DE102005025096A1

DE102005025096A1 - Verfahren zur Verbindung eines mit einem Kunststoffmaterial gebildeten ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil sowie Verbindungselement und Vorrichtung

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Publication number: DE102005025096A1
Application number: DE200510025096
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Vas; Stephan Dipl.-Ing. Vissers
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2006-12-07
Also published as: DE602006018300D1; WO2006128514A1; RU2007148329A; EP1899144B1; RU2408460C2; CA2605956C; US20080206012A1; CA2605956A1; US20110192523A1; CN101184605A; JP4907648B2; JP2008542069A; BRPI0610309A2; EP1899144A1; US9149984B2; CN101184605B

Abstract

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Verbindung eines mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial, gebildeten ersten Bauteils 4 mit einem zweiten Bauteil 16 durch Aufbringen eines Verbindungselements 1 auf das erste Bauteil 4, wobei das Verbindungselement 1 eine mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildete Trägerplatte 2 mit einem Anbindungsmittel und einer Trägerplattenbohrung 3 aufweist, mit den Schritten: DOLLAR A - Einbringen einer Bohrung 27 in das erste Bauteil 4, DOLLAR A - Verschweißen der Trägerplatte 2 mit dem ersten Bauteil 4 und DOLLAR A - Verbinden des ersten Bauteils 4 und des zweiten Bauteils 16 durch Einbringen eines am zweiten Bauteil 16 angeordneten Verbindungsmittels in das Anbindungsmittel. DOLLAR A Durch das Verschweißen der Trägerplatte 2 mit dem ersten Bauteil 4 entfällt eine ansonsten zur Verbindung der Trägerplatte 2 mit dem ersten Bauteil 4 im Allgemeinen erforderliche Nietverbindung, wodurch sich die Herstellung einer Verbindung mittels des erfindungsgemäßen Verbindungsmittels erheblich vereinfacht. Darüber hinaus wird eine Schwächung des ersten Bauteils 4 sowie die Entstehung von Korrosionsprozessen durch das Aneinandergrenzen unterschiedlicher, beim Vernieten verwendeter Materialien vermieden. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verbindungselement 1 zur Schaffung einer Verbindung nach Maßgabe des Verfahrens. Ferner betrifft die Erfindung eine ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial, gebildeten ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil durch Aufbringen eines Verbindungselements auf das erste Bauteil, wobei das Verbindungselement eine mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildete Trägerplatte mit einem Anbindungsmittel und einer Trägerplattenbohrung aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verbindungselement zur Schaffung einer Verbindung nach Maßgabe des Verfahrens mit einer an einem ersten Bauteil befestigbaren Trägerplatte mit einer Trägerplattenbohrung und einem in der Trägerplatte aufnehmbaren Anbindungsmittel, das zum Einbringen eines an einem zweiten Bauteil angeordneten Verbindungsmittels ausgebildet ist, um eine Verbindung mit dem zweiten Bauteil herzustellen, wobei das erste Bauteil mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial, gebildet ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zur Schaffung einer Verbindung zwischen einem mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplasti schen Kunststoffmaterial, gebildeten ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil mittels eines Verbindungselements.

Die Verbindung von plattenförmigen Bauteilen, die über eine in Relation zur Flächenausdehnung nur geringe Materialstärke verfügen, mit anderen Bauteilen oder gleichfalls plattenförmig ausgebildeten Bauteilen gestaltet sich aufwändig, da Verbindungsschrauben, Niete oder dergleichen aufgrund der geringen Materialstärke oftmals nicht unmittelbar in die Bauteile eingesetzt werden können.

Zur Schaffung derartiger Verbindungen werden in der Luftfahrt- oder Automobilindustrie beispielsweise so genannte Annietmuttern eingesetzt. Die bekannten Ausführungsformen von Annietmuttern weisen eine Grundplatte mit einer im Wesentlichen rechteckförmigen Grundfläche auf, die sich in beiden Endbereichen verjüngt. Die Grundplatte weist eine in etwa mittig angeordnete, zentrale Bohrung auf. In beiden Endbereichen der Grundplatte ist jeweils eine Befestigungsbohrung eingebracht. Die Längskanten der Grundplatte sind im Bereich der zentralen Bohrung zur Aufnahme einer Befestigungsmutter umgebördelt. Hierbei ist die Befestigungsmutter derart auf der Grundplatte aufgenommen, dass ein Toleranzausgleich in zwei Raumrichtungen, parallel zur Grundplatte möglich ist.

Alternativ kann auch eine Befestigungsfeder zur Anbindung der Befestigungsmutter an die Grundplatte vorgesehen sein. Die Befestigungsfeder wird hierbei beispielsweise durch beidseitig, parallel zu den Längsseiten der Grundplatte angeordnete Haltenocken mit Ausnehmungen gehalten. Zum Austausch der Befestigungsmutter kann die Befestigungsfeder aus den Ausnehmungen herausgenommen werden. Auch in dieser Variante ist ein Toleranzausgleich aufgrund der parallel zur Grundplatte in zwei Raumrichtungen mittels der Befestigungsfeder verschiebbar aufgenommenen Befestigungsmutter möglich.

Zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil wird zunächst die Annietmutter auf dem ersten Bauteil befestigt. Zu diesem Zweck werden zunächst zwei Löcher in das erste Bauteil im Wesentlichen deckungsgleich zu den Befestigungsbohrungen in der Grundplatte eingebracht. Anschließend wird die Grundplatte mit dem ersten Bauteil durch zwei in die Befestigungsbohrung ein gesetzte Nieten mit dem ersten Bauteil verbunden. Anschließend wird im Bereich der zentralen Bohrung der Annietmutter eine weitere Bohrung in das erste Bauteil eingebracht, die beispielsweise zur Durchführung eines Schraubbolzens dient. Diese Bohrung kann vor der Befestigung der Annietmutter auf dem ersten Bauteil eingebracht werden. Abschließend wird durch eine Bohrung im zweiten Bauteil beispielsweise ein Schraubbolzen oder dergleichen geführt, der zur endgültigen Verbindung des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil mit der Befestigungsmutter fest verschraubt wird.

Weitere Verfahren bzw. Verbindungsmittel zur Herstellung von derartigen Verbindungen kommen mit einer zentralen Bohrung im ersten Bauteil aus. Die Befestigung der Annietmutter erfolgt hierbei durch das Aufspreizen einer die zentrale Bohrung der Annietmutter umgebenden Hülse innerhalb der Bohrung des ersten Bauteils, ähnlich der Befestigung einer so genannten "Popniete". Das Aufspreizen der Hülse kann hierbei beispielsweise durch einen einmalig verwendbaren Zugdorn erfolgen, der mittels eines Werkzeugs durch die Hülse gezogen wird. Dieser Zugdorn kann während des Herstellungsprozesses des Verbindungselements in die Hülse eingesetzt werden. Das Aufspreizen kann alternativ auch durch einen separaten Dorn erfolgen, der erst während der Montage des Verbindungselements in die Hülse eingesetzt wird und der nach der Beendigung des Aufspreizvorganges abgezogen und weiter verwendet werden kann. Infolge der zentralen Befestigung der Annietmutter im ersten Bauteil entfällt bei beiden Varianten die Notwendigkeit der Verbindung der Annietmutter mit dem ersten Bauteil durch zwei separate Niete.

Die vorstehend genannten Verfahren bzw. Verbindungsmittel erfordern durch eine Vielzahl von Arbeitsschritten einen relativ hohen Installationsaufwand. Darüber hinaus ergibt sich insbesondere bei Bauteilen mit faserverstärkten Kunststoffmaterialien die Gefahr von Delaminationen im Bereich der Verbindungen. Derartige Delaminationen können beispielsweise in Bereichen auftreten, in denen es zu einer mechanischen Belastung des Materials parallel zur bevorzugten Faserrichtung kommt, wie es insbesondere bei Nietverbindungen, Schraubverbindungen oder beim Aufspreizen von Hülsen in Bohrungen in faserverstärkten Kunststoffmaterialien der Fall ist. Sowohl die Nieten zur Befestigung der Annietmutter als auch die aufspreizbare Hülse zur Zentralbefestigung der Annietmutter bergen darüber hinaus die Gefahr von Korrosionsprozessen, weil Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen aneinander anliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren, ein Verbindungselement sowie eine Vorrichtung zur einfachen und schnellen Herstellung von Verbindungen zwischen insbesondere plattenförmigen Bauteilen bereitzustellen, wobei mindestens ein Bauteil insbesondere mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, Delaminationen sowie Korrosionsprozesse im Bereich der hergestellten Verbindungen zu reduzieren.

Die Aufgabe der Erfindung wird zunächst durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbindung eines mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial, gebildeten ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil durch Aufbringen eines Verbindungselements auf das erste Bauteil, wobei das Verbindungselement eine mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildete Trägerplatte mit einem Anbindungsmittel und einer Trägerplattenbohrung aufweist, umfasst hierbei die folgenden Schritte:

– Einbringen einer Bohrung in das erste Bauteil,
– Verschweißen der Trägerplatte mit dem ersten Bauteil und
– Verbinden des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils durch Einbringen eines am zweiten Bauteil angeordneten Verbindungsmittels in das Anbindungsmittel.

Durch die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen dem ersten, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Bauteil und einer Trägerplatte des Verbindungselements lassen sich beide Bauteile leicht und schnell miteinander verbinden, wobei lediglich die Einbringung einer Bohrung in das erste Bauteil erforderlich ist.

Hierbei wird davon ausgegangen, dass das erste Bauteil mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist, welches auch eine Faserverstärkung aufweisen kann, wobei ein duroplastisches Kunststoffmaterial zumindest im Bereich der herzustellenden Schweißverbindung mit einer vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Interfaceschicht versehen sein muss, um die Verschweißbarkeit mit der Trägerplatte des Verbindungselements zu ermöglichen.

Die Schweißverbindung zwischen dem ersten Bauteil und der Halteplatte des Verbindungselements ermöglicht eine mechanisch hochbelastbare Anbindung des Verbindungselements an das erste Bauteil ohne eine nennenswerte Schwächung des Materials sowie die Gefahr des Auftretens von Delaminationen.

Darüber hinaus wird die Gefahr des Auftretens von Korrosionsprozessen verringert, weil zumindest im Bereich der Schweißverbindung nur gleichartige Materialien aneinander grenzen.

Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verbindungsmittel nach Maßgabe des Patentanspruchs 6 gelöst.

Dadurch, dass die Trägerplatte mit dem ersten Bauteil verschweißbar ausgebildet ist,
ist eine einfache und schnelle Herstellung einer Verbindung zwischen einem mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildeten ersten Bauteil mit einem zweiten Bauteil gewährleistet. Darüber hinaus wird infolge der Verschweißbarkeit der Trägerplatte mit dem ersten Bauteil die Gefahr der Entstehung von Delaminationen und Korrosionsprozessen durch eine Verringerung der zur Befestigung erforderlichen Bohrungsanzahl vermindert. Zudem lässt sich die Trägerplatte des Verbindungselements mittels der Schweißverbindung fest mit dem ersten Bauteil verbinden, ohne dass die Gefahr einer Materialschwächung infolge der Einbringung von Bohrungen oder Nieten zur Befestigung besteht. Das Verbindungselement wird durch den Verschweißvorgang letztendlich integraler Bestandteil des ersten Bauteils.

Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Maßgabe des Patentanspruchs 14 gelöst.

Dadurch, dass die Vorrichtung zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungselement ausgebildet ist, lassen sich Verbindungen zwischen zwei insbesondere plattenförmigen Bauteilen auf einfache und schnelle Art und Weise mit den vorstehend bereits erwähnten Vorteilen herstellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, des Verbindungselements sowie der Vorrichtung sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Verbindungselement,
2 eine perspektivische Ansicht einer Trägerplatte des Verbindungselements und
3 eine schematische Querschnittdarstellung einer Vorrichtung zur Schaffung einer Verbindung mit dem Verbindungselement.
Gleiche konstruktive Elemente sind in der Zeichnung mit jeweils gleichen Bezugsziffern versehen.
Die 1 zeigt eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Verbindungselement.
Das Verbindungselement 1 umfasst unter anderem eine vorzugsweise kreisrund ausgebildete Trägerplatte 2, in die in etwa mittig eine Trägerplattenbohrung 3 eingebracht ist. Die Trägerplatte 2 kann auch eine von der Kreisform abweichende geometrische Gestalt aufweisen. Die Trägerplatte 2 ist mit dem ersten Bauteil 4 durch eine Schweißverbindung verbunden.
Um eine Schweißverbindung zwischen dem ersten Bauteil 4 und der Trägerplatte 2 des Verbindungselements 1 zu ermöglichen, ist die Trägerplatte 2 erfindungsgemäß mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, das zusätzlich eine Faserverstärkung aufweisen kann, gebildet. Die Trägerplatte 2 kann beispielsweise mit einem Kunststoffmaterial wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI) oder dergleichen gebildet sein.
Alternativ ist es möglich, die Trägerplatte 2 auch mit einem duroplastischen Material zu bilden, wobei eine in der 1 nicht darstellbare Unterseite der Trägerplatte 2 in diesem Fall eine aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildete Interfaceschicht aufweisen muss, um die Verschweißbarkeit mit dem ersten Bauteil 4 zu ermöglichen.
Die Interfaceschicht kann beispielsweise durch Aufstreichen, Aufkleben, Aufwalzen, Verbacken, Verpressen, Einbrennen eines thermoplastischen Kunststoffmaterials mit dem darunter liegenden duroplastischen Grundmaterial erfolgen. Weist das duroplastische Grundmaterial eine Faserverstärkung auf, so kann die Faserverstärkung derart ausgebildet sein, dass eine Vielzahl von Fasern aus der Oberfläche des Grundmaterials herausragen und somit eine innige Verzahnung mit der aufgebrachten Interfaceschicht erlauben. Vorzugsweise werden zur Bildung der Interfaceschicht dieselben Kunststoffmaterialien eingesetzt, die auch bei der Herstellung der Trägerplatte des Verbindungsmittels 1 – also beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI) oder dergleichen – Verwendung finden.
Das erste Bauteil 4 kann mit einem thermoplastischen und/oder mit einem duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet sein, das zusätzlich über eine Faserverstärkung verfügen kann. Das zweite Bauteil kann mit einem beliebigen, beispielsweise mit einem metallischen Material, einem thermoplastischen und/oder einem duroplastischen Kunststoffmaterial oder dergleichen, gebildet sein. Auch das zweite Bauteil kann erforderlichenfalls eine Faserverstärkung aufweisen.
Ist das erste Bauteil 4 mit einem duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet, so muss das erste Bauteil 4 zur Ermöglichung der Verschweißbarkeit mit der Trägerplatte 2 zumindest in einem Verbindungsbereich 5 zwischen dem ersten Bauteil 4 und der Trägerplatte 2 mit einer in der 1 nicht dargestellten Interfaceschicht aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial versehen sein. Die räumliche Ausdehnung des Verbindungsbereichs 5 entspricht hierbei vorzugsweise zumindest der Kreisfläche der Trägerplatte 2. In Abhängigkeit von den zu erreichenden Festig keitswerten der Schweißverbindung kann die Interfaceschicht im Verbindungsbereich 5 auch nur bereichsweise aufgebracht werden.
Auf beiden Seiten der Trägerplattenbohrung 3 sind weiterhin Haltenocken 6,7 angeordnet. In die Haltenocken 6, 7 sind in der 1 nicht dargestellte Ausnehmungen eingebracht. Die Ausnehmungen dienen zur lösbaren Aufnahme eines im Wesentlichen eine quadratische Umfangskontur aufweisenden Federelements 8 zur Bildung eines lösbaren Befestigungsmittels für eine im Verbindungselement 1 aufzunehmende Schraubenmutter 9. Die Schraubenmutter 9 weist eine Bohrung 10 mit einem Innengewinde auf. In das Innengewinde kann ein in der 1 nicht dargestellter Schraubbolzen zur Verbindung mit einem gleichfalls in der 1 nicht dargestellten zweiten Bauteil eingeschraubt werden. Die Schraubenmutter 9 ist vor dem endgültigen Verspannen der Bauteile untereinander geringfügig in zwei Raumrichtungen parallel zu einer Oberseite 11 der Trägerplatte 2 verschiebbar, so dass ein gewisser Toleranzausgleich zwischen dem ersten Bauteil 4 und dem zweiten Bauteil mittels des erfindungsgemäßen Verbindungselements 1 möglich ist.
Sowohl die Schraubenmutter 9 als auch der Schraubbolzen können mit einem metallischen Material und/oder mit einem Kunststoffmaterial gebildet sein und zur Steigerung der mechanischen Belastbarkeit zusätzlich eine Faserverstärkung aufweisen.
Der Schraubbolzen dient im hier gezeigten Ausführungsbeispiel als Verbindungsmittel, das zur Schaffung der eigentlichen mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 4 und dem zweiten Bauteil in die das Anbindungsmittel bildende Schraubenmutter 9 einbringbar ist.
Anstatt des Anbindungsmittels in der Form einer Schraubenmutter 9 sowie eines Verbindungsmittels in Gestalt eines Schraubbolzens können andere Anbindungsmittel und Verbindungsmittel vorgesehen sein. Beispielweise kann die Verbindung des zweiten Bauteils mit dem Verbindungselement 1 auch durch eine lösbare Klemmverbindung oder dergleichen gebildet werden, bei der ein am zweiten Bauteil angeordneter Rastzapfen mit einem korrespondierend ausgebildeten und zwischen den Haltenocken 6, 7 angeordneten Rastorgan vorzugsweise wieder lösbar verrastbar ist.
Das Federelement 8 ist herausnehmbar in den Ausnehmungen aufgenommen. Wird beispielsweise die Schraubenmutter 9 beim Montageprozess beschädigt, so kann diese leicht durch das Herausnehmen des Federelements 8 ausgetauscht und durch eine neue ersetzt werden. Anschließend wird das Federelement 8 wieder in die Ausnehmungen eingesetzt, so dass dieses in die Ausnehmungen einrastet. Hierdurch ist es zum Austausch der Schraubenmutter 9 nicht mehr erforderlich, die mit dem ersten Bauteil 4 verschweißte Trägerplatte 2 des Verbindungselements 1 vom ersten Bauteil 4 abzulösen.
Die Schraubenmutter 9 weist zur Arretierung mittels des Federelements 8 eine im Wesentlichen rechteckförmige Grundplatte 12 auf. Die Grundplatte 12 weist an beiden Enden in etwa kreisförmige Ausnehmungen auf. Die Grundplatte 12 liegt unterhalb des Federelements 8 auf der Oberseite 11 der Trägerplatte 2 auf. Somit ist die Schraubenmutter 9 vom Federelement 8 fest eingespannt, so dass sich diese nicht senkrecht von der Oberseite 11 der Trägerplatte 2 abheben kann. Das Federelement 8 ermöglicht gleichwohl eine Verschiebbarkeit der Schraubenmutter 9 parallel zur Oberseite 11 der Trägerplatte 2 zwischen den Haltenocken 6, 7, um einen geringfügigen Toleranzausgleich zu ermöglichen.
Die Trägerplatte 2 sowie die Haltenocken 6, 7 sind vorzugsweise einstückig ausgebildet und im Spritzgussverfahren mit einem der vorstehend bereits erwähnten thermoplastischen Kunststoffmaterialien hergestellt, so dass eine kostengünstige Massenfertigung des Verbindungselements 1 möglich ist. Die Trägerplattenbohrung 3 kann gleichfalls im Zuge des Spritzgussprozesses mit gebildet werden oder nachträglich in die Trägerplatte 2 eingebracht werden. Alternativ ist es möglich, die Schraubenmutter 9, insbesondere wenn diese mit einem thermoplastischen Kunststoff gebildet wird, gleich während des Spritzgussprozesses auszubilden. In diesem Fall ist jedoch kein Toleranzausgleich und kein Austausch der Schraubenmutter 9 bei einer etwaigen Beschädigung derselben ohne die Ablösung der kompletten Trägerplatte 2 vom ersten Bauteil 4 mehr möglich.
Die 2 stellt eine perspektivische Ansicht der Trägerplatte 2 dar. Der besseren zeichnerischen Übersichtlichkeit halber sind das Federelement 8 sowie die Schraubenmutter 9 nicht dargestellt.
Die Trägerplatte 2 weist die Haltenocken 6, 7 auf. Vorzugsweise in etwa mittig ist in die Trägerplatte 2 die Trägerplattenbohrung 3 eingebracht. Eine Unterseite 13 der Trägerplatte 2 ist im Verbindungsbereich 5, wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, erfindungsgemäß durch eine Schweißverbindung mit dem ersten Bauteil 4 mechanisch fest verbunden. Die Ausnehmungen 14, 15 weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel der Trägerplatte 2 eine im Wesentlichen rechteckförmige Gestalt auf. Abweichend von der in 2 dargestellten rechteckförmigen Gestalt der Ausnehmungen 14, 15 können diese eine hiervon abweichende, beispielsweise trapezförmige oder ovale Gestalt aufweisen. Die Ausnehmungen 14, 15 dienen zur federnden bzw. rastenden Aufnahme und Arretierung des Federelements 8 zur Befestigung der Schraubenmutter 9 auf der Trägerplatte 2. Das zweite Bauteil 16 wird mittels des Schraubbolzens 17 mit dem ersten Bauteil 4 verbunden. Hierzu wird der Schraubbolzen 17 in die Schraubenmutter 9 eingeschraubt, sodass die Bauteile 4, 16 fest miteinander verspannt werden. Anstatt des Schraubbolzens 17 und der Schraubenmutter 9 können andere Verbindungssysteme, beispielsweise Rast- oder Klemmverbindungen eingesetzt werden.
Im Weiteren soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbindung des ersten Bauteils 4 mit dem zweiten Bauteil 16 durch das erfindungsgemäße Verbindungsmittel 1 näher erläutert werden.
Zunächst wird eine Bohrung, die vorzugsweise einen Durchmesser aufweist, der in etwa einem Außendurchmesser des Schraubbolzens 17 bzw. einem Durchmesser der Trägerplattenbohrung 3 entspricht, in das erste Bauteil 4 eingebracht. Diese Bohrung im ersten Bauteil 4 hat im Wesentlichen die Aufgabe, das Werkzeug bzw. die Vorrichtung zur Herstellung der Schweißverbindung zu führen und zu zentrieren.
Im Anschluss daran wird erfindungsgemäß die Schweißverbindung zwischen der Unterseite 13 der Trägerplatte 2 des Verbindungselements 1 und dem ersten Bauteil 4 hergestellt. Diese Schweißverbindung kann mittels bekannter Kunststoff schweißverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann das Verbindungselement 1 durch Ultraschallschweißen, Hochfrequenzschweißen, elektrisches Widerstandsschweißen, elektrisches Induktionsschweißen, Vibrationsschweißen oder dergleichen mit dem ersten Bauteil 4 verbunden werden. Grundsätzlich ist jedes Verfahren geeignet, das einen ausreichenden thermischen Energieeintrag im Verbindungsbereich 5 bewirkt, um ein zumindest oberflächliches Aufschmelzen des Materials im Bereich einer Oberseite 18 des ersten Bauteils 4 sowie im Bereich der Unterseite 13 der Trägerplatte 2 für einen ordnungsgemäßen Schweißvorgang zu ermöglichen.
Hierbei wird, wie bereits im Rahmen der Beschreibung des Verbindungselements 1 ausgeführt wurde, davon ausgegangen, dass das erste Bauteil 4 zumindest im Verbindungsbereich 5 und die Unterseite 13 der Trägerplatte 2 des Verbindungselements 1 zumindest bereichsweise mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem Material aus Polyetheretherketon (PEEK) und/oder mit einem Material aus Polyetherimid (PEI), gebildet ist, um eine innige und zudem mechanisch belastbare thermische Verschweißung zu ermöglichen. Sowohl das erste Bauteil 4 als auch die Trägerplatte 2 können hierbei zusätzlich eine Faserverstärkung aufweisen.
Ist das erste Bauteil 4 mit einem duroplastischen Kunststoffmaterial, beispielsweise mit einem kohlefaserverstärkten Epoxydharz (CFK) oder dergleichen gebildet, so ist es erforderlich, vor dem Aufbringen des Verbindungselements 1 zumindest im Verbindungsbereich 5 zumindest bereichsweise eine Interfaceschicht vorzusehen, das heißt auf die Oberseite 18 im Verbindungsbereich 5 aufzubringen. Die Interfaceschicht ist mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem Material aus Polyetheretherketon (PEEK) und/oder mit einem Material aus Polyetherimid (PEI), gebildet und ermöglicht eine innige thermische und damit mechanisch hochbelastbare Verschweißung eines mit einem duroplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Bauteils 4 mit der gleichfalls zumindest im Bereich der Unterseite 13 mit einem der vorstehend benannten thermoplastischen Materialien gebildeten Trägerplatte 2 des Verbindungselements 1.
Danach wird zur Befestigung des Schraubbolzens 17 im zweiten Bauteil 16 eine weitere Bohrung in das zweite Bauteil 16 eingebracht. Zur Fertigstellung der Verbin dung wird dann das zweite Bauteil 16 in bekannter Weise mittels des Schraubbolzens 17 mit der Schraubenmutter 9 verschraubt.
Zur weiteren Vereinfachung und Rationalisierung des Verbindungsvorganges können anstatt einer Schraubverbindung auch beliebige Klemm- oder Rastverbindungen vorgesehen sein. Weiterhin ist es nicht zwingend erforderlich, schon zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs eine Bohrung in das erste Bauteil 4 einzubringen. Diese Bohrung kann nach Maßgabe einer alternativen Vorgehensweise auch mit einem geeigneten Werkzeug während des Schweißvorgangs gebildet werden, wodurch sich eine Vereinfachung des Verfahrensablaufs ergibt. Gleichfalls ist es im Bedarfsfall nicht nötig, dass die Trägerplatte 2 während des Herstellungsprozesses mit der Trägerplattenbohrung 3 versehen wird, da auch diese während des Schweißvorgangs mit eingebracht werden kann.
Die 3 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Schaffung einer Verbindung mittels des Verbindungselements nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Vorrichtung 19 umfasst unter anderem eine Antriebseinheit 20 sowie eine Spanneinrichtung 21 zur kraftschlüssigen Aufnahme des Verbindungselements 1. Die Spanneinrichtung 21 weist nicht näher dargestellte Spannorgane auf, mittels derer das Verbindungselement 1 fest eingespannt ist. Die Spanneinrichtung 21 ist vorzugsweise zur Aufnahme einer Vielzahl von unterschiedlichen Verbindungselementtypen mit verschiedenen Abmessungen und/oder geometrischen Gestaltungsformen ausgebildet. Weiterhin weist die Spanneinrichtung 21 in einer bevorzugten Ausführungsform einen Führungszapfen 22 zur Führung und Zentrierung des Verbindungselements 1 in Bezug auf das erste Bauteil 4 auf.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verschweißvorganges zwischen dem Verbindungselement 1 und dem ersten Bauteil 4 wird die Spanneinrichtung 21 mittels der Antriebseinheit 20 in linear und/oder rotierend oszillierende Bewegungen bzw. Schwingungen versetzt. Die räumliche Orientierung dieser linearen und/oder rotierend oszillierenden Bewegungen bzw. Schwingungen im Raum ist mit den Pfeilen 23 bis 25 angedeutet. Hierbei symbolisieren die Pfeile 23, 24 die rotierend oszil lierenden Hin- und Herbewegungen der Spanneinrichtung 21 in Relation zur Oberseite 18 des ersten Bauteils 4, wohingegen der Pfeil 25 für die linear oszillierenden Hin- und Herbewegungen in Relation zur Oberseite 18 steht.
Der Begriff "oszillierend" bedeutet im Fall der rotierenden Bewegungen, dass die Spanneinrichtung 21 keine vollständigen Umdrehungen in Richtung der Pfeile 23, 24 vollzieht, sondern von der Antriebseinheit 20 jeweils nur um geringe Winkelbeträge um eine vertikale Drehachse herum, schwingend hin und her bewegt wird.
Entsprechend bewegt sich die Spanneinrichtung 21 mit dem darin kraftschlüssig aufgenommenen Verbindungselement 1 im Wesentlichen parallel zum Pfeil 25 zum ersten Bauteil 4 um kleine Längenbeträge schwingend hin und her.
Die Amplitude dieser linear und/oder rotierend oszillierenden Bewegungen der Spanneinrichtung 21 beträgt maximal 1 mm. Die Bewegungen bzw. Schwingungen der Spanneinrichtung 21 erfolgen hierbei jedoch mit einer vergleichsweise hohen Frequenz, beispielsweise in der Größenordnung von bis zu 100 kHz.
Zusätzlich zu den linear und/oder rotierend oszillierenden Bewegungen der Spanneinrichtung 21, die durch die Pfeile 23 bis 25 veranschaulicht sind, kann die Antriebseinheit 20 die Spanneinrichtung 21 auch in vertikaler Richtung, das heißt im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 18 des ersten Bauteils 4, wie durch die vier Linien 26 angedeutet, vibrierend auf und ab bewegen. Die Amplitude dieser Auf- und Abbewegungen der Spanneinrichtung 21 erreicht gleichfalls nur relativ geringe Beträge, die beispielsweise bis zu maximal 0,1 mm betragen. Die Frequenz der Auf- und Abbewegungen kann hierbei bis zu 200 kHz betragen. Die vibrierenden Auf- und Abbewegungen, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 18 des ersten Bauteils 4 erfolgen, bewirken insbesondere eine Intensivierung des Verschweißvorganges zwischen dem Verbindungselement 1 und dem ersten Bauteil 4 durch einen höheren Energieeintrag.
Die linear oszillierenden Bewegungen, die rotierend oszillierenden Bewegungen sowie die vertikal vibrierenden Bewegungen der Spanneinrichtung 21 können hierbei in jeder beliebigen Kombination gleichzeitig oder nacheinander von der Antriebseinheit 20 erzeugt werden.
Der Führungszapfen 22 dient vor allem zur Führung der Vorrichtung 19 und/oder des Verbindungselements 1 durch Einbringen desselben in eine, vorab in das erste Bauteil 4 eingebrachte Bohrung 27. Hierbei durchdringt der Führungszapfen 22 auch die Trägerplattenbohrung 3 im Verbindungselement 1.
Ist die Bohrung 27 im ersten Bauteil 4 im Verbindungselement 1 nicht vorab eingebracht worden, so kann die Spanneinrichtung 21 eine nicht dargestellte Bohreinrichtung zur Einbringung der Bohrung 27 im ersten Bauteil 4 aufweisen. Entsprechend ist es auch möglich, die Trägerplattenbohrung 3 erst bei der Montage des Verbindungselements 1 in die Trägerplatte 2 einzubringen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Führungszapfen 22 gleichzeitig als Bohreinrichtung ausgebildet sein und somit die Führungs- und Zentrierfunktion sowie die Bohrfunktion in sich vereinen. Vorzugsweise weist ein als Bohreinrichtung ausgebildeter Führungszapfen 22 eine kleine Zentrierspitze auf, die zu Anfang eine sichere Führung bzw. Positionierung der Vorrichtung 19 auf der Oberseite 18 des ersten Bauteils 4 ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante können die Bohreinrichtung sowie die Vorrichtung 19 zur Schaffung einer Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 4 und dem Verbindungselement 1 funktionell auch voneinander getrennt sein. In diesem Fall ist zu Beginn des Verschweißvorgangs keine Bohrung 27 im ersten Bauteil 4 erforderlich und der Führungszapfen 22 ist entbehrlich. Die Bohrung 27 wird erst nach der vollständigen Beendigung des zwischen dem Verbindungselement 1 und dem ersten Bauteil 4 ablaufenden Verschweißvorgangs in das Verbindungselement 1 und in das erste Bauteil 4 eingebracht.
Weiterhin kann zur Durchführung des Verschweißvorganges ein in der Darstellung der 3 nicht eingezeichneter Gegenhalter vorgesehen sein, der eine Durchbiegung des ersten Bauteils 4 weitgehend verhindert. Der Gegenhalter liegt zu diesem Zweck auf einer Unterseite 28 des ersten Bauteils 4 zumindest bereichsweise an.
Die Antriebseinheit 20 wird während des Verschweißvorgangs von einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung kontrolliert. Mittels der Steuer- und Regeleinrichtung lässt sich insbesondere die Amplitude und/oder die Frequenz der linear und/oder rotierend oszillierenden Bewegungen der Spanneinrichtung 21 steu ern. Entsprechendes gilt für die vertikal vibrierenden Bewegungen der Spanneinrichtung 21, die durch die Schar der Linien 26 angedeutet sind. Die Steuer- und Regeleinrichtung weist nicht näher dargestellte Bedienungselemente sowie Signalgeber auf, mittels derer beispielsweise der Verschweißvorgang ausgelöst und dessen ordnungsgemäßes Ende anzeigbar ist. Weiterhin lässt sich mittels der Steuer- und Regeleinrichtung die Amplitude und/oder die Frequenz der linear und/oder rotierend oszillierenden Bewegungen in Abhängigkeit von der Materialbeschaffenheit des ersten Bauteils 4 sowie des Verbindungselements 1 auf einfache Art und Weise parametrisiert vorwählen und während des Verschweißvorganges überwachen, um unabhängig von der aktuellen Materialkombination stets einen optimalen Ablauf des Verschweißvorganges zu gewährleisten. Entsprechendes gilt für die Amplitude und die Frequenz der vibrierenden Vertikalbewegungen der Spanneinrichtung 21. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Benutzer einfache Abkürzungen oder Materialbezeichnungen im Klartext für die Materialien der Trägerplatte 2 und des ersten Bauteils 4 vorgibt und die Steuer- und Regeleinrichtung dann für einen optimalen Ablauf die vorgenannten Parameter des Verschweißvorganges, insbesondere die Frequenz und die Amplitude der linear und/oder rotierend oszillierenden Bewegungen sowie der vibrierenden Bewegungen der Spanneinrichtung 21, automatisch aus einem Kennfeld auswählt. Schließlich lässt sich mittels der Steuer- und Regeleinrichtung gegebenenfalls die Andruckkraft, mittels derer das Verbindungselement 1 während des Verschweißvorganges von der Spanneinrichtung 21 auf die Oberseite 18 des ersten Bauteils 4 gedrückt wird, einstellen und überwachen.
Die in 3 schematisiert dargestellte Vorrichtung 19 zur Durchführung des Verschweißvorganges zwischen dem Verbindungselement 1 und dem ersten Bauteil 4 stellt nur eine exemplarische Ausführungsform dar, die einen Verschweißvorgang durch Reibschweißen ermöglicht. Alternativ sind auch Vorrichtungen denkbar, mittels derer beispielsweise eine Verbindung zwischen dem Verbindungselement 1 und dem ersten Bauteil 4 durch Hochfrequenzschweißen, Ultraschallschweißen, elektrisches Widerstandsschweißen, elektrisches Induktionsschweißen, Vibrationsschweißen oder dergleichen, bildbar ist.

1: Verbindungselement
2: Trägerplatte
3: Trägerplattenbohrung
4: erstes Bauteil
5: Verbindungsbereich
6: Haltenocken
7: Haltenocken
8: Federelement
9: Schraubenmutter
10: Bohrung (Schraubenmutter)
11: Oberseite (Trägerplatte)
12: Grundplatte (Schraubenmutter)
13: Unterseite (Trägerplatte)
14: Ausnehmung
15: Ausnehmung
16: zweites Bauteil
17: Schraubbolzen
18: Oberseite (erstes Bauteil)
19: Vorrichtung
20: Antriebseinheit
21: Spanneinrichtung
22: Führungszapfen
23: Pfeil
24: Pfeil
25: Pfeil
26: Linien
27: Bohrung (erstes Bauteil)
28: Unterseite (erstes Bauteil)

Claims

Verfahren zur Verbindung eines mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial, gebildeten ersten Bauteils (4) mit einem zweiten Bauteil (16) durch Aufbringen eines Verbindungselements (1) auf das erste Bauteil (4), wobei das Verbindungselement (1) eine mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildete Trägerplatte (2) mit einem Anbindungsmittel und einer Trägerplattenbohrung (3) aufweist, mit den folgenden Schritten: – Einbringen einer Bohrung (27) in das erste Bauteil (4), – Verschweißen der Trägerplatte (2) mit dem ersten Bauteil (4) und – Verbinden des ersten Bauteils (4) und des zweiten Bauteils (16) durch Einbringen eines am zweiten Bauteil (16) angeordneten Verbindungsmittels in das Anbindungsmittel.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einem duroplastischen Kunststoffmaterial gebildetes erstes Bauteil (4) vor dem Verschweißen mit der Trägerplatte (2) zumindest in einem Verbindungsbereich (5) mit einer Interfaceschicht, insbesondere mit einer Schicht aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen der Trägerplatte (2) mit dem ersten Bauteil (4) und das Einbringen der Bohrung (27) in das erste Bauteil (4) im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbindungsmittel erst nach dem Verschweißen der Trägerplatte (2) mit dem ersten Bauteil (4) in die Trägerplatte (2) eingebracht und in der Trägerplatte (2) befestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2) durch Reibschweißen mit dem ersten Bauteil (4) verschweißt wird.
Verbindungselement (1) zur Schaffung einer Verbindung nach Maßgabe des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer an einem ersten Bauteil (4) befestigbaren Trägerplatte (2) mit einer Trägerplattenbohrung (3) und einem in der Trägerplatte (2) aufnehmbaren Anbindungsmittel, das zum Einbringen eines an einem zweiten Bauteil (16) angeordneten Verbindungsmittels ausgebildet ist, um eine Verbindung mit dem zweiten Bauteil (16) herzustellen, wobei das erste Bauteil (4) mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2) mit dem ersten Bauteil (4) verschweißbar ausgebildet ist.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2) und/oder das Anbindungsmittel mit einem thermoplastischen und/oder mit einem duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet sind.
Verbindungselement (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2) und/oder das Anbindungsmittel eine Faserverstärkung aufweisen.
Verbindungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2) und/oder das Anbindungsmittel insbesondere mit einem Polyetheretherketon (PEEK) und/oder mit einem Polyetherimid (PEI) gebildet sind.
Verbindungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbindungsmittel in der Trägerplatte (2) herausnehmbar aufgenommen ist.
Verbindungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2) mindestens zwei, seitlich von der Trägerplattenbohrung (3) angeordnete Haltenocken (6, 7) mit jeweils einer Ausnehmung (14, 15) aufweist, wobei in den Ausnehmungen (14, 15) ein Befestigungsmittel, insbesondere ein Federelement (8) oder dergleichen, zur lösbaren Befestigung des Anbindungsmittels aufnehmbar ist.
Verbindungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbindungsmittel insbesondere eine Schraubenmutter (9) ist.
Verbindungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel insbesondere ein in die Schraubenmutter (9) einschraubbarer Schraubbolzen (17) zur Herstellung der festen Verbindung zwischen dem ersten (4) und dem zweiten Bauteil (16) ist.
Vorrichtung (19), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zur Schaffung einer Verbindung zwischen einem mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterial, gebildeten ersten Bauteil (4) und einem zweiten Bauteil (16) mittels eines Verbindungselements (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19) zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Bauteil (4) und dem Verbindungselement (1) ausgebildet ist.
Vorrichtung (19) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (19) eine Antriebseinheit (20) mit einer Spanneinrichtung (21) zur Aufnahme des Verbindungselements (1) aufweist.
Vorrichtung (19) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (21) durch die Antriebseinheit (20) in eine linear und/oder rotierend oszillierende Bewegung versetzbar ist, um eine Verschweißung zwischen der Trägerplatte (2) des Verbindungselements (1) und dem ersten Bauteil (4) zu erreichen.
Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (2). des Verbindungselements (1) mittels der Spanneinrichtung (21) mit einer definierten Andruckkraft auf eine Oberseite (18) des ersten Bauteils (4) andrückbar ist.
Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines im Bereich einer Unterseite (28) des ersten Bauteils (4) angeordneten Gegenhalters eine Deformation des ersten Bauteils (4) infolge der An druckkraft weitgehend vermieden wird.
Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (21) einen Führungszapfen (22) zur Führung und Zentrierung des Verbindungsmittels (1) während des Verschweißvorgangs in der Bohrung (27) im ersten Bauteil (4) aufweist.
Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungszapfen (22) zusätzlich als Bohreinrichtung zum Einbringen der Bohrung (27) in das erste Bauteil (4) während des Verschweißvorgangs ausgebildet ist.
Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz und/oder die Amplitude der von der Antriebseinheit (20) auf die Spanneinrichtung (21) vermittelten linear und/oder rotierend oszillierenden Bewegung mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung kontrollierbar ist.
Vorrichtung (19) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung mindestens einen Signalgeber, insbesondere zur Anzeige einer ordnungsgemäßen Beendigung des Verschweißvorgangs, aufweist.