[go: up one dir, main page]

DE102011078144A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil Download PDF

Info

Publication number
DE102011078144A1
DE102011078144A1 DE102011078144A DE102011078144A DE102011078144A1 DE 102011078144 A1 DE102011078144 A1 DE 102011078144A1 DE 102011078144 A DE102011078144 A DE 102011078144A DE 102011078144 A DE102011078144 A DE 102011078144A DE 102011078144 A1 DE102011078144 A1 DE 102011078144A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
joining
plastic material
joining zone
parts
friction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102011078144A
Other languages
English (en)
Inventor
Robert Alexander Goehlich
Malte SANDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Operations GmbH
Original Assignee
Airbus Operations GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Operations GmbH filed Critical Airbus Operations GmbH
Priority to DE102011078144A priority Critical patent/DE102011078144A1/de
Priority to EP12173577.3A priority patent/EP2540476B1/de
Priority to US13/534,110 priority patent/US9333703B2/en
Publication of DE102011078144A1 publication Critical patent/DE102011078144A1/de
Priority to US15/094,338 priority patent/US9561617B2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/06—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using friction, e.g. spin welding
    • B29C65/0681—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using friction, e.g. spin welding created by a tool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/128—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding making use of additional material
    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/48—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using adhesives, i.e. using supplementary joining material; solvent bonding
    • B29C65/4805—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using adhesives, i.e. using supplementary joining material; solvent bonding characterised by the type of adhesives
    • B29C65/481—Non-reactive adhesives, e.g. physically hardening adhesives
    • B29C65/4815—Hot melt adhesives, e.g. thermoplastic adhesives
    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/48—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using adhesives, i.e. using supplementary joining material; solvent bonding
    • B29C65/4865—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using adhesives, i.e. using supplementary joining material; solvent bonding containing additives
    • B29C65/487—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using adhesives, i.e. using supplementary joining material; solvent bonding containing additives characterised by their shape, e.g. being fibres or being spherical
    • B29C65/488—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using adhesives, i.e. using supplementary joining material; solvent bonding containing additives characterised by their shape, e.g. being fibres or being spherical being longitudinal, e.g. fibres
    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/72—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by combined operations or combined techniques, e.g. welding and stitching
    • 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
    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/02—Preparation of the material, in the area to be joined, prior to joining or welding
    • B29C66/024—Thermal pre-treatments
    • B29C66/0242—Heating, or preheating, e.g. drying
    • 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
    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/05—Particular design of joint configurations
    • B29C66/10—Particular design of joint configurations particular design of the joint cross-sections
    • B29C66/11—Joint cross-sections comprising a single joint-segment, i.e. one of the parts to be joined comprising a single joint-segment in the joint cross-section
    • B29C66/114—Single butt joints
    • B29C66/1142—Single butt to butt joints
    • 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
    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/05—Particular design of joint configurations
    • B29C66/303—Particular design of joint configurations the joint involving an anchoring effect
    • B29C66/3034—Particular design of joint configurations the joint involving an anchoring effect making use of additional elements, e.g. meshes
    • B29C66/30341—Particular design of joint configurations the joint involving an anchoring effect making use of additional elements, e.g. meshes non-integral with the parts to be joined, e.g. making use of extra elements
    • 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
    • B29C66/40—General aspects of joining substantially flat articles, e.g. plates, sheets or web-like materials; Making flat seams in tubular or hollow articles; Joining single elements to substantially flat surfaces
    • B29C66/41—Joining substantially flat articles ; Making flat seams in tubular or hollow articles
    • B29C66/43—Joining a relatively small portion of the surface of said articles
    • 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
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721—Fibre-reinforced materials
    • 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
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721—Fibre-reinforced materials
    • B29C66/7214—Fibre-reinforced materials characterised by the length of the fibres
    • B29C66/72143—Fibres of discontinuous lengths
    • 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
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/73—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/739—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/7392—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoplastic
    • B29C66/73921—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoplastic characterised by the materials of both parts being thermoplastics
    • 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
    • B29C66/83—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof characterised by the movement of the joining or pressing tools
    • B29C66/836—Moving relative to and tangentially to the parts to be joined, e.g. transversely to the displacement of the parts to be joined, e.g. using a X-Y table
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/06—Tubes
    • B23K2101/08—Tubes finned or ribbed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • 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
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/022—Particular heating or welding methods not otherwise provided for
    • B29C65/028—Particular heating or welding methods not otherwise provided for making use of inherent heat, i.e. the heat for the joining comes from the moulding process of one of the parts to be joined
    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/06—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using friction, e.g. spin welding
    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/06—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using friction, e.g. spin welding
    • B29C65/0672—Spin welding
    • 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
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/08—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using ultrasonic vibrations
    • B29C65/083—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using ultrasonic vibrations using a rotary sonotrode or a rotary anvil
    • B29C65/086—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using ultrasonic vibrations using a rotary sonotrode or a rotary anvil using a rotary anvil
    • 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
    • B29C66/01—General aspects dealing with the joint area or with the area to be joined
    • B29C66/03—After-treatments in the joint area
    • B29C66/038—Covering the joint by a coating material
    • B29C66/0382—Covering the joint by a coating material the coating material being in liquid or paste form
    • 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
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721—Fibre-reinforced materials
    • B29C66/7212—Fibre-reinforced materials characterised by the composition of the fibres
    • 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
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721—Fibre-reinforced materials
    • B29C66/7214—Fibre-reinforced materials characterised by the length of the fibres
    • B29C66/72141—Fibres of continuous length
    • 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
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/73—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/739—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/7394—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoset
    • 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
    • B29C66/90—Measuring or controlling the joining process
    • B29C66/92—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the pressure, the force, the mechanical power or the displacement of the joining tools
    • B29C66/924—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the pressure, the force, the mechanical power or the displacement of the joining tools by controlling or regulating the pressure, the force, the mechanical power or the displacement of the joining tools
    • B29C66/9261—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the pressure, the force, the mechanical power or the displacement of the joining tools by controlling or regulating the pressure, the force, the mechanical power or the displacement of the joining tools by controlling or regulating the displacement of the joining tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/08—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts of continuous length, e.g. cords, rovings, mats, fabrics, strands or yarns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/25—Solid
    • B29K2105/253—Preform
    • B29K2105/256—Sheets, plates, blanks or films
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/30—Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3076—Aircrafts
    • B29L2031/3082—Fuselages
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Fügeteilen, wobei beim Rührreibschweißen im Stumpfstoß in die Fügezone faserhaltiges Kunststoffmaterial eingemischt wird, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie ein derartig gefügtes Bauteil.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Fügeteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauteil.
  • Zivile Flugzeuge werden herkömmlicherweise in Metallbauweise hergestellt. In jüngster Zeit werden jedoch vermehrt Flugzeugteile bzw. Fügeteile wie Rumpfschalen, Umfangsversteifungen, Längsversteifungen, Querträger, Flügel- und Leitwerkschalen und dergleichen aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Diese weisen beispielsweise Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder Glasfasern auf, die in einer Vielzahl von Schichten angeordnet und in eine Epoxidharzmatrix eingebettet sind. Epoxidharze sind jedoch Duroplaste und somit nach einer Aushärtung nicht schmelzbar, so dass die kunststoffbasierten Fügeteile mittels den aus der Metallbauweise bekannten Fügeverfahren wie Nieten oder Kleben gefügt werden. Nietverfahren stellen jedoch aufgrund der Vielzahl von Nietbohrungen eine Schwächung der Struktur dar, die durch Faserausrisse, Delaminationen und dergleichen verstärkt werden können. Zudem sind die Nietverfahren aufgrund der Vielzahl von manuellen Einzelschritten wie Ausrichten der Fügeteile zueinander, Einbringen der Nietbohrungen, Reinigen der Nietbohrungen, Heften und Setzen der Nieten sehr zeitintensiv. Zudem ist beim Nieten eine Lochleibung zu beachten. Des Weiteren werden beim Nieten quasiisotropische Eigenschaften der Fügeteile nicht ausgenutzt, sondern bereichsweise zerstört. Klebeverfahren hingegen erfordern ein sehr hohes Maß an Sauberkeit bzw. aufwendige Reinigungsmaßnahmen zur Vorbereitung von Klebeflächen. Zudem erfordern die Klebemittel eine gewisse Aushärtezeit, wodurch auch die Klebeverfahren zeitintensiv sind. Ferner sind bei Klebeverfahren strenge Auflagen zur Vermeidung von gesundheitlichen Gefährdungen des Personals einzuhalten. Des Weiteren ist keine zerstörungsfreie Prüfung der Klebung möglich. Ferner erfordern die Nietverfahren und bekannte Klebeverfahren eine Materialüberlappung, wodurch das zu fertigende Bauteil zum einen nicht gewichtsoptimiert ist und zum anderen ein stufenartiger Belastungsfluss entsteht.
  • Alternativ zur Duroplastmatrix können die Fasern in einer Thermoplastmatrix eingebettet sein. Thermoplaste erstarren lediglich und können somit beim Überschreiten einer bestimmten Schmelztemperatur plastifiziert bzw. geschmolzen werden. Aufgrund der umfangreichen Erfahrungen im Bereich der Niet- und Klebeverfahren werden jedoch im Flugzeugbau auch derartige Fügeteile regelmäßig vernietet oder verklebt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Fügeteilen zu schaffen, das die vorstehenden Nachteile beseitigt und kurze Taktzeiten ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie ein gefügtes Bauteil mit einem optimierten Gewicht und einer hohen Fügenahtfestigkeit zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Fügeteilen werden die Fügeteile im Stumpfstoß zur Definierung eines Verlaufs einer Fügenaht positioniert und miteinander rührreibverschweißt, wobei in eine Fügezone faserhaltiges Kunststoffmaterial eingemischt wird.
  • Das Rührreibschweißen ermöglicht die Realisierung von kurzen Taktzeiten, da zum einen nach einer Ausrichtung der Fügeteile zueinander aufwendige vorbereitende oder nachbereitende Maßnahmen wie Bohren und Reinigen entfallen. Dabei lässt sich das Rührreibschweißen bequem automatisieren, wodurch neben kurzen Taktzeiten eine wiederholbare hohe Fügenahtqualität und Prozessqualität sichergestellt ist. Ferner erfolgt beim Rührreibschweißen durch den Wegfall von Nietbohrungen keine Strukturschwächung wie beim Nieten. Zudem entfällt eine aufwendige Reinigung von Fügeflächen. Durch den Stumpfstoß wird keine Überlappung der Fügeteile geschaffen, wodurch sich ein stufenfreier Belastungsfluss über die Fügenaht zwischen den Fügeteilen einstellen kann. Ferner ist kein aufwendiger Toleranzausgleich der Fügeteile mit Distanzstücken, Shimm und dgl. notwendig. Somit werden ebenfalls keine Spannungen durch Verformungen oder Verwindungen der Fügeteile in die Fügenaht eingeleitet. Das zugeführte faserhaltige Kunststoffmaterial bewirkt eine Aufdickung der Fügezone, wodurch die Fügeteile über einen größeren Nahtquerschnitt miteinander verbunden sind und somit die Nahtfestigkeit gesteigert wird, wobei durch die Fasern eine Versprödung der Fügenaht verhindert wird, so dass die Fügenaht und somit das gefügte Bauteil im Prinzip die gleiche Festigkeit wie die Fügeteile an sich aufweisen.
  • Die Einbringung des Kunststoffmaterials ist vorrichtungstechnisch einfach, wenn dieses oberflächig der Fügezone zugeführt wird.
  • Um eine verlässliche Verteilung des Kunststoffmaterials über den gesamten Fügezonenquerschnitt zu erreichen, kann das Kunststoffmaterial durch eine Reibschulter in die Fügezone eingerieben werden. Hierzu kann die Reibschulter eine Hubbewegung ausführen, wobei bei Beabstandung der Reibschulter von der Fügezone, d.h. bei einem Spalt zwischen der Reibschulter und der Fügezone, das Kunststoffmaterial zugeführt wird.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das Kunststoffmaterial stirnseitig im Bereich eines rotierenden und zwischen dem Fügeteil eintauchenden Rührstiftes der Fügezone zugeführt, wodurch das Kunststoffmaterial gezielt mittig in die Fügezone eingebracht werden kann.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird zur Vermeidung einer uneinheitlichen Verteilung des Kunststoffmaterials über den Fügezonenquerschnitt dieses zwischen den Fügeteilen eingespritzt.
  • Aufgrund der geringen Wärmeleitzahl von Kunststoffen und einer Selbstschmierung bei erhöhten Temperaturen stellt sich beim Rührreibschweißen eine geringe Maximaltemperatur zwischen den Fügeteilen und der Reibschulter ein. Zur sicheren vollständigen Durchwärmung der Fügezone kann die Fügezone auf eine Temperatur zumindest nahe einer Schmelztemperatur der Fügeteile vorgewärmt werden.
  • Zudem kann das Kunststoffmaterial über seine Schmelztemperatur erwärmt werden, wodurch der Fügezone zusätzlich Wärme zugeführt werden kann. Insbesondere dann, wenn das Kunststoffmaterial zwischen den Fügeteilen eingespritzt wird, kann über das Kunststoffmaterial Wärme mittig entfernt von der Oberfläche in die Fügezone eingeleitet werden. Eventuell kann dann ein Anpressdruck der Reibschulter reduziert werden.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens hat ein Schweißwerkzeug, das eine rotierende Reibschulter zur Erwärmung von Fügeteilen in einer Fügezone, einen rotierenden Rührstift zum Verrühren von plastifizierten Material, und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von faserhaltigen Kunststoffmaterial aufweist.
  • Zur Zuführung des Kunststoffmaterials im Bereich des Rührstiftes kann die Zuführeinrichtung einen in das Schweißwerkzeug integrierten Innenkanal aufweisen, der stirnseitig aus der Reibschulter austritt.
  • Zur Zuführung des Kunststoffmaterials unmittelbar zwischen die Fügeteile kann der Innenkanal radial aus dem Rührstift austreten.
  • Zum Vorwärmen der Fügezone kann die Vorrichtung eine Wärmequelle wie eine Wärmelampe aufweisen.
  • Ein erfindungsgemäßes Bauteil ist nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und zeichnet sich somit durch eine Fügenaht mit einer hohen Festigkeit und Qualität, eine hohe Strukturstabilität, einen belastungs- und gewichtsoptimierten Leichtbau und einen über den Nahtbereich stufenfreien Belastungsfluss aus.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden von zwei Fügeteilen,
  • 2 eine Hubbewegung einer in 1 gezeigten Reibschulter,
  • 3 eine erfindungsgemäße Fügenaht, und
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden von zwei Fügeteilen.
  • 1 zeigt eine erste Vorrichtung 1 und ein erstes Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von zwei Fügeteilen 2, 4 zu einem Bauteil.
  • Die Fügeteile 2, 4 sind im Stumpfstoß positioniert und bilden mit ihren gegenüberliegenden und sich berührenden Köperabschnitten 6, 8 eine Fügezone 10. Beispielsweise bilden die Fügeteile 2, 4 miteinander zu fügende Hautfelder für Flugzeugrümpfe. Die Fügeteile 2, 4 sind faserverstärkte Laminate, die eine Vielzahl von schichtweise angeordneten Fasergebilden wie Fasergelegen, Fasergeweben, Prepregs und dgl. aufweisen, die in einer Thermoplastmatrix eingebettet sind. Die Fasern der Fasergebilde sind als Langfasern ausgebildete Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und dergleichen.
  • Die Vorrichtung 1 hat ein Rührreibwerkzeug 12 mit einer Reibschulter 14 und mit einem Rührstift 16. Die Reibschulter 14 und der Rührstift 16 sind um eine Werkzeughochachse z gleichgerichtet rotierbar. Allerdings können deren Drehgeschwindigkeiten variieren und somit ein Drehzahlunterschied zwischen der Reibschulter 14 und dem Rührstift 16 bestehen. Die Reibschulter 14 und der Rührstift 16 haben eine glatte Stirnfläche bzw. Umfangsfläche, jedoch können diese auch rau mit Erhebungen bzw. Vertiefungen versehen sein. Beispielsweise ist der Rührstift 16 zur verbesserten Rührwirkung bzw. Verrührung der plastifizierten Körperabschnitte 6, 8 gewindeartig ausgebildet. Zudem ist das Reibwerkzeug 12 und insbesondere die Reibschulter 14 entlang der Werkzeughochachse z verfahrbar, so dass die Reibschulter 14 von der Fügezone 10 beabstandbar ist und eine in 2 skizzierte Hubbwegung beim Verfahren in Längsrichtung x der Fügezone 10 ausführen kann. Der Rührstift 16 hat eine Länge, die einer Dicke bzw. Erstreckung der Körperabschnitte 6, 8 entlang der Werkzeughochachse z entspricht.
  • Zur Stützung der Fügeteile 2, 4 an ihrer von der Reibschulter 14 abgewandten Seite ist das Reibwerkzeug 12 bei diesem Ausführungsbeispiel als ein sogenanntes Bobbin-Tool mit einem rotierenden Gegenhalter 18 ausgebildet, der einen tellerartigen Kopfabschnitt des Rührstiftes 16 bildet. Alternativ können die Fügeteile 2, 4 auf einer entsprechenden Unterlage positioniert werden.
  • Des Weiteren hat die Vorrichtung 1 eine Zuführeinrichtung 20 zum Zuführen von faserhaltigen Kunststoffmaterial 22. Die Zuführeinrichtung 22 ermöglicht eine kontinuierliche und stetige Zuführung des geschmolzenen Kunststoffmaterials 22. Zur Erhöhung einer Temperatur innerhalb der Fügezone 10 kann die Zuführeinrichtung 20 mit einer nicht gezeigten Heizeinrichtung zum Erwärmen des Kunststoffmaterials 22 über seine Schmelztemperatur zusammenwirken.
  • Das Kunststoffmaterial 22 besteht aus einer flüssigen bzw. fließfähigen Duroplast- oder Thermoplastmatrix, in der eine Vielzahl von schnipselartigen Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern eingemischt sind. Um eine vergleichende Festigkeit wie bei Langfasern zu erreichen, können die Fasern eine aufgeraute Oberfläche und/oder kleine Verzahnungen bzw. Widerhaken zum gegenseitigen Verzahnen aufweisen.
  • Zudem weist die Vorrichtung 1 eine Wärmequelle 24 zum Vorwärmen der Fügezone 10 auf eine Temperatur nahe unterhalb einer Schmelztemperatur der Thermoplastmatrix mittels Wärmestrahlung 26 auf.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Fügeteile 2, 4 im Stumpfstoß miteinander rührreibverschweißt, wobei das faserhaltige Kunststoffmaterial 22 wie durch die Spirale in 1 angedeutet in die Fügezone 10 eingemischt wird. Hierdurch wird eine in 3 gezeigte Fügenaht 28 geschaffen, die sich durch eine hohe Nahtfestigkeit und aufgrund des zusätzlichen Kunststoffmaterials 22 durch eine leichte Verdickung im Bereich der Reibschulter 16 auszeichnet. Das faserhaltige Kunststoffmaterial bewirkt eine Fortführung der Struktureigenschaften und der Materialeigenschaften der Fügeteile 2, 4 über die Fügenaht 28 hinaus, so dass das gefügte Bauteil im Bereich der Fügenaht 28 keine bzw. nahezu keine Struktur- oder Materialschwächung aufweist.
  • Die Fügeteile 2, 4 werden im Stumpfstoß angeordnet und die Fügezone 10 mittels der Wärmequelle 24 auf eine Temperatur zumindest nahe der Schmelztemperatur der Thermoplastmatrix der Fügeteile 2, 4 vorgewärmt. Das Reibwerkzeug 12 wird angesteuert und die Reibschulter 14 und der Rührstift 16 werden in Rotation versetzt. Der Rührstift 16 wird zwischen die Fügeteile 2, 4 in die Fügezone 10 eingeführt und die Reibschulter 14 wird in Richtung der Werkzeuglängsachse z mit einem Druck P gegen die Körperabschnitte 6, 8 gedrückt. Durch die Reibung der Reibschulter 16 auf den Körperabschnitte 6, 8 entsteht Reibwärme, die in die Fügezone 10 eingeleitet wird und in Kombination mit der Strahlungswärme der Wärmequelle 24 und mit der Materialwärme des Kunststoffmaterials 22 eine Plastifizierung der Körperabschnitte 6, 8 bewirkt, die dann durch den Rührstift 16 miteinander verrührt werden. Das Reibwerkzeugs 12 wird durch eine Bewegung in Längsrichtung x der Fügezone 10 bewegt und hierdurch die Fügenaht 10 ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß wird in der Fügezone 10 das faserhaltige Kunststoffmaterial 22 zugeführt, wobei zur sicheren Vermischung das Kunststoffmaterial 22 dieses in Richtung der Werkzeughochachse z betrachtet unterhalb der Reibschulter 16 oberflächig der Fügezone 6 zugeführt wird. Hierzu führt zumindest die Reibschulter 14 eine Hubbewegung entlang der Werkzeuglängsachse z aus, wodurch die Reibschulter 16 zeitweise von der Fügezone 10 beanstandet ist und das Kunststoffmaterial 22 unterhalb der Reibschulter 16 oberflächig der Fügezone 10 zugeführt werden kann. Beim Absenken der Reibschulter 16 wird das oberflächige Kunststoffmaterial 22 in die Fügezone 10 eingerieben und mit dem Rührstift 16 mit den plastifizierten Körperabschnitten 6, 8 vermischt und somit über den gesamten Fügezonen- und somit über den gesamtem Fügenahtquerschnitt gleichmäßig verteilt. Da das Kunststoffmaterial 22 immer dann zugeführt wird, wenn die Reibschulter 14 von der Fügezone 10 beabstandet ist, erfolgt eine diskontinuierliche Zuführung des Kunststoffmaterials 22.
  • Nach dem Verfahren des Schweißwerkzeugs kühlt sich der vorher gebildete Abschnitt der Fügezone 10 ab. Bei Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffmaterials 22 erstarrt die Fügezone 10 und eine folgende Behandlung wie eine Wärme-Druckbehandlung ist nicht notwendig. Bei Verwendung eines duroplastischen Kunststofmaterials 22 erfolgt zur Aushärtung der Fügezone 10 eine folgende Wärme-Druckbehandlung bspw. in einem Autoklaven.
  • Bei einer in 4 skizzierten alternativen Vorrichtungs- und Verfahrensvariante wird faserhaltiges Kunststoffmaterial 22 kontinuierlich während einer Bewegung eines Schweißwerkzeugs 12 in Längsrichtung x der Fügezone 10 zugeführt. Eine Hubbewegung der Reibschulter 16 ist nicht notwendig. Somit wird bei diesem Ausführungsbeispiel das rotierende Schweißwerkzeug 12 bzw. die rotierende Reibschulter 14 kontinuierlich unter Beaufschlagung mit einem Druck P über die Fügezone 10 in Längsrichtung x geführt, wobei das Kunststoffmaterial 22 mit dem plastifizierten Material 6, 8 durch den Rührstift 14 verrührt wird. Hierzu weist das Schweißwerkzeug 12 einen als Innenkanal 30 ausgebildeten Zuführkanal einer nicht gezeigten Zuführeinrichtung 20 auf, der stirnseitig aus einer Reibschulter 16 austritt und durch den das faserhaltige Kunststoffmaterial 22 der Fügezone 6 zugeführt wird. Der aus der Reibschulter 14 austretende Innenkanal 30 verläuft koaxial zur Werkzeughochachse z und umgreift den Rührstift 14 im Austrittsbereich ringartig.
  • Bei einer einfach herzustellenden Vorrichtungsvariante ist der Innenkanal 30 als eine Durchgangsbohrung ausgeführt, die sich parallel zum Rührstift 16 erstreckt und einen Kreisquerschnitt hat. Ebenso kann der Innenkanal 28 einen den Reibstift 14 partiell umgreifenden Sichelquerschnitt, ein Bogenquerschnitt und dgl. aufweisen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann sich der Innenkanal 30 in den Rührstift 16 erstrecken und über zumindest eine Radialöffnung seitlich aus diesem austreten, wodurch das Kunststoffmaterial 22 nicht oberflächlich, sondern zwischen den Fügeteilen 2, 4 der Fügezone 10 zugeführt wird.
  • Offenbart ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Fügeteilen, wobei beim Rührreibschweißen im Stumpfstoß in die Fügezone faserhaltiges Kunststoffmaterial eingemischt wird, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie ein derartig gefügtes Bauteil.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Fügeteil
    4
    Fügeteil
    6
    Köperabschnitt
    8
    Köperabschnitt
    10
    Fügezone
    12
    Rührreibwerkzeug
    14
    Reibschulter
    16
    Rührstift
    18
    Gegenhalter
    20
    Zuführeinrichtung
    22
    Kunststoffmaterial
    24
    Wärmequelle
    26
    Wärmestrahlung
    28
    Fügenaht
    30
    Innenkanal
    z
    Werkzeughochachse
    x
    Längsrichtung Fügezone

Claims (12)

  1. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Fügeteilen (2, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile (2, 4) im Stumpfstoß zur Definierung eines Verlaufs einer Fügenaht (28) positioniert und miteinander rührreibverschweißt werden, wobei in eine Fügezone (10) faserhaltiges Kunststoffmaterial (22) eingemischt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kunststoffmaterial (22) oberflächig der Fügezone (10) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kunststoffmaterial (22) durch eine Reibschulter (14) in die Fügezone (10) eingerieben wird, die eine relative Hubbewegung ausführt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kunststoffmaterial (22) im Bereich eines rotierenden und zwischen die Fügeteile (2, 4) eintauchenden Rührstiftes (16) der Fügezone (10) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kunststoffmaterial (22) der Fügezone (10) zwischen den Fügeteilen (2, 4) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fügezone (10) auf eine Temperatur zumindest nahe einer Schmelztemperatur der Fügeteile (2, 4) vorgewärmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffmaterial (22) über seine Schmelztemperatur erwärmt wird.
  8. Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Schweißwerkzeug (12), das eine rotierende Reibschulter (14) zur Erwärmung von Fügeteilen (2, 4) in einer Fügezone (10), einen rotierenden Rührstift (16) zum Verrühren von plastifizierten Materials (6, 8) und eine Zuführeinrichtung (20) zum Zuführen von faserhaltigen Kunststoffmaterial (22) aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Zuführeinrichtung (20) einen in das Schweißwerkzeug (12) integrierten Innenkanal (30) aufweist, der stirnseitig aus der Reibschulter (14) austritt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Zuführeinrichtung (20) einen in das Schweißwerkzeug (12) integrierten Innenkanal (30) aufweist, der radial aus dem Rührstift (16) austritt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei eine Wärmequelle (24) zum Vorwärmen der Fügezone (10) vorgesehen ist.
  12. Bauteil, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
DE102011078144A 2011-06-27 2011-06-27 Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil Ceased DE102011078144A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011078144A DE102011078144A1 (de) 2011-06-27 2011-06-27 Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil
EP12173577.3A EP2540476B1 (de) 2011-06-27 2012-06-26 Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von zu verbindenden Teilen
US13/534,110 US9333703B2 (en) 2011-06-27 2012-06-27 Method and device for bonding parts to be joined, as well as component
US15/094,338 US9561617B2 (en) 2011-06-27 2016-04-08 Devices for bonding parts to be joined

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011078144A DE102011078144A1 (de) 2011-06-27 2011-06-27 Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102011078144A1 true DE102011078144A1 (de) 2012-12-27

Family

ID=46331075

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102011078144A Ceased DE102011078144A1 (de) 2011-06-27 2011-06-27 Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil

Country Status (3)

Country Link
US (2) US9333703B2 (de)
EP (1) EP2540476B1 (de)
DE (1) DE102011078144A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106825906A (zh) * 2017-02-23 2017-06-13 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 一种填丝回填式搅拌摩擦点焊方法及工具
DE102019107814A1 (de) * 2019-03-27 2020-10-01 Airbus Operations Gmbh Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen
CN112091483A (zh) * 2020-09-03 2020-12-18 海洋石油工程（青岛）有限公司 一种海洋结构物导管立片管组对限位装置及限位方法

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112014019554A8 (pt) * 2012-02-09 2017-07-11 Esab Ab Arranjo de revestimento para uso na soldagem por fricção com mistura mecânica
JP6084887B2 (ja) * 2013-04-16 2017-02-22 川崎重工業株式会社 摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法
KR101873126B1 (ko) * 2013-09-30 2018-06-29 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법
US9821407B2 (en) * 2013-09-30 2017-11-21 Jfe Steel Corporation Friction stir welding method for structural steel and method of manufacturing joint for structural steel
KR102194358B1 (ko) * 2013-09-30 2020-12-23 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법
JP6020501B2 (ja) * 2014-03-27 2016-11-02 トヨタ自動車株式会社 接合方法
US9731773B2 (en) 2015-03-11 2017-08-15 Caterpillar Inc. Node for a space frame
DE102015005407A1 (de) * 2015-04-29 2016-11-03 Airbus Defence and Space GmbH Rührreibschweißen von Thermoplasten
DE102015210869B3 (de) * 2015-06-15 2016-08-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Austauschen eines Abschnitts eines Kunststoffbauteils
US11046015B2 (en) 2017-05-31 2021-06-29 Yibo Su System and apparatus for fiber reinforced thermoplastics joiner
US11648741B2 (en) * 2020-05-19 2023-05-16 The Boeing Company Methods of embedding an elongate susceptor within a thermoplastic body
WO2022045171A1 (ja) * 2020-08-25 2022-03-03 川崎重工業株式会社 摩擦攪拌点接合方法及びこれを用いた接合体
CN116278105B (zh) * 2023-03-03 2025-08-08 江苏科技大学 用于搅拌摩擦焊的纤维丝材制备方法和设备及焊接方法
AT527936B1 (de) * 2024-07-19 2025-08-15 Royos Joining Solutions Gmbh Verfahren zum Verbinden von zwei Bauteilen durch Auftragsextrudieren eines Zusatzmaterials

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6543671B2 (en) * 2001-09-05 2003-04-08 Lockheed Martin Corporation Apparatus and method for friction stir welding using filler material
DE102008019062A1 (de) * 2008-04-15 2009-10-22 Eads Deutschland Gmbh Gegenstand mit einer verschweißten Naht, Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes sowie ein Reibrührwerkzeug und eine Vorrichtung zum Reibrühren

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9125978D0 (en) * 1991-12-06 1992-02-05 Welding Inst Hot shear butt welding
EP1315593A1 (de) * 2000-05-05 2003-06-04 Brigham Young University Drehends reibungsschweissen von polymermaterialien
JP2003145625A (ja) * 2001-11-09 2003-05-20 Aisin Seiki Co Ltd 熱可塑性樹脂部材の接合方法および繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法
US6908690B2 (en) * 2002-04-29 2005-06-21 The Boeing Company Method and apparatus for friction stir welding
US7163138B1 (en) * 2005-05-09 2007-01-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Friction stirred introduction of particles into a metallic substrate for surface durability treatment
DE102005029881A1 (de) * 2005-06-27 2006-12-28 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Reibrührschweißen
US7732033B2 (en) * 2005-08-26 2010-06-08 The Curators Of The University Of Missouri Sealants for structural member joints and methods of using same
DE102005060178B4 (de) * 2005-12-14 2010-04-15 Eads Deutschland Gmbh Reibrühr-Werkzeug mit formanpassbarer Schulter und dessen Verwendung
US20080237305A1 (en) * 2006-12-28 2008-10-02 Rennick Timothy S High-Capacity Air Cargo Pallet Using Friction Stir Welding
US7507310B2 (en) * 2006-12-29 2009-03-24 General Electric Company Friction stir welding of fiber reinforced thermoplastics
DE102007063608B4 (de) * 2007-05-23 2011-04-21 Airbus Operations Gmbh Verbund und Rumpfzellenabschnitt mit einem derartigen Verbund
US20090087681A1 (en) * 2007-06-13 2009-04-02 Decker Raymond F High impact resistant metal alloy plate
KR100986934B1 (ko) * 2007-07-13 2010-10-08 현대자동차주식회사 연료전지의 금속분리판 용접장치
US8540134B2 (en) * 2009-09-11 2013-09-24 The Boeing Company Reinforcement of friction plug welds
EP2329905B1 (de) * 2009-12-03 2012-05-30 Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Kunststoff- und Metallteilen
DE102010003742A1 (de) * 2010-04-08 2011-10-13 Airbus Operations Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Reibrührverschweißen zweier Bauteile

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6543671B2 (en) * 2001-09-05 2003-04-08 Lockheed Martin Corporation Apparatus and method for friction stir welding using filler material
DE102008019062A1 (de) * 2008-04-15 2009-10-22 Eads Deutschland Gmbh Gegenstand mit einer verschweißten Naht, Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes sowie ein Reibrührwerkzeug und eine Vorrichtung zum Reibrühren

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106825906A (zh) * 2017-02-23 2017-06-13 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 一种填丝回填式搅拌摩擦点焊方法及工具
CN106825906B (zh) * 2017-02-23 2023-02-28 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 一种填丝回填式搅拌摩擦点焊方法及工具
DE102019107814A1 (de) * 2019-03-27 2020-10-01 Airbus Operations Gmbh Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen
US11173670B2 (en) 2019-03-27 2021-11-16 Airbus Operations Gmbh Method for connecting components which have a fibre-reinforced thermoplastic plastic
CN112091483A (zh) * 2020-09-03 2020-12-18 海洋石油工程（青岛）有限公司 一种海洋结构物导管立片管组对限位装置及限位方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20120328837A1 (en) 2012-12-27
EP2540476B1 (de) 2018-08-29
US9333703B2 (en) 2016-05-10
US20160221249A1 (en) 2016-08-04
US9561617B2 (en) 2017-02-07
EP2540476A1 (de) 2013-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011078144A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil
DE102008019062B4 (de) Gegenstand mit einer verschweißten Naht, Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes sowie ein Reibrührwerkzeug und eine Vorrichtung zum Reibrühren
DE69205991T2 (de) Verbesserungen beim reibungsschweissen.
DE112015000397B4 (de) Verfahren zum Fügen eines Metallelements mit einem Harzelement
DE102009008329B4 (de) Preform-Vorrichtung zum Preformen eines Textilhalbzeugs
DE102008011411A1 (de) Verformungs-Vorrichtung zur Herstellung profilierter Halbzeuge, Anlage mit einer solchen Verformungs-Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung profilierter Halbzeuge
DE102009013265B4 (de) Verfahren und Werkzeuge zum Herstellen einer Mischbaugruppe
WO2001036144A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verbinden von wenigstens zwei aneinanderliegenden werkstücken nach der methode des reibschweissens
DE102015106563B4 (de) Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Strukturbauteilen
EP3330549B1 (de) Fügeverfahren und vorrichtung zur ausführung des fügeverfahrens
EP3086918A1 (de) Faserverstärktes duroplastbauteil mit funktionsschicht zum verbinden mit einem thermoplastbauteil
DE102014007330A1 (de) Halbhohlstanzniet und Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung
DE102016105927A1 (de) Rührreibschweißtechnologie zum Verbinden von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien
DE102015005407A1 (de) Rührreibschweißen von Thermoplasten
DE102011078149A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verbinden von fügeteilen, sowie bauteil
EP1716959A2 (de) Verfahren und Vorrichtungen zum Reibrührschweissen von mindestens zwei Bauteilen aus artverschiedenen Werkstoffen mit einem verschiebbaren Stift und durch die Bauteile fliessendem elektrischen Strom
EP3034276B1 (de) Bauteil mit stoffschlüssiger Verbindung und ein Fügeverfahren
DE102014006681A1 (de) Verfahren und Einrichtung zum Fügen flächiger Körper
DE102007010540B4 (de) Verfahren zum hochfesten Kleben von Bauteilen
DE102015213633B3 (de) Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen mittels Reibpunktschweißen und einem als Fügeelement ausgebildeten Reibelement sowie Fügevorrichtung
DE102014205259A1 (de) Schweissverfahren für Harzelemente
DE102019132532A1 (de) Schweißvorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Bauteilen unter Druckbeaufschlagung und mit der Schweißvorrichtung durchführbares Verfahren
DE3739611A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von hohlprofilen aus faserverstaerkten kunststoffen
DE102014110908A1 (de) Thermoplastisches Fügesystem und -verfahren
DE102014203559B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: LKGLOBAL ] LORENZ & KOPF PARTG MBB PATENTANWAE, DE

Representative=s name: MAIWALD PATENTANWALTS GMBH, DE

Representative=s name: KOPF WESTENBERGER WACHENHAUSEN PATENTANWAELTE , DE

R082 Change of representative

Representative=s name: LKGLOBAL ] LORENZ & KOPF PARTG MBB PATENTANWAE, DE

Representative=s name: KOPF WESTENBERGER WACHENHAUSEN PATENTANWAELTE , DE

R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final