合領域において加熱装置を用いて達成可能であり、当該加熱装置では、点状、線状、長方形、または環状の複数の電気抵抗加熱素子がそれぞれ個々に制御可能に構成されており、又は、環状リングセグメント形状の環状電気抵抗加熱素子の加熱速度が好ましくはそれぞれ５００ｋ／ｓ以上であり、及び、少なくともほぼ均一な温度領域が、不均一な熱導入のために接合領域内の接合パートナー同士の境界面において達成されるべきである。

【0015】

以下にそれぞれ挙げられている２つの可能性のうちの少なくとも１つは、単独で、又はポリマーを加熱するというこの目的に加えて使用可能である。

【0016】

少なくとも１つのレーザービームは、空間分解能で検出する温度測定装置に依存して偏向可能かつ動作可能であり、接合領域内において少なくともほぼ均一な温度に達することができる。しかしながら、レーザービームは、接合領域内においてそれによって達成可能な局所的な加熱が予め決定されているか、又は予め知られている場合、制御された方法で操作されてもよい。温度は、例えば、パイロメーター又はサーモグラフィーを用いて測定又は決定可能である。加熱された構成要素の表面における変化は、例えば、焼入れ色の発生の場合のように、ここで考慮されてもよい。この方法を実施する際におけるエラーの認識は、例えば、熱可塑性ポリマーから形成された構成要素の表面への十分な接触がない場合に金属製又はセラミック製の構成要素において高すぎる温度が生じ、熱がこの熱可塑性ポリマーから形成される部品への熱伝導により十分に放出されないことによって、検出され得る。

【0017】

少なくとも１つのインダクターは、金属製構成要素に対して可動及び／又は調節可能に操作されるように設計され、接合領域内において少なくともほぼ均一な温度を達成することができる。複数のインダクターによって、それらはそれぞれ個々に制御及び／又は調節可能である。

【0018】

しかしながら、本発明は、そのような構成要素を分離することにも使用可能である。熱可塑性ポリマーの加熱は、材料連続性又は材料線属性及び適切温度までの形状適合性と同様に、このプロセスにおいて接合領域で行われる。互いから離れるように移動するプランジャー及びカウンターホルダーの動作において、張力が金属製又はセラミック製の構成要素に作用して予め確立された接続を分離し、当該張力は、プランジャー及びカウンターホルダーに存在すると共に、好ましくは外周上に分布する金属製又はセラミック製の構成要素に計号する、固定要素又はクランプ要素によって作用する。

【0019】

プランジャー及び／又はカウンターホルダー内に一体化可能な装置は、冷却装置を有していてもよい。冷却装置は、以下のように設計される。
―ガスを用いた強制対流による、金属製又はセラミック製の各構成要素の冷却であって、当該ガスは、室温又は室温よりもかなり低い温度に冷却され、そして、接合パートナーに流れとして向けられる。
―冷却プレートの上方における熱伝導による冷却であって、液体又は気体の冷却媒体による加熱プロセスの後に活性化可能である。
―プランジャー又はカウンターホルダーからの熱放散。
サイクル時間は、加熱後における熱可塑性プラスチック材料の固化プロセスを短縮することができるため、冷却によってさらに短縮可能である。

【0020】

軟化又は溶融ポリマーが入る、少なくとも１つの開口部及び／又は１つの凹部、又は、軟化又は溶融ポリマーが浸透する隆起部分が、接合領域内の少なくとも１つの金属製又はセラミック製の構成要素に存在すると共に、形状適合接続に使用可能であるように形状が適合していることは、接続の形成に有利である。したがって、軟化したポリマー及び場合によっては溶融したポリマーは、プランジャー及びカウンターホルダーの圧縮力の作用によって、対応するキャビティを充填することができ、そして、１つ又は複数のアンダーカットを充填する、又は、開口部の外向きのマージンの周りに係合する。隆起部分は、軟化したポリマーに浸透し、固化後にそこに捕捉可能である。ここで、１つ又は複数の隆起部分は、ポリマーに押し込まれ、それは複数の繊維又は繊維層の間に浸透し、そして金属又はセラミックと繊維複合材との間に強固な相互接続を達成することができる。

【0021】

少なくとも１つの金属製又はセラミック製の構成要素の加熱が接合領域内において行われる場合、少なくとも１つのレーザービームは、計測された、又は、接合領域内の金属製の前記構成要素の空間分解能として知られている、送り方向の温度、レーザービームの焦点の送り速度、焦点領域の大きさ、その性能、及び／又は、レーザービームのパルス動作におけるパルスレート及びパルス長に応じて、調節可能な方法で動作可能であり、温度が軟化温度以上に保たれており、可能であれば、接合時にポリマーの分解温度以下である。焦点の領域の大きさに影響を与えると、より大きな送り速度を実現することができるため、焦点面が照射された金属製又はセラミック製の構成要素の表面の上方に配置されるようにレーザビームを集束させることができる。

【0022】

金属製又はセラミック製の構成要素の加熱は、異なる構成要素の材料間における熱伝導に影響を与え得るため、プランジャー及びカウンターホルダーによって作用する圧縮力の作用を用いる加熱装置のすべての選択肢において影響する。

【0023】

加熱において注意すべきでもある態様は、金属製又はセラミック製の構成要素の表面における熱伝導による、接合領域において観察される均一な温度分布の影響を受ける温度上昇を備え、当該構成要素は、ポリマー材料に接触している。実際に加熱された表面は、加熱表面上に温度勾配を有することができる。

【0024】

加熱する際には、それぞれのポリマーの特性が重要な役割を果たし、特にその粘度に関して、それは加熱によって達成され、さらにその粘性流動挙動が全く可能ではない。さらに影響を与え得る変数は、材料、特に金属製又はセラミック製の構成要素の熱伝導率及び厚さ、及び、加熱装置を用いて加熱される構成要素の幾何学的形状である。
部品の幾何学的形状のために存在する接合領域における異方性熱伝導は、接合面の後部領域の直接照射による金属製パートナーの加熱において特に重要である。したがって、制御された、空間的に敵同された熱入力が、接合領域において均一な温度場を達成するために必要である。

【0025】

ポリマーから形成された構成要素は、対向して配置される２つの側において、それぞれ金属製又はセラミック製の構成要素に接続可能である。加熱装置は、ここに存在するか、又はプランジャー及びカウンターホルダーにおいて働くことが必要である。この場合、レーザービームは、金属又はセラミックへの入射前に少なくとも２つの部分ビームに分割され、反射要素を用いて部分ビームを２つの金属製構成要素の対向する表面に向けられる。

【0026】

すでに言及したレーザービームの偏向は、旋回可能な反射素子、いわゆるスキャナー又はガルバノミラーによっても達成可能である。送り運動方向及び焦点の送り速度の両方は、１つ又はそれ以上の反射要素のピボット運動に影響され得る。

【0027】

材料連続性を有する、又は、材料連続性、及び、少なくとも１つの金属製の構成要素及び熱可塑性プラスチックポリマーから形成された構成要素に対する形状適合性を有する、接続を確立する際に、互いに接続されるべき構成要素は、カウンターホルダー及びプランジャーを有するプレス装置によって一緒にプレスされる。このような装置は、基本的に、公知のスポット溶接トングの設計と同様としてもよい。

【0028】

ポリマーの加熱は、プランジャー及び／又はカウンターホルダーに存在する少なくとも１つの加熱装置を用いて一緒にプレスされる際に少なくとも行われる。少なくとも１つの金属製又はセラミック製の構成要素の加熱は、ここで軟化温度を超えるまで行われ、接合時には、ポリマーから形成される構成要素の分解温度未満で行われる。
冷却は、加熱フェーズ（所望の温度及び接合領域における保持時間の達成）の終了後に行われ、そして、ポリマーの固化及び形状適合又は材料連続性が、熱可塑性プラスチックポリマー及び金属製又はセラミック製の材料の間に形成される。圧密温度未満に下がると、互いに押し、そして実質的に接合するプロセスは、終了する。

【0029】

電気絶縁性の、好ましくはセラミック製の保護フィルムで覆われた少なくとも１つの電気抵抗発熱体から形成される加熱装置は、一方では加熱挙動が知られていて事前に決定されている、又は、接合領域内における温度の空間的に分解された検出が加熱時に行われる、制御又は調節された方法で行われる。

【0030】

接合領域内で起こる加熱の更なる代替案は、少なくとも１つの二次元的に偏向可能なレーザービームを用いて行われ、当該レーザービームは好ましくは金属製又はセラミック製の構成要素の上に素子を通過して向けられており、当該素子は、レーザー放射に対して透明であり、そして、プランジャー及び／又はカウンターホルダーの不可欠な部分であり、レーザービーム、そのビームの形状、及び／又はそのエネルギーの偏向運動の影響は、接合領域において局所的に規定された方法で金属製構成要素の材料に接合可能であり、制御又は調節された形式で行われる。

【0031】

第３の代替案では、必要な加熱は、プランジャー及び／又はカウンターホルダーに存在すると共に金属製の構成要素の誘導加熱のために構成された、少なくとも１つのインダクターを用いて行われ、そして、局所的に規定された加熱を接合領域内において達成する、調節又は制御が行われる。

【0032】

熱可塑性プラスチック材料、又は、好ましくは予備固化（preconsolidated）された半完成繊維複合製品（いわゆる有機シート）の熱可塑性材料マトリックス、の溶融までの直接軟化（可塑化）は、熱伝導によって接触領域において起こる。軟化した（可塑化された）ポリマー材料又は溶融ポリマー材料でさえ、接合圧力を受けることによって流れ、材料連続性を有し、更に必要に応じて構造（開口、凹部）、更に必要に応じてアンダーカットジオメトリー（undercut geometry）に適合する形状を有する、接続の形成のために移動可能であり、当該アンダーカットジオメトリーは、必要に応じて予め形成され、接合領域内の金属製の構成要素に形成され、そしてそこで固化し、ポリマーは、好ましくは、金属製又はセラミック製の構成要素の表面において形成可能な結合層に材料連続性を関連付けることができる。

【0033】

したがって、達成可能なプロセスサイクル時間は、付加的な接続素子を用いることなく、わずか数秒に短縮可能であり、付加的な接続素子の接着又は接着様結合のような従来のプロセス解決策に対して実質的な利点を示す。

【0034】

大規模な産業用途で熱伝導に基づいて熱直接接合を経済的に可能にするために、以下の解決策を求めることができる。
１．単一層又は多層として構成される高性能セラミックヒーター、又は、金属接合パートナー又は誘導励起領域を誘導加熱するレーザーは、プロセスの熱源として使用可能である。
２．高性能セラミックヒーターは、少なくとも１つの電気抵抗加熱素子を備え、非常に良好な熱伝導及び接点の短絡により接合領域における均一な温度場を達成するために不均一な加熱が行われるように設計されるべきであり、導電性接合パートナーの加熱を防止することができる。
３．セラミックヒーター又はレーザー透過性要素／媒体、又は、ツール内／ツールに設置されたインダクターのコイルは、導かれた接合圧力によって所望の接合領域内において互いに押圧可能である。
４．プランジャー又はカウンターホルダーの領域は、それぞれの接合パートナーを接触し、接合される表面輪郭がマッピングされるように、すなわち対応する相補的な方法で輪郭付けされるように構成可能である。
５．装置又は装置の一部は、接合される構成要素と接触し、手動及びロボット又はリニア運動システムの両方で使用可能に実装されるように構成される。
６．２つの材料の接合領域における先行する接着改善プロセス（例えば、接着剤、三度ブラスト、レーザー加工等）は、接合の前に実施可能である。
７．接合パートナーの導かれた冷却のための素子は、装置内／装置に、一体化される、又は存在することができ、ガスの強制対流、又は作動可能な冷却プレートによる導かれた熱伝導、又はプランジャー及び装置を介した放熱に基づいて、熱可塑性プラスチックの冷却効果を引き起こす。

【0035】

本発明は、熱伝導による直接熱接合に基づいて金属を熱可塑性プラスチック又は熱可塑性プラスチック複合材料に接合するための装置である。そのような装置の一例の基本構造は、図１に示される。セラミック製の上層を有する高性能加熱装置は、代替的には、レーザ放射の使用又は少なくとも１つのインダクターを組み合わせて又は単独で、可能である。接合領域内における熱入力は、金属製又はセラミック製の構成要素において片側又は両側で達成可能である。ここで、加熱は、金属製又はセラミック製の構成要素の側部、及び、他の金属製又はセラミック製の構成要素の側部において起こり、その間に熱可塑性プラスチックから形成された構成要素が存在する。加熱は、同じ加熱装置を使用して両側において行われ、又は、加熱装置を用いて片側において行われると共に反対側に配置された側において異なる加熱装置を用いて行われ、当該異なる加熱装置は電気抵抗加熱素子（好ましくは高性能セラミックヒーター）、レーザービーム、及び／又はインダクターからそれぞれ選択される。

【0036】

少なくとも１つの電気抵抗加熱素子の高性能セラミックヒーター層と導電性構成要素表面との間における電気的短絡を防止するために、非常に良好な熱伝導性を有し、電気的絶縁特性を有し、さらに好ましくはセラミック材料で構成されたコーティングを、同様の熱膨張係数を有する電気抵抗加熱素子に塗布すべきである。このようなコーティングには、硬化性熱伝導ペースト、シリカフィルム、又は六方晶窒化ホウ素フィルムを用いることができる。

【0037】

レーザー照射による熱誘導加熱の場合、接合圧力の印加及びレーザー放射のカップリングは、プランジャー又はカウンターホルダーに配置されているレーザー透過素子／媒体によって達成可能であり、金属製構成要素の表面と接触する。ここで、接合領域内における押圧力効果及びレーザービーム作用は、レーザー透過素子／媒体によって直接指向可能であり、レーザー放射は、接合領域における金属製又はセラミック製の構成要素の表面上のそれを透過して導かれる。ここで、金属製又はセラミック製の構成要素は、直接加熱可能であり、熱可塑性ポリマー材料は、熱伝導の結果として背面に置いて加熱可能であり、熱可塑性プラスチック材料の可塑化はこのように達成される。金属製又はセラミック製の構成要素表面への加熱におけるレーザーベースの導入は、空間的に局所的に制限された加熱素子、及び必要に応じてパイロメーターの制御が統合された温度プロファイルの従来の加熱、及び高い幾何学的柔軟性に関して可能性を提供する。金属及び熱可塑性プラスチックの任意の所望の配置は、電気誘導によって、光学的アクセシビリティを必要とせずに実施される。

【発明の効果】

【0038】

本発明により、以下の利点が達成可能である。
・対応する輪郭が描かれた方法で特に幾何学的に適合する、プランジャー及びカウンターホルダーの使用によって、互いに接合又は分離される、構成要素の幾何学的制限を伴わない、装置のフレキシブルな使用。
・非常に高性能な加熱及び冷却（例えば、７０００ｋ／ｓでの高性能セラミックヒーター及び３５０ｋ／ｍｍまでの非常に高い温度勾配）による非常に短いプロセス時間、一方、例えば窒化ケイ素又は窒化アルミニウムから構成され、２００ｋ／ｓ以下の加熱速度を有する従来のセラミックヒータープレートは、より遅い挙動を示す。
・初期溶融でのみ、熱可塑性プラスチックポリマー又は熱可塑性プラスチック材料のガラス転移温度（Ｔ_０）よりも十分な軟化を必要とするため、互いに接合又は分離される材料を幅広く選択することができる。
・構成要素の、プレフィックス及び完全な接合、の両方に使用可能である。
・接合される構成要素の対応する剛性によって、単純な重なり接続を確立するために片方から近接可能であれば十分である。
・適切な表面前処理を行うと、金属製又はセラミック製の構成要素の結合を熱可塑性プラスチック複合材料の繊維構造まで実現可能であり、したがって、境界層においてのみ起こる接着力による接着結合に比較して、高い結合強度を達成可能である。
・接合領域（統合された高性能温度検出及び温度制御が可能である）内における均一な温度分布によって定められた不均一な加熱を達成する。
・セラミック製電気抵抗加熱素子は、使用目的に適合ディ他方法で、製造及び交換可能である。

【0039】

本発明は、以下の例により、より詳細に説明される

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】図１は、本発明に係る装置の一例を示す模式図である。

【図2】図２は、幾何学的に異なる電気抵抗素子を有する加熱装置の図である。

【図3】図３は、レーザービームによる加熱が達成可能な装置を示す。

【図4】図４は、接合プロセスの概要を示す。

【発明を実施するための形態】

【0041】

図１には、２つの金属製構成要素１が、繊維複合材である構成要素２と共に、互いに向かい合う２つの面内の接合領域において、互いに接続される、装置の一例が示されている。繊維複合材は、例えば、熱可塑性プラスチックマトリックスに埋め込まれたガラス繊維布を含有する。

【0042】

プランジャー３及びカウンターホルダー４は、置き換えにおいて機能するドライブを用いて互いに向かって動くことができ、装置に配置されている。構成要素１及び２は、プランジャー３とカウンターホルダー４との間に配置されることができる。装置は、この目的のために、産業用ロボット５を用いて、対応した位置決めが行われ、整列されることが可能である。

【0043】

ここで、それぞれの加熱装置６は、金属製構成要素１に接触するようにされた、プランジャー３及びカウンターホルダー４に、取り付けられ、又は一体化されることが可能である。

【0044】

押圧する力は、構成要素１及び２を共に押す、プランジャー３及びカウンターホルダー４の互いに向かう移動に、働く。加熱装置６は、構成要素１及び２との接触の前に、又は同時に、プランジャー３及びカウンターホルダー４と共に活性化され、金属製構成要素１の加熱は、接合領域内の熱可塑性プラスチックポリマーの軟化又は可塑化温度以上まで行われる。加熱は、ポリマーの溶融温度に到達又は超えるまで、行うことができる。しかしながら、劣化は起こらない。

【0045】

構成要素２のポリマーは、金属製構成要素１の熱伝導のみによって十分に加熱され、そして、ポリマーの冷却及び固化後に変形が維持された状態で塑性変形可能である。少なくとも１つの冷却素子７を装置に一体化する、又は配置すると、より速く冷却することができる。冷却媒体は、接合領域にも導入されてもよい。それは、冷却流体であってもよく、接合領域に流れとして向けられることができる。

【0046】

十分な冷却及び固化の後、プランジャー３及びカウンターホルダー４は、離されてもよい。

【0047】

プランジャー３及びカウンターホルダー４は、０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の範囲内の所定の接合圧力で互いに作用可能であると共に、接合領域内において構成要素１及び２を一緒にプレスすることができる。

【0048】

圧縮力効果及び／又は加熱装置は、力センサー及び／又は経路センサーによって影響され得る。したがって、所定の経路に到達した後に移動を終了する、プランジャー３及びカウンターホルダー４の互いに向かって移動する際に、経路制限を行うことができる。しかしながら、加熱装置６は、所定の値まで構成要素の表面に近づいたプランジャー３及びカウンターホルダー４、又は、接触した構成要素１及び２、を、特定の経路がカバーする際に、スイッチを入れられてもよい。加熱装置６のスイッチは、プランジャー３及び／又はカウンターホルダー４のカバーされた経路の認識、又は、力測定センサーを用いて決定可能な、プランジャー３とカウンターホルダー４との間に作用する所定の圧縮力の打撃（falling blow）の後に、切られてもよい。

【0049】

図２において複数の異なる例に示されているような複数の電気抵抗加熱素子を有する電気抵抗加熱は、プランジャー３及び／又はカウンターホルダー４に加熱装置６として形成可能である。加熱装置６のこの例では、複数の電気抵抗加熱素子は、異なる大きさの閉じた矩形輪郭として存在する。加えて、環形状の電気抵抗加熱素子は、様々な直径を有していてもよい。しかしながら、電気抵抗加熱素子は、楕円形状、直線状であってもよく、場合に応じて、方向の変化、蛇行、又は波打ちを伴っていてもよい。

【0050】

互いに隣接して配置された電気抵抗発熱素子は、互いに導電的に接続されることができる。電気抵抗加熱素子のそれぞれは、独立して制御可能であり、温度に応じて調節されることができる。この目的のために、温度センサー（例えば、熱素子）は、接合領域内における空間分解温度測定を可能にするように、加熱装置６に一体化される。電気抵抗加熱素子を用いて、１０００ｋ／ｓ以上の加熱速度を達成可能することができる。

【0051】

電気抵抗加熱素子は、明細書の一般的な部分で説明したように、電気的に非導電性の薄いセラミック製フィルムによって覆われている。

【0052】

プランジャー３又はカウンターホルダー４に加熱装置６が設けられていない、又は、以下に説明するように、少なくとも１つのインダクターを有する加熱装置６が設けられている場合、その表面には同様に、ポリマーの接着を回避可能な非粘着性のコーティングが設けられるべきである。

【0053】

しかしながら、加熱装置６は、少なくとも１つのインダクターによって形成されてもよく、当該インダクターは、プランジャー３及び／又はカウンターホルダー４に取付可能である。少なくとも１つのインダクターは、プランジャー３及び／又はカウンターホルダー４において一体化されてもよい。インダクターは、接合領域内において均一な温度が観測されるような、寸法及び構成である必要がある。この目的のために、複数のインダクターは、それぞれの調節で動作され、又は独立してスイッチの切り替え（on and off）を行われてもよい。このように、接合領域の内側において動作するインダクターは、接合領域の外側において動作するインダクターが熱伝導の慣性を考慮に入れる前にスイッチを切り替えることができる。

【0054】

少なくとも１つのレーザービームによってプランジャー３及び／又はカウンターホルダー４において接合領域内の温度上昇が達成される場合、接合領域におけるレーザービームは、素子８を通過して方向付けされるべきであり、素子８は、レーザー放射に対して透明であると共に、接合領域内において金属製構成要素１上のプランジャー３及び／又はカウンターホルダー４に一体化された部分である。レーザー放射に対して透明な素子８は、レーザー放射に対して低い吸収を有するガラスかた形成されてもよい。

【0055】

レーザービームの焦点は、接合領域内で一定の温度が観察可能であるように、接合領域上を移動することができる。送り移動は、個々のトラック間に対応する距離が観察可能であるようにここで行われる。焦点は、外側のマージンからある距離（at a distance）である、接合領域内で移動可能である必要がある。

【0056】

レーザービームのパルス動作もまた、利用可能である。

【0057】

焦点が移動される送り速度は、接合領域の中心において接合領域の外側周辺領域において選択されるべきであるように、その表面よりも均一に大きくすることができる。したがって、低い送り速度及び／又は大きな焦点で接合領域の外側周辺領域における加工を行うことができる。

【0058】

レーザー放射源の出力もまた、同様に調節可能である。

【0059】

初めに指定されたレーザー加工パラメーターは、それぞれ個々に調節可能であり、しかしながら、２又はそれ以上のこれらのパラメーターは、同時に調節されてもよい。調節は、金属製構成要素１の表面において接合領域内の空間分解温度測定によって行うことができる。外側周辺領域では、パルス状に動作するレーザービームの有用なパルス長を用いて、接合領域の中心において、加工を行ってもよい。

【0060】

レーザービームの焦点は、０．０２ｍ／ｓ以上３０ｍ／ｓ以下の範囲の送り速度で移動可能であると共に、１００Ｗ以上５０００Ｗ以下の範囲の出力、１ｍｓ以上連続放射以下の範囲のパルス長、及び０以上１０ｍｓ以下の範囲のパルス間隔で動作可能である。レーザービームは、１ｍｍ^２以上２００ｍｍ^２以下の範囲の焦点面及び５＊１０^２Ｗ／ｃｍ^２以上５＊１０^６Ｗ／ｃｍ^２の範囲の強度を達成するように、金属製構成要素１の表面上に集束される。

【0061】

複数のレーザー光源からの複数のレーザービームが接合領域内の構成要素１の表面上に向けられる場合、個々のレーザービームは全て、調節又は制御された方法で対応して動作可能である。この場合、対応するスイッチの切り替えによって、又は、個々のレーザービーム源の出力の変化に伴う動作によって、送り速度に影響を及ぼさず、さらにこれを補償することができ、加熱は、接合領域内で差別化されて局所的に変化する方法で行われる。

【0062】

加熱のための３つの可能な全ての選択肢において、構成要素１及び２の同時に行われる加圧は、０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の範囲の最大接合圧力で行うことが可能であり、それぞれの最大圧縮力は、使用される熱可塑性プラスチックポリマーの軟化温度又は転移温度Ｔ_Ｇ、及び／又は、その流れ挙動、に依存する。

【0063】

図４には、方法の実行における可能な流れが概略的に示されている。プランジャー３及びカウンターホルダー４は、ここでは、第１のステップにおいて互いに向かって移動される。

【0064】

そして、加熱装置６は、少なくとも１つの構成要素１及び／又は２を加熱するために作動される。最後に、プランジャー３及び／又はカウンターホルダー４を構成要素１及び／又は２のうちの１つに接触させると、温度Ｔ及び／又は圧縮力ｐは、構成要素１及び／２において検出可能である。恩とＴ及び／又は圧縮力ｐについて少なくとも１つの所定の閾値の到達が検出されると、加熱装置６は、スイッチが切られ、ポリマーが固化する温度まで冷却が行われる。この温度を認識した後、プランジャー３及びカウンターホルダー４は互いに離され、接合されたワーク部品又は個々の独立した部分を除去することができる。

【0065】

分離の際、個々の部品は、プランジャー３及びカウンターホルダー４に存在する、クランプ素子又は固定素子から解放されることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】