DE102014017810B4

DE102014017810B4 - Verfahren zum automatisierten, vorlochfreien Fügen von Faserverbundbauteilen mit einseitiger Zugänglichkeit

Info

Publication number: DE102014017810B4
Application number: DE102014017810.2A
Authority: DE
Inventors: Kevin Rothe
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: DE102014017810A1

Abstract

Verfahren zum Aneinanderfügen von mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen (20), bei dem an wenigstens einem der zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) eine Harzansammlung (16) im Bereich einer Fügestelle (18) an einer Austrittsseite (23) einer Bohrung (22) ausgebildet wird und anschließend die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) mit einem Blindniet mit Bohrspitze (15), der dazu ausgebildet ist, während eines Fügeverfahrens eine Bohrung (22) in die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) einzubringen, verbunden werden, wobei der Blindniet mit Bohrspitze (15) die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) verbindet und in der Bohrung (22) verbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aneinanderfügen faserverstärkter Bauteile.
Die Eigenschaften faserverstärkter Bauteile werden maßgeblich von der Orientierung der Fasern und dem Zusammenwirken des Faser-Matrix-Verbunds beeinflusst. Um den Faser-Matrix-Verbund nicht zu beschädigen, werden faserverstärkte Bauteile hauptsächlich durch Klebeverbindungen aneinander gefügt. In bestimmten Situationen kann aber eine Belastung auf das Bauteil wirken, die in der Klebeverbindung zu einer für die Klebeverbindung schädlichen Schälbeanspruchung führt.
Das Aneinanderfügen von faserverstärkten Bauteilen wird daher oftmals durch eine Klebeverbindung mit integrierten zusätzlichen mechanischen Verbindern, wie Nieten und Schrauben, realisiert. Die zusätzlichen mechanischen Verbinder haben dabei die Aufgabe, die Fügeteile bis zur vollständigen Aushärtung des Klebstoffs zu fixieren. Weiterhin können sie in vorgegebenen Lastfällen Energie aufnehmen und die Klebeverbindung entlasten. Dadurch wird eine schädliche Schälbeanspruchung der Klebeverbindung verhindert.
Als mechanische Verbinder kommen hauptsächlich Blindniete zum Einsatz. Blindniete zeichnen sich durch ihre einfache Handhabung aus, haben aber den Nachteil, dass sie ein Nietloch, in das sie hineingesetzt werden, benötigen. Die notwendigen Nietlöcher werden meist in einem separaten Verfahrensschritt in die zu fügenden Bauteile eingefügt.
Zusätzlich ist bei den zu verbindenden Bauteilen eine Toleranz zu beachten. Die Toleranz führt zu unterschiedlich großen Nietlöchern, in die die Blindniete eingesetzt werden, da die Bohrung an einem Nietkopf-seitigen Ende meist größer ausgestaltet ist. Das führt zu einer Herabsetzung der Kraftübertragung der Nietverbindung, da ausschließlich die Klemmkraft der Nietverbindung berücksichtigt werden kann.
Hinsichtlich faserverstärkter Bauteile muss dabei noch beachtet werden, dass beim Setzen der Nietlöcher die Fasern unterbrochen werden und der Faser-Matrix-Verbund an den Rändern der Nietlöcher beschädigt wird, insbesondere kommt es zu Delaminationen der Fasern von der Matrix im Randbereich der Bohrung:
Die Druckschrift DE 20 2014 100 399 U1 offenbart ein Verbundbauteil, das in einem Bereich, nämlich an der vorgegebenen Fügestelle, im Wesentlichen frei von Fasern ist. Des Weiteren wird ein Verbundbauteilsystem beschrieben, das ein Aluminiumteil einschließt, das so positioniert ist, um mit einem faserverstärkten Verbundbauteil durch einen selbstdurchbohrenden Niet verbunden zu werden.
Die Druckschrift DE 10 2012 104 982 A1 offenbart ein Verfahren zum mechanischen Fügen von mindestens einem unteren und einem oberen Formteil mittels eines Hilfsfügeteils, wobei in dem oder unter dem unteren Formteil in einem Fügebereich ein Schließblech angebracht ist, in dem mit dem Hilfsfügeteil eine Verbindung erzeugt wird.
Die Druckschrift US 2013/0273314 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen mit einem Stanzniet. Der Stanzniet durchstößt dabei ein erstes Bauteil und teilweise ein zweites Bauteil. Das zweite Bauteil weist eine faserverstärkte Schicht und eine sich an die faserverstärkte Schicht anschließende Harzmatrixschicht auf. Während des Nietens mit dem Stanzniet verschieben sich die Fasern der faserverstärkten Schicht. Die Harzmatrixschicht verhindert dabei, dass die Fasern der faserverstärkten Schicht aus dem Bauteil gedrückt werden. Dazu muss das zweite Bauteil auf der Seite der Harzmatrixschicht zugänglich sein.
Die Druckschrift DE 42 24 337 A1 offenbart einen Blindniet, der eine Bohrspitze aufweist, und ein entsprechendes Nietwerkzeug, das in einem Arbeitsgang eine Durchgangsbohrung herstellt und einen Nietdorn zieht, um den Schließkopf herzustellen.
Die Druckschrift DE 10 2004 006 407 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Setzen eines Blindniets, die eine Bohr-/Senkanordnung zur Herstellung einer Aufnahmebohrung für den Blindniet und eine Nietsetzanordnung zum Einsetzen des Blindniets in die Bohrung aufweist.
Aus der US 2013/0273312 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Teilen mit einer „Flow Drill“-Schraube oder mit einer Clinchverbindung bekannt. Ein erstes Teil, das aus Metall oder einem Verbundmaterial gebildet ist, wird mit einem zweiten Teil verbunden, das eine fasergefüllte Schicht und eine Harzmatrixschicht enthält. Die Harzmatrixschicht verhindert, dass Fasern aus der fasergefüllten Schicht durch die Rückseite der zweiten Platte gepresst werden.
Demgegenüber wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Weitere Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Aneinanderfügen von mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen, wobei die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile mit einem Blindniet mit Bohrspitze verbunden werden, wobei der Blindniet mit Bohrspitze die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile verbindet und in der Bohrung verbleibt, und wobei im Vorfeld an wenigstens einem der zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile eine Harzansammlung im Bereich einer Fügestelle an einer Austrittsseite der Bohrung ausgebildet wird.
Da das Einbringen der Bohrung in das Bauteil und das Setzen des Fügeelements in einem Schritt erfolgt, wird ein Verfahrensschritt gegenüber einer herkömmlichen Verfahrensweise eingespart. Das verringert die Verfahrenszeit und die Verfahrenskosten. Dadurch kann auch auf eine Toleranz der Bohrung verzichtet werden, wodurch die mechanische Verbindung einer höheren Belastung ausgesetzt werden kann, da nun im Gegensatz zu einer reinen Klemmkraft auch eine Auslegung der Verbindung auf Lochleibung berücksichtigt werden kann.
An der Fügestelle ist erfindungsgemäß im Vorfeld, d.h. vor dem Einbringen der Bohrung und, damit verbunden, des Blindniets mit Bohrspitze in die Bohrung, eine Harzansammlung ausgebildet, die Delaminationen, sowie ein Ausreißen und Ausbrechen der Fasern aus dem Faser-Matrix-Verbund am Rand der Bohrung verhindert. Da die Bohrung über die an einem äußeren Rand liegenden Fasern hinaus in die Harzansammlung gebohrt wird, werden die am Rand liegenden Fasern durch die Harzansammlung im Faser-Matrix-Verbund gestützt und fixiert. Dadurch wird eine Abstützung durch eine Vorrichtungstechnik auf der Austrittsseite überflüssig. Besonders bei nur einem einseitigen Zugang zu der Fügestelle des Bauteils, wird durch die Harzansammlung auf der nicht-zugänglichen Seite, in dem Fall der Austrittsseite, eine Beschädigung des Faser-Matrix-Verbunds verhindert.
Die Harzansammlung ist in einer Ausführungsform an einem unteren und/oder oberen Bauteil ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren fixiert die zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile während des Fügeverfahrens mit einer Niederhalterkraft, damit sich die Bauteile während des Fügeverfahrens nicht gegeneinander verschieben. Die Niederhalterkraft wird in möglicher Ausgestaltung von einem Niederhalter erzeugt. Die Fixierung der Bauteile ermöglicht es, die Bohrung in einem Verfahrensschritt in die mindestens zwei zu verbindenden Bauteile einzubringen. Dadurch kann auf eine Toleranz der Bohrung für jedes der zu verbindenden Bauteile verzichtet werden.
Bei dem Verfahren werden in möglicher Ausgestaltung während des Fügeverfahrens die entstehenden Bohrspäne mit einer Absaugvorrichtung abgesaugt. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Niederhalter, der als Absaugvorrichtung ausgebildet sein kann, verwendet. Eine kontinuierliche Absaugung der Späne hinterlässt keine Faserrückstände, die schädlich für Korrosion, bzw. für elektrische Anlagen und Menschen sind. Ausbrüche auf der Austrittsseite der Bohrung bestehen nur aus Matrixmaterial, das unbedenklich für Korrosion, elektrische Anlagen und Menschen ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Absaugvorrichtung verwendet, die als Absaugglocke ausgebildet ist. Dadurch entsteht ein geschlossenes System über der Bohrung, was zusätzlich dazu beiträgt, keine Faserrückstände durch die Bohrung zu hinterlassen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Fügeelement ein Blindniet mit Bohrspitze verwendet. Der Blindniet mit Bohrspitze wird in eine rotatorische Bewegung versetzt und bohrt dadurch eine Bohrung in die zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile. Dadurch wird ein Verfahrensschritt in der Einzelteilfertigung eingespart und eine Toleranz der Bohrung muss nicht berücksichtigt werden.
Unmittelbar nach Durchstoßen des unteren Fügeteils wird bei dem Verfahren die Rotation gestoppt und das Fügeelement in der Bohrung vorangeschoben und fixiert.
Das Verfahren ist ausführbar mit der nachstehend beschriebenen Vorrichtung.
Die Vorrichtung ist dazu konfiguriert, mit einem Blindniet mit Bohrspitze eine Bohrung in mindestens zwei faserverstärkte Bauteile einzubringen, wobei der Blindniet mit Bohrspitze die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile verbindet und in der Bohrung verbleibt, und wobei an wenigstens einem der zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile eine Harzansammlung im Bereich einer Fügestelle an einer Austrittsseite der Bohrung ausgebildet ist.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Harzansammlung an einer Fügestelle eines unteren zu fügenden Bauteils ausgebildet. Die Harzansammlung kann aber auch an einer Fügestelle eines oberen zu fügenden Bauteils ausgebildet sein. Durch eine Harzansammlung an bzw. über der Fügestelle eines jeweiligen Bauteils wird ein direktes Bohren in den Faser-Matrix-Verbund verhindert, so dass Delaminationen im Randbereich der Bohrung vermindert werden.
Die Vorrichtung ist in einer weiteren Ausgestaltung dazu konfiguriert, eine Niederhalterkraft auf die zu fügenden mindestens zwei Bauteile auszuüben. Dadurch werden die zu fügenden mindestens zwei Bauteile fixiert. Da nun ein Verrutschen der zu fügenden mindestens zwei Bauteile verhindert ist, kann in einem Verfahrensschritt eine Bohrung in die zu fügenden mindestens zwei Bauteile eingebracht werden. In der Einzelteilfertigung der Bauteile kann daher ein Verfahrensschritt eingespart werden und auf eine Toleranz der Bohrung verzichtet werden.
Die Vorrichtung weist in einer weiteren Ausführungsform eine Absaugvorrichtung auf. Die Absaugvorrichtung saugt während des Fügeverfahrens entstehende Bohrspäne ab. Dadurch werden Faserrückstände verhindert. Auf der Austrittsseite der Bohrung möglicherweise ausbrechende Bohrspäne sind aus Matrixmaterial, das hinsichtlich Korrosion, bzw. elektrischer Anlagen und Menschen unbedenklich ist.
In einer Form der Ausgestaltung ist die Absaugvorrichtung als eine Absaugglocke ausgestaltet. Dadurch entsteht über der Bohrung ein geschlossenes System, was zusätzlich beiträgt, Faserrückstände zu minimieren.
Die Vorrichtung verwendet als Fügeelement einen Blindniet mit Bohrspitze. Der Blindniet mit Bohrspitze wird von der Vorrichtung in eine rotatorische Bewegung versetzt und bringt dadurch eine Bohrung in die zu verbindenden mindestens zwei Bauteile ein. Unmittelbar nach Durchstoßen des unteren oder oberen Bauteils, stoppt die Vorrichtung die rotatorische Bewegung.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.

1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt eine Schnittansicht durch eine Fügestelle, wie sie nach Ausführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Ausführungsform der Vorrichtung der 1 ausgebildet ist.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Fügestelle aus 2.

In 1 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 zum Ausführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Niederhalter 12. In der dargestellten Ausführungsform ist der Niederhalter 12 als Absaugglocke ausgeführt. In der Vorrichtung 10 wird ein Blindniet mit einem Nietkopf 30 als Fügeelement 14 an einem Nietdorn 34 mit Bohrspitze 15 gehalten, der in einem Fügeverfahren in zu verbindende mindestens zwei faserverstärkte Bauteile 20 eingebracht ist. Der Blindniet 14 ist von der Vorrichtung 10 in eine rotatorische Bewegung 24 versetzt und bringt dadurch eine Bohrung 22 entlang einer Kraftrichtung 26 in die zu verbindenden Bauteile 20 ein. Nach Einbringen der Bohrung 22 verbleibt der Blindniet 14 in der Bohrung 22 und verbindet die zu verbindenden mindestens zwei Bauteile 20.
Im Bereich einer Fügestelle 18 ist eine Harzansammlung 16 an einem der zu verbindenden Bauteile 20, hier dem unteren Bauteil ausgebildet. Die Harzansammlung 16 ist dabei erfindungsgemäß an einer Austrittsstelle 23 der Bohrung 22, hier an dem unteren Bauteil ausgebildet. Die Bohrung 22 geht durch die Harzansammlung 16 bis auf die Austrittsseite 23 hindurch. Nach Durchstoßen der zu verbindenden Bauteile 20 auf der Austrittsseite 23, wird die rotatorische Bewegung 24 von der Vorrichtung 10 gestoppt.
Während des Fügeverfahrens werden die zu verbindenden mindestens zwei Bauteile 20 von der Vorrichtung 10 aufeinander fixiert. Dabei übt ein Niederhalter 12 eine Niederhalterkraft 27 in die Kraftrichtung 26 auf die mindestens zwei Bauteile 20 aus.
Bei dem Einbringen des Fügeelements 14 in die zu verbindenden mindestens zwei Bauteile 20 entstehen Bohrspäne, die mit einer Absaugvorrichtung 28 abgesaugt werden. Die Absaugvorrichtung 28 kann dabei als Absaugglocke als Teil des Niederhalters 12 ausgebildet sein.
In 2 ist die Stellung des Fügeelements 14 nach Ausführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Fügeelement 14, hier ein Blindniet, ist mit dem Nietkopf 30 bis an eines der Bauteile 20, hier ein oberes Bauteil 20, vorangeschoben. An einer Austrittsstelle 23 der Bohrung 22 ist, wie bei Blindnieten üblich, eine Falte 32 in der Niethülse ausgebildet. Durch die Klemmkraft des Blindniets 14 werden die zu verbindenden Bauteile 20 miteinander verbunden. Da die Bohrung 22 durch beide zu verbindenden Bauteile 20 gebohrt wurde, lässt die Verbindung eine Auslegung auf Lochleibung zu. Der Blindniet als Fügeelement 14 ist in der Bohrung 22 verblieben.
Weiter in 2 ist noch ein Teil des Nietdorns 34 mit der Bohrspitze 15 dargestellt. Der andere Teil des Nietdorns 34 ist während des Verfahrens abgebrochen. Der verbliebene Teil des Nietdorns 34 kann in Bohrrichtung, hier im Bild nach unten, entfernt werden.
In 3 ist der Bereich der Austrittsseite 23 der Bohrung 22 dargestellt. Der Blindniet 14 schließt mit der Falte 32 direkt an der Harzansammlung 16 ab, und wirkt nicht direkt auf den Rand des Faser-Matrix-Verbunds der Bauteile 20.

Claims

Verfahren zum Aneinanderfügen von mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen (20), bei dem an wenigstens einem der zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) eine Harzansammlung (16) im Bereich einer Fügestelle (18) an einer Austrittsseite (23) einer Bohrung (22) ausgebildet wird und anschließend die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) mit einem Blindniet mit Bohrspitze (15), der dazu ausgebildet ist, während eines Fügeverfahrens eine Bohrung (22) in die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) einzubringen, verbunden werden, wobei der Blindniet mit Bohrspitze (15) die mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) verbindet und in der Bohrung (22) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Harzansammlung (16) an einer Fügestelle eines unteren und/oder eines oberen Bauteils (20) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) mit einer Niederhalterkraft (27) während des Fügeverfahrens fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein die Niederhalterkraft (27) erzeugender Niederhalter (12) verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei dem Fügeverfahren entstehende Bohrspäne mit einer Absaugvorrichtung (28) abgesaugt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei als Niederhalter (12) ein Niederhalter, der die Absaugvorrichtung (28) aufweist, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei eine als Absaugglocke ausgeführte Absaugvorrichtung (28) verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Blindniet mit Bohrspitze (15) in eine rotatorische Bewegung (24) versetzt wird, und dadurch eine Bohrung (22) in die zu verbindenden mindestens zwei faserverstärkten Bauteile (20) gebohrt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die rotatorische Bewegung (24) unmittelbar nach Durchstoßen des unteren Bauteils (20) gestoppt wird, und der Blindniet mit Bohrspitze (15) in der Bohrung (22) vorangeschoben und fixiert wird.