DE102007016634A1

DE102007016634A1 - Fügeelement, Verbundstruktur und Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur

Info

Publication number: DE102007016634A1
Application number: DE200710016634
Authority: DE
Inventors: Andreas Haka; Tino KÜHN; Raik Grützner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2008-10-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeelement zum Verbinden von Bauteilen, insbesondere zum Fügen materialverschiedener Bauteile, von Schichtverbundbauteilen und/oder faserverstärkten Bauteilen und/oder homogenen Bauteilen, wie Bleche, Platten oder Profile, mit einem Fügeabschnitt, der sich in axialer Richtung des Fügeelementes erstreckt und auf seinem konischen Außenumfang eine Rillenanordnung aufweist, in der verdrängtes Material der Bauteile aufnehmbar ist. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbundstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeelement, eine Verbundstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur.
Insbesondere findet die vorliegende Erfindung Einsatz beim Fügen von metallischen oder nichtmetallischen, homogenen oder schicht- bzw. faserverstärkten Werkstoffen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bereiche der mechanischen Fügetechnik, bei denen ein Hilfsfügeteil benötigt wird, das entweder ohne Vorloch oder mit einem Vorloch gesetzt werden kann. Vor allem in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Schiffsbau werden diese preiswerten Fügeverfahren in der Serien- und Massenfertigung eingesetzt.
Bevorzugt kommen mechanische Nietverfahren zum Verbinden von sich überlappenden Bauteilen, insbesondere von metallischen Blechbauteilen, zum Einsatz. Beispielsweise wird beim Vollstanznieten ein zylindrisches Fügeelement im Überlappungsbereich zweier Bauteile zwischen einem Stempel und einer Matrize mit einer bestimmten Kraft durchgedrückt. Die Matrize ist dabei so ausgebildet, dass sich dem Stanzvorgang ein Fließpressvorgang anschließt, in dem sich eine Hinterschneidung am Fügeelement herausbildet.
Ein Nachteil bisheriger stanzender Nietverfahren ist die eingeschränkte Anwendbarkeit für Multimaterialkonzepte wie sie vor allem im strukturellen Leichtbau Anwendung finden. Bei metallischen Fügeelementen wirken sich im Mischbau besonders nachteilig die verschiedenen elektrochemischen Potentiale zwischen den Werkstoffen auf die Korrosionsbeständigkeit der Verbindungsstelle aus. Bisher übliche Nietverfahren führen in der Regel bei faserverstärkten Werkstoffen zum Brechen der Fasern im Fügestellenbereich, was eine Unter brechung in der Krafteinleitung in den Fügepartner, und ein zusätzliches Korrosionspotential hervorruft.
Aufgrund der teilweise ungünstigen Zugspannungsverhältnisse durch den Setzvorgang, erhöht sich in der Regel bei den bisherigen zylindrischen Niettypen im Bereich der Fügestelle das Rissstartpotential, wodurch ein Schwinganriss hervorgerufen werden kann, der zur Reduzierung des dynamischen Tragverhaltens führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fügeelement, eine Verbundstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur anzugeben, durch die die Rissanfälligkeit im Bereich der Verbindungsstelle reduziert werden kann. Insbesondere ist ein Fügeelement anzugeben, durch das geschichtete sowie ungeschichtete Fügepartner, sowie die Kombinationen aus beiden gefügt werden können, wobei Schichtwerkstoffe als inhomogen und ungeschichtete als homogen über den Fügequerschnitt aufgefasst werden. Das Fügeelement ist des Weiteren insbesondere geeignet Halbzeuge aus Faserverbunden jeweils mit sich selbst, bzw. mit oben bereits benannten Produkten zu verbinden.
Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fügeelement zum Verbinden von Bauteilen, insbesondere zum Fügen materialverschiedener Bauteile, von Schichtverbundbauteilen und/oder faserverstärkten Bauteilen und/oder homogenen Bauteilen, wie Blechen, Platten oder Profilen, mit einem Fügeabschnitt, der sich in axialer Richtung des Fügeelementes erstreckt und auf seinem konischen Außenumfang eine Rillenanordnung aufweist, in der verdrängtes Material der Bauteile aufnehmbar ist.
Aufgrund des konischen Außenumfanges reduziert das besagte Fügeelement die Rissanfälligkeit im Bereich der Verbindungsstelle des Bauteils, in das es eingesetzt wird. Material des zu fügenden Bauteils wird sukzessive radial verdrängt. Darüber hinaus führt der konische Außenumfang zu einer Verbesserung der Abdichtung der Verbindungsstelle. Durch die Rillenanordnung kann das im Setzvorgang elastisch und/oder plastisch verdrängte Material des Bauteils in den Bereich dieser Rillenanordnung eindringen, wodurch sich die Dichtwirkung des Fügeelementes weiter verbessert. Aufgrund des konischen Außenumfanges ist das Fügeelement für unterschiedliche Materialkombinationen, insbesondere für mehrlagige Bauteile oder Mischbauteile wie Schicht- und/oder Faserverbundwerkstoffe einsetzbar.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein sich verjüngender Querschnitt des Fügeabschnittes spiegelsymmetrisch zu zumindest einer Ebene, die sich in axialer Richtung erstreckt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein sich verjüngende Querschnitt des Fügeabschnittes rotationssymmetrisch um eine Zentralachse des Fügeelementes, die sich in axialer Richtung erstreckt.
Vorzugsweise weist der Fügeabschnitt eine konische, insbesondere kegelstumpfförmige Gestalt auf.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Rillenanordnung zumindest einen Rillenabschnitt auf, der in radialer Richtung des Fügeelementes verläuft. Hierdurch entsteht beim Setzvorgang ein Materialfluss des gefügten Bauteils in axialer Richtung des Fügeelementes, durch den eine Kopfzugbeanspruchbarkeit des Fügeelementes vergrößert wird.
Vorzugsweise bildet der Rillenabschnitt eine Ringnut. Durch die Ringnut wird ein gleichmäßiges Eindringen des verdrängten Materials in die Ringnut im gesamten Umfang des Fügeelementes ermöglicht.
Vorzugsweise weist das Fügeelement zur Steigerung der Scherzugfestigkeit der Verbindung einen speziellen Zwischensteg auf.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind axiale Abstände zwischen benachbarten Ringnuten unterschiedlich groß. Hierdurch ist es möglich, das Fügeelement auf unterschiedliche Bauteile, insbesondere Bauteile aus Schichtwerkstoffen mit unterschiedlichen Schichtdicken, abzustimmen.
Vorzugsweise weist der Rillenabschnitt einen Rillengrund und eine Lastflanke auf, durch die Material eines Wandabschnittes des in Anlage bringbaren Bauteiles in den Rillengrund pressbar ist.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel verjüngt sich der konische Außenumfang des Fügeabschnittes in Fügerichtung und ist bezüglich einer Zentralachse des Fügeelementes um einen ersten spitzen Winkel geneigt, und die Lastflanke weist eine Vorderseite auf, die in die Fügerichtung weist und bezüglich der Zentralachse des Fügeelementes um einen zweiten spitzen Winkel geneigt ist, wobei der zweite spitze Winkel gleich oder größer als der erste spitze Winkel ist. Durch diese Merkmale ist ein einfaches Einpressen des bevorzugten Fügeelementes in das zu fügende Bauteil, bzw. in ein Vorloch des zu fügenden Bauteiles möglich.
Weiterhin vorzugsweise weist die Lastflanke eine Rückseite auf, die entgegen der Fügerichtung weist und im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Zentralachse des Fügeelementes verläuft. Durch diese Gestaltung der Rückseite wird die Kopfzugbeanspruchbarkeit des Fügeelementes in der Verbindung weiter erhöht.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Kopfabschnitt vorgesehen, der in Fügerichtung in den Fügeabschnitt übergeht. Im Bereich dieses Kopfabschnittes lassen sich weitere funktionale Elemente vorsehen.
Vorzugsweise weist der Kopfabschnitt einen Aufnahmebereich mit einer definierten Innen- und/oder Außenkontur auf, und der Aufnahmebereich ist zumindest temporär mit einem weiteren Element in Eingriff bringbar. Beispielsweise lassen sich hier Innengewinde oder Bolzen mit Außengewinden vorsehen, bzw. montieren.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Querschnitt des Kopfabschnittes breiter als eine breiteste Stelle des konischen Fügeabschnittes. Durch einen so gestalteten Kopfabschnitt erhöht sich die Dichtwirkung des bevorzugten Füge-elementes.
Weiterhin vorzugsweise weist der Kopfabschnitt im Übergang zum Fügeabschnitt eine Anfasung auf. Diese Anfasung führt zu einem verbesserten Materialfluss des Bauteils im Kopfbereich der Fügestelle, wodurch die Rissanfälligkeit des Bauteiles weiter verringert wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel geht der Fügeabschnitt in Fügerichtung in einen Fußabschnitt über, der eine Schnittkante aufweist. Hierdurch ist es möglich, das bevorzugte Fügeelement in ein Bauteil ohne Vorloch einzupressen und den Aufwand zur Herstellung der Verbindung zu reduzieren.
Vorzugsweise geht der Fügeabschnitt in Fügerichtung in einen Fußabschnitt über, der eine Zentrierfase aufweist. Durch diese Zentrierfase erfolgt eine axialsymmetrische Positionierung des Fügeelementes in einem vorgelochten Bauteil, wodurch ein Verkanten verhindert wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Fügeelement aus einem Verbundwerkstoff. Der Verbundwerkstoff eröffnet Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung und zum Leichtbau des Fügeelementes.
Weiterhin vorzugsweise besteht das Fügeelement aus einem keramischen Werkstoff. Durch die isolierenden Eigenschaften des keramischen Werkstoffes wird verhindert, dass sich beispielsweise ein elektrochemisches Potential zwischen dem Fügeelement und dem damit verbundenen Bauteil aufbaut.
Vorzugsweise sind in den keramischen Werkstoffen Langfasern und/oder Kurzfasern und/oder Multifilamentfasern und/oder Whisker eingebettet. Durch die Fasern erhöht sich insbesondere die Kopfzugbeanspruchbarkeit des Fügeelementes und damit die Beanspruchbarkeit der Verbindungsstelle.
Weiterhin vorzugsweise weisen die eingebetteten Langfasern, Kurzfasern, Multifilamentfasern und/oder Whisker Verbindungen aus Asbest und/oder Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid-verstärktem Zirkoniumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder Aluminiumoxid und/oder Kohlenstoff und/oder Tantal und/oder Hafnium und/oder Titan und/oder Wolfram und/oder Thorium und/oder Molybdän auf.
Weiterhin vorzugsweise weist der keramische Werkstoff partikel- oder plättchenförmige Komponenten auf Carbid-, Nitrid-, Bond- und/oder Oxid-Basis auf.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch eine Verbundstruktur, aufweisend zumindest ein Fügeelement nach zumindest einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele und zumindest ein Bauteil mit einem Loch, mit dessen Wandabschnitt sich der Fügeabschnitt des Fügeelementes in Anlage befindet und Material des Bauteiles verdrängt. Zum Einen ist in einer derartigen Verbundstruktur die Rissanfälligkeit der Verbin dungsstelle verringert und zum anderen wird durch den Verdrängungseffekt der Setzvorgang nach Einbringen des Fügeelementes begünstigt.
Vorzugsweise besteht das Bauteil zumindest aus einem Schicht- und/oder Faserverbundwerkstoff. Durch diese Werkstoffwahl wird eine leichtgewichtige und zugleich hoch beanspruchbare Verbundstruktur erreicht.
Weiterhin vorzugsweise entspricht eine Breite des Rillenabschnittes oder der Ringnut des Fügeelementes im Wesentlichen einer Schichtdicke des Schichtstoffes. Wenn die entsprechend dicke Werkstoffschicht in den Rillenabschnitt oder die Ringnut eindringt, wird die Abdichtwirkung und die Kopfzugbeanspruchbarkeit der gesamten Verbundstruktur weiter erhöht.
Weiterhin vorzugsweise sind zumindest zwei Bauteile, die eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen, mit dem Fügeelement gefügt, und der Fügeabschnitt des Fügeelementes im Bereich der gemeinsamen Kontaktfläche der zwei Bauteile weist einen stegförmigen Abschnitt auf, der benachbarte Rillenabschnitte oder Ringnuten voneinander trennt. Im Bereich der gemeinsamen Kontaktfläche der benachbarten, gefügten Bauteile wird die Scherzugfestigkeit der Verbundstruktur erhöht und die Kerbempfindlichkeit des Füge-elementes im Bereich der gemeinsamen Kontaktflächen der zwei Bauteile verringert.
Die vorgenannte Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur, insbesondere nach zumindest einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele, wobei ein Fügeelement nach zumindest einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele in ein Bauteil eingepresst wird, wobei Material des Bauteiles verdrängt wird und das Fügeelement mit dem Bauteil kraft- und/oder formschlüssig verbunden wird. Diese Verpressung des Fügeelementes mit dem Bauteil bewirkt eine hohe Selbsthemmung des Fügeelementes gegenüber dem Bauteil, wodurch sich die Kopfzugbeanspruchbarkeit der gesamten Verbundstruktur erhöht.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines Fügeelementes,
2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des Fügeelementes mit einem Kopfabschnitt,
3 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispieles des Fügeelementes mit einem Aufnahmebereich mit definierter Innenkontur,
4 eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispieles eines Fügeelementes mit einem Aufnahmebereich mit definierter Außenkontur,
5 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles, in dem das Fügeelement mit einem Fügestempel eingepresst wird, und
6 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles, in dem das Fügeelement mit einem Bauteil aus Schichtwerkstoffen in Eingriff ist.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele des Fügeelementes beschrieben, wobei die jeweiligen Merkmale, soweit nicht anders erläutert, in sämtlichen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein können, bzw. vorzugsweise vorgesehen sind. Verwendete relative Orts- und Richtungsangaben wie beispielsweise oben, unten, rechts, links beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren.
In 1 ist eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines Fügeelementes 3 gezeigt. Das Fügeelement 3 verbindet ein oberes Bauteil 1a mit einem unteren Bauteil 1b. Jedoch ist es auch denkbar, dass das Fügeelement 3 nur mit einem Bauteil 2 verbunden ist, wie dies in 6 gezeigt ist. Insgesamt ist es möglich, dass eine Verbundstruktur nur aus dem Fügeelement 3 und dem Bauteil besteht oder zwei oder mehr Bauteile aufweist, die durch das Fügeelement 3 miteinander verbunden werden.
Bei den besagten Bauteilen 1a, 1b, 2 kann es sich um Mischbauteile, d. h. um geschichtete oder ungeschichtete Fügepartner handeln, sowie um Kombinationen aus geschichteten und ungeschichteten Fügepartnern. Schichtwerkstoffe werden als inhomogen über ihren Füge querschnitt aufgefasst, während ungeschichtete Werkstoffe eine homogene Struktur haben. Ebenso können die Fügepartner aus Faserverbundwerkstoffen bestehen, die mit sich selbst, bzw. mit zuvor benannten Werkstoffen durch das Fügeelement 3 verbunden werden. Generell kann es sich bei den Fügepartnern auch um Bleche, Platten und Profile handeln, sowie um Kombinationen mit zuvor genannten Fügepartnern.
Das Fügeelement 3 weist einen Fügeabschnitt 4 auf, der sich in einer axialen Richtung des Fügeelementes 3 erstreckt. Wie in 1 gezeigt, befindet sich in der Verbundstruktur eine Oberfläche des Fügeabschnittes 4 in Anlage mit entsprechenden Wandabschnitten der zwei Bauteile 1a, 1b, wobei Material der Bauteile 1a, 1b verdrängt wird. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Fügerichtung, in der sich ein Querschnitt des Fügeabschnittes 4 über die gesamte Länge des Fügeabschnittes 4 verjüngt. Die Fügerichtung 5 des Fügeelementes 3 verläuft in axialer Richtung desselben. Beim Einpressen des Fügeelementes 3 entlang dieser Richtung entsteht die Verbundstruktur, bestehend aus dem Fügeelement 3 und den beiden Bauteilen 1a, 1b.
Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Zentralachse des Fügeelementes 3, die die axiale Richtung desselben definiert. Vorzugsweise ist der sich verjüngende Querschnitt des Fügeabschnittes 4 spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, beispielsweise der Zeichenebene der dargestellten Figuren, wobei die Zentralachse 6 über ihre gesamte Länge in der besagten Ebene liegt. Weiterhin vorzugsweise ist der sich verjüngende Querschnitt rotationssymmetrisch um die Zentralachse 6 des Fügeelementes 3. Die zuvor beschriebenen Symmetrien mögen nur für den Fügeabschnitt 4 gelten, beziehen sich vorzugsweise aber auf das gesamte Fügeelement 3.
Bezogen auf die Zentralachse 6 hat das gesamte Fügeelement 3 des Ausführungsbeispieles, vorzugsweise zumindest jedoch der Fügeabschnitt 4, in radialer Richtung einen runden Querschnitt. Der Fügeabschnitt 4 hat eine konische, vorzugsweise kegelstumpfförmige Form, so dass der Querschnitt die Form eines Trapezes hat. In Abhängigkeit von der konkreten Fügesituation ist es jedoch auch vorteilhaft, dass sich der Fügeabschnitt 4 in axialer Richtung unterschiedlich stark und mit unterschiedlichen Winkeln bezüglich der Zentralachse 6 verjüngt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich des sich verjüngenden Querschnittes mehrere Rillenabschnitte 7 vorgesehen, die entlang der Oberfläche des Fügeabschnittes 4, vorzugsweise in radialer Richtung des Fügeelementes 3 verlaufen. Wenn die Rillenabschnitte 7 in radialer Richtung des Fügeelementes 3 komplett umlaufen, bilden sie Ringnuten 8, die für eine gleichmäßige Verteilung der auftretenden Kräfte über die gesamte Mantelfläche des Fügeabschnittes 4 sorgen.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl Rillen- bzw. Nuttiefen, als auch Abstände zwischen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw. benachbarten Ringnuten 8 gleich groß. Jedoch ist es denkbar, Rillen- bzw. Nuttiefen und/oder die Abstände zwischen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw. Ringnuten 8 variabel zu gestalten. Auch ist es denkbar, dass sich die Geometrie der Querschnitte der Rillenabschnitte 7 bzw. der Ringnuten 8 in axialer Richtung des Fügeabschnittes 4, d. h. in Richtung der Verjüngung desselben verändert. Zwar zeigen die dargestellten Ausführungsbeispiele einen sich kontinuierlich verjüngenden Querschnitt des Fügeabschnittes 4.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Fügeelementes 3 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Fügeelement 3 einen speziell ausgebildeten Kopfabschnitt 12 auf. Der Kopfabschnitt 12 geht in axialer Richtung in den Fügeabschnitt 4 über. Vorzugsweise ist ein Querschnitt des Kopfabschnitts 12 breiter als eine breiteste Stelle des sich verjüngenden Fügeabschnittes 4.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Kopfabschnitt 12 im Übergang zum Fügeabschnitt 4 eine Anfasung 14 aufweist, wodurch der Materialfluss des oberen Bauteils 1a im Übergangsbereich zwischen dem Fügeabschnitt 4 und dem Kopfabschnitt 12 begünstigt wird. Hierdurch wird die Rissanfälligkeit in diesem Bereich verringert. Verschiedene Außenkonturen des Kopfabschnittes sind denkbar, beispielsweise trapezoide, kegelförmige, zylinderförmige oder pilzförmige Oberflächen. Durch den Kopfabschnitt 12 wird die Abdichtwirkung des Fügeelementes 3 weiter verbessert. Jedoch ist es ebenso denkbar, dass das Fügeelement 3 keinen speziell ausgebildeten Kopfabschnitt 12 aufweist.
Des Weiteren unterscheidet sich das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen stegförmigen Abschnitt 11, der sich als Zwischensteg zwischen zwei benachbarten Rillenabschnitten 7, bzw. Ringnuten 8 befin det. Generell bezeichnet das Merkmal des stegförmigen Abschnittes 11 einen Abstand zwischen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw. Ringnuten 8, der größer ist als die übrigen Abstände zwischen den anderen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw. Ringnuten 8. Der Abschnitt zwischen den Rillenabschnitten 7 bzw. den Ringnuten 8 ist in 2 variabel und den zu verbindenden Bauteilen 1a, 1b angepasst. Diese Bauteile 1a, 1b weisen eine gemeinsame Kontaktfläche auf. Idealerweise umläuft der stegförmige Abschnitt 11 die gesamte Mantelfläche des Fügeabschnittes 4.
In der dargestellten Verbundstruktur befindet sich im Bereich der gemeinsamen Kontaktfläche der beiden Bauteile 1a, 1b der besagte stegförmige Abschnitt 11 des Fügeelementes 3. Durch den stegförmigen Abschnitt 11 erhöht sich die Scherzugfestigkeit der Verbundstruktur, indem die Kerbempfindlichkeit des Fügeelementes 3 im Bereich der Kontaktfläche der beiden Bauteile 1a, 1b verringert wird. Vorzugsweise wird der stegförmige Abschnitt 11 durch das Weglassen eines Rillenabschnittes 7 bzw. einer Ringnut 8 gebildet. Es ist jedoch auch denkbar, in diesem Bereich zusätzlich Material auf die Mantelfläche des Fügeabschnittes 4 aufzutragen.
Vorzugsweise entspricht der Abstand von der Mitte des stegförmigen Abschnittes 11 zum jeweiligen Ende des Fügeabschnittes 4, beispielsweise zum Kopfabschnitt 12 oder zum Fußabschnitt 15, auf den gesondert eingegangen wird, jeweils der Dicke des gefügten bzw. zu fügenden Bauteils 1a, 1b, 2. Wenn mehr als zwei Bauteile verbunden werden sollen, entspricht die Bauteildicke von Bauteilen, die zwischen den äußeren Bauteilen liegen, vorzugsweise den Abständen zwischen benachbarten stegförmigen Abschnitten 11. Die Struktur der Rillenabschnitte 7 bzw. der Ringnuten 8 wird dementsprechend auf verschiedene Bauteildicken in der Verbundstruktur angepasst.
In den 3 und 4 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele von Fügeelementen 3 gezeigt. Beide weisen ebenfalls stegförmige Abschnitte 11 auf. Jedoch ist es auch denkbar, dass die Abstände aller benachbarten Rillenabschnitte 7 bzw. Ringnuten 8 gleichmäßig sind. In 3 weist der Kopfabschnitt 12 des Fügeelementes 3 einen Aufnahmebereich 13 mit einer definierten Innenkontur auf. Dieses Aufnahmeelement 12 erfüllt die Aufgabe eines Lasteinleitungs- oder Funktionselementes und weist hierzu beispielsweise ein Innengewinde auf, um weitere Elemente zumindest temporär mit dem Fügeelement 3 zu verbinden.
Ebenso ist es möglich, dass der Aufnahmebereich 13 eine definierte Außenkontur aufweist, beispielsweise als Bolzen mit einem Außengewinde, wie dies in 4 gezeigt ist.
In 5 ist eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles gezeigt, in dem das Fügeelement 3 mit einem Fügestempel 17 in die Bauteile 1a, 1b eingepresst wird. Die dargestellte Fügevorrichtung weist hierzu neben dem Fügestempel 17 auch einen Niederhalter 18 auf, um das obere Bauteil 1a während des Fügevorganges auf das untere Bauteil 1b zu drücken. Durch eine Vorschubbewegung des Fügestempels 17 wird das Fügeelement 3 bzw. der Fügeabschnitt 4 in die Bauteile 1a, 1b eingepresst, wobei Material der Bauiteile/des Bauteils elastisch und/oder plastisch radial verdrängt wird.
Zur Vorbereitung des Fügevorganges ist es denkbar, zumindest eines der Bauteile mit einem Vorloch zu versehen, dessen Durchmesser deutlich geringer ist, als ein Außendurchmesser des Fügeabschnittes 4 in dem betreffenden Bereich nach Abschluss des Fügevorganges. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn ein Fußabschnitt 15, in den der Fügeabschnitt 4 in Fügerichtung 5 übergeht, eine Zentrierfase (nicht gezeigt) aufweist, um das Fügeelement 3 in dem Vorloch zu zentrieren. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn alle zu fügenden Bauteile vorgelocht werden.
Jedoch ist es ebenso denkbar, dass keines der Bauteile ein Vorloch aufweist. Hierbei ist es dann insbesondere vorteilhaft, wenn der Fußabschnitt 15 eine Schnittkante 16 besitzt, mit der sich das Fügeelement 3 unter Druckbeaufschlagung durch den Fügestempel 17 durch die Bauteile schneidet.
Darüber hinaus weist die Fügevorrichtung eine optionale Matrize 19 mit einer Aussparung, durch die der Fußabschnitt 15 beim Fügevorgang hindurchtritt, auf. Jedoch ist es auch denkbar, einen flächigen und aussparungsfreien Gegenhalter, bzw. eine Matrize ohne Konturierung zu verwenden. Hierdurch werden Abdrücke auf der Unterseite des mit der Matrize in Anlage befindlichen, zu fügenden Bauteiles 1b vermieden und die Oberflächenqualität gesteigert.
Ein flächiger und aussparungsfreier Gegenhalter bietet sich an, wenn das oder die zu fügenden Bauteile ein Vorloch aufweisen, da in diesem Fall keine Stanzbutze durch die Aussparung der Matrize 19 abgeführt werden muss. Deshalb ist letztgenanntes Verfahren mit einer flächigen und aussparungsfreien Matrize sowie vorgelochten Bauteilen besonders geeignet, hochwertige Verbindungen beispielsweise für die Luftfahrtindustrie herzustellen. Durch die nicht dargestellte Zentrierfase erfolgt eine axialsymmetrische Positionierung des Fügeelementes 3 im vorgelochten Bauteil 1a, 1b, 2. Hierzu kann die Zentrierfase beispielsweise abgerundet ausgeführt sein. Jedoch sind auch Zentrierkanten denkbar, die allerdings weniger schart als entsprechende Schnittkanten ausgebildet sind.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Fügeelement 3 mit einem Bauteil 2 aus Schichtwerkstoffen 20, 21 in Eingriff ist. Hierbei kann es sich jedoch auch um eine Detaildarstellung vorhergenannter Ausführungsbeispiele handeln. Der Rillenabschnitt 7, bzw. analog dazu die Ringnut 8, weist einen Rillengrund 9 auf, der in eine Lastflanke 10 übergeht. Durch die Lastflanke 10 wird Material des Wandabschnittes des in Anlage befindlichen Bauteils 1a, 1b, 2 in den Rillengrund 9 gepresst.
Der sich verjüngende Querschnitt des Fügeabschnittes 4 weist eine Kante auf, die bezüglich der Zentralachse 6 des Fügeelementes 3 um einen ersten spitzen Winkel geneigt ist. Die Lastflanke 10 weist eine Vorderseite 10a auf, die in die Fügerichtung 5 weist und bezüglich der Zentralachse 6 des Fügeelementes 3 um einen zweiten spitzen Winkel geneigt ist. Vorzugsweise ist der zweite spitze Winkel gleich oder größer als der erste spitze Winkel. Die Lastflanke 10 weist ferner eine Rückseite 10b auf, die entgegen der Fügerichtung 5 weist und vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig zu der Zentralachse 6 des Fügeelementes 3 verläuft. Hierdurch werden die Kopfzugeigenschaften des Fügeelementes 3 verbessert. Bei Zugbeanspruchung der Verbundstruktur erfolgt ein zusätzliches Verhaken und Verpressen der Lastflanken 10 mit den angrenzenden Bauteilen 1a, 1b, 2, wodurch die Verbundstruktur nicht nur formschlüssige, sondern auch kraftschlüssige Verbindungseigenschaften aufweist.
Insbesondere fließt während des Setzvorganges Material des Bauteiles 1a, 1b, 2 in den Rillengrund 9 ein. Bei der Verbundstruktur ist es daher vorteilhaft, wenn eine Breite des jeweiligen Rillenabschnittes 7 bzw. der Ringnut 8 im Wesentlichen einer Schichtdicke des Schichtwerkstoffes 20, 21 entspricht. Bei dem ersten Schichtwerkstoff 20 kann es sich beispielsweise um eine Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung handeln. Bei dem zweiten Schichtwerkstoff 21 kann es sich beispielsweise um eine Glasfaser- oder Kohlefaserschicht handeln.
Generell kann das Fügeelement 3 durch urformende oder umformende Verfahren hergestellt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit zur spanenden Herstellung desselben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Fügeelement 3 durch ein Sinterverfahren oder ein sinterähnliches Verfahren hergestellt wird. Durch vor- und/oder nachgelagerte Wärmebehandlungs- und/oder Beschichtungsverfahren wird die Festigkeit und/oder die Korosionsbeständigkeit des Fügeelementes 3 vorzugsweise verbessert. Generell kann die Form des Fügeelementes 3 die Form eines konusförmigen Nagels, Stiftes, Schließringbolzens oder auch eines Stanz- bzw. Blindniets aufweisen.
Neben der Herstellung des Fügeelementes 3 aus metallischen Werkstoffen ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Fügeelement 3 aus einem Verbundwerkstoff bzw. einem keramischen Werkstoff besteht. Der Aufbau kann sowohl homogen als auch inhomogen sein. Beispielsweise werden in den keramischen Werkstoff Langfasern und/oder Kurzfasern und/oder Multifilamentfasern und/oder Whisker eingebettet. Vorzugsweise bestehen die eingebetteten Fasern aus Asbest und/oder Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxidverstärktem Zirkoniumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder Aluminiumoxid und/oder Kohlenstoff und/oder Tantal und/oder Hafnium und/oder Titan und/oder Wolfram und/oder Thorium und/oder Molybdän bzw. aus Verbindungen, die diese Bestandteile aufweisen. Darüber hinaus ist es ebenso vorteilhaft, wenn der keramische Werkstoff partikel- oder plättchenförmige Komponenten auf Carbid-, Nitrid-, Bond-, und/oder Oxid-Basis aufweist.
Die konische Form des Fügeabschnittes 4 in den beschriebenen Ausführungsbeispielen bewirkt während des Setzvorganges ein sukzessives radiales Verdrängen des Materials der zu fügenden Bauteile 1a, 1b, 2 bei gleichzeitiger Erhöhung der radialen Flächenpressung in diesen Bereichen. Diese Verpressung verbessert insbesondere auch die Abdichtwirkung des Fügeelementes 3 gegenüber den besagten Bauteilen 1a, 1b, 2.
Ebenso bewirkt die radiale Verpressung des Fügeelementes 3 eine entsprechend hohe Selbsthemmung des Fügeelementes 3 gegenüber den gefügten Bauteilen 1a, 1b, 2, wodurch die Kopfzugbeanspruchbarkeit der gesamten Verbundstruktur erhöht wird. Die zusätzliche radiale Kraftkomponente führt durch Erhöhung der Druckkräfte auf die gefügten Bauteile 1a, 1b, 2 zur Reduzierung der Rissanfälligkeit, speziell bei Schicht- und/oder Faserverbundwerkstoffen im Bereich der Fügestelle.
Zusammenfassend sind die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele des Fügeelementes 3 aufgrund ihrer konischen Form besonders geeignet, um Mehrschichtverbunde und faserverstärkte Werkstoffe zu fügen/verbinden. Durch Rillenabschnitte 7, die speziell auf die einzelnen Schichten der Schicht- und Faserverbundwerkstoffe abgestimmt sind, kann das verdrängte Material aufgenommen werden. Vorzugsweise nehmen die Rillenabschnitte 7 zum Kopfabschnitt 12 hin ab, da auch die Werkstoffspannungen nach „oben" abnehmen.
Das Fügeelement 3 kann sowohl als Funktionselement als auch als Krafteinleitungselement fungieren. Es kann mit oder ohne Vorloch im Fügepartner/in den Fügepartnern verwendet werden. Vorzugsweise ist das Fügeelement 3 aus Keramik zur Vermeidung von Korrosion, und zur Steigerung der Festigkeit des Fügeelementes 3 kann es auch mit verschiedenen Fasern verstärkt werden. Durch einen stegförmigen Abschnitt 11/Zwischensteg können auftretende Scherzugbeanspruchung abgefangen werden.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen ein Fügeelement, insbesondere zum Fügen von mehrlagigen Bauteilen, aufweisend einen Fügeabschnitt 4, der sich in axialer Richtung des Fügeelementes 3 erstreckt und mit einem Wandabschnitt zumindest eines Bauteils 1a, 1b, 2 in materialverdrängende Anlage bringbar ist, wobei der Fügeabschnitt 4 einen sich in Fügerichtung 5 verjüngenden Querschnitt aufweist, der sich in axialer Richtung über eine gesamte Länge des Fügeabschnittes 4 erstreckt. Ebenso betreffen die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Verbundstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbundstruktur.

Claims

Fügeelement zum Verbinden von Bauteilen, insbesondere zum Fügen materialverschiedener Bauteile, von Schichtverbundbauteilen und/oder faserverstärkten Bauteilen und/oder homogenen Bauteilen, wie Blechen, Platten oder Profilen, mit einem Fügeabschnitt (4), der sich in axialer Richtung des Fügeelementes (3) erstreckt und auf seinem konischen Außenumfang eine Rillenanordnung aufweist, in der verdrängtes Material der Bauteile aufnehmbar ist.
Fügeelement nach Anspruch 1, wobei ein sich verjüngender Querschnitt des Fügeabschnittes (4) spiegelsymgmetrisch zu zumindest einer Ebene ist, die sich in axialer Richtung erstreckt.
Fügeelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein sich verjüngende Querschnitt des Fügeabschnittes (4) rotationssymmetrisch um eine Zentralachse (6) des Fügelementes (3) ist, die sich in axialer Richtung erstreckt.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Fügeabschnitt (4) eine konische, insbesondere kegelstumpfförmige Gestalt aufweist.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rillenanordnung zumindest einen Rillenabschnitt (7) aufweist, der in radialer Richtung des Fügeelementes (3) verläuft.
Fügeelement nach Anspruch 5, wobei der Rillenabschnitt (7) eine Ringnut (8) bildet.
Fügeelement nach Anspruch 6, wobei axiale Abstände zwischen benachbarten Ringnuten (8) unterschiedliche groß sind.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Rillenabschnitt (7) einen Rillengrund (9) und eine Lastflanke (10) aufweist, durch die Material eines Wandabschnittes des in Anlage bringbaren Bauteiles (1a, 1b, 2) in den Rillengrund (9) pressbar ist.
Fügeelement nach Anspruch 8, wobei der konische Außenumfang des Fügeabschnittes (4) sich in Fügerichtung (5) verjüngt und bezüglich einer Zentralachse (6) des Fügeelementes (3) um einen ersten spitzen Winkel geneigt ist, und die Lastflanke (10) eine Vorderseite (10a) aufweist, die in die Fügerichtung (5) weist und bezüglich der Zentralachse (6) des Fügeelementes (3) um einen zweiten spitzen Winkel geneigt ist, wobei der zweite spitze Winkel gleich oder größer als der erste spitze Winkel ist.
Fügeelement nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Lastflanke (10) eine Rückseite (10b) aufweist, die entgegen der Fügerichtung (5) weist und im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Zentralachse (6) des Fügeelementes (3) verläuft.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Kopfabschnitt (12) vorgesehen ist, der in Fügerichtung (5) in den Fügeabschnitt (4) übergeht.
Fügeelement nach Anspruch 11, wobei der Kopfabschnitt (12) eine Aufnahmebereich (13) mit einer definierten Innen- und/oder Außenkontur aufweist, und der Aufnahmebereich (13) zumindest temporär mit einem weiteren Element in Eingriff bringbar ist.
Fügeelement nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Querschnitt des Kopfabschnittes (12) breiter ist als eine breiteste Stelle des konischen Fügeabschnittes (4).
Fügeelement nach Anspruch 13, wobei der Kopfabschnitt (12) im Übergang zum Fügeabschnitt (4) eine Anfasung (14) aufweist.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Fügeabschnitt (4) in Fügerichtung (5) in einen Fussabschnitt (15) übergeht, der eine Schnittkante (16) aufweist.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Fügeabschnitt (4) in Fügerichtung (5) in einen Fussabschnitt (15) übergeht, der eine Zentrierfase aufweist.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Fügeelement (3) aus einem Verbundwerkstoff besteht.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Fügeelement (3) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Fügeelement nach Anspruch 18, wobei in den keramischen Werkstoff Langfasern und/oder Kurzfasern und/oder Multifilamentfasern und/oder Whisker eingebettet sind.
Fügeelement nach Anspruch 19, wobei die eingebetteten Langfasern, Kurzfasern, Multifilamentfasern und/oder Whisker Verbindungen aus Asbest und/oder Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid-verstärkem Zirkoniumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder Aluminiumoxid und/oder Kohlenstoff und/oder Tantal und/oder Hafnium und/oder Titan und/oder Wolfram und/oder Thorium und/oder Molybdän aufweisen.
Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der keramische Werkstoff partikel- oder plättchenförmige Komponenten auf Carbid-, Nitrid-, Bond-, und/oder Oxid-Basis aufweist.
Verbundstruktur, aufweisend zumindest ein Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 und zumindest ein Bauteil (1a, 1b, 2) mit einem Loch, mit dessen Wandabschnitt sich der Fügeabschnitt (4) des Fügeelementes (3) in Anlage befindet und Material des Bauteiles (1a, 1b, 2) verdrängt.
Verbundstruktur nach Anspruch 22, wobei das Bauteil (1a, 1b, 2) zumindest aus einem Schicht- und/oder Faserverbundwerkstoff besteht.
Verbundstruktur nach Anspruch 23, wobei eine Breite des Rillenabschnittes (7) oder der Ringnut (8) des Fügeelementes (3) im Wesentlichen einer Schichtdicke des Schichtwerkstoffes (20, 21) entspricht.
Verbundstruktur nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei zumindest zwei Bauteile (1a, 1b), die eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen, mit dem Fügeelement (3) gefügt sind, und der Fügeabschnitt (4) des Fügeelementes (3) im Bereich der gemeinsamen Kontaktfläche der zwei Bauteile (1a, 1b) einen stegförmigen Abschnitt (11) aufweist, der benachbarte Rillenabschnitte (7) oder Ringnuten (8) voneinander trennt.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur, insbesondere nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei ein Fügeelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 in ein Bauteil (1a, 1b, 2) eingepresst wird, wobei Material des Bauteiles (1a, 1b, 2) verdrängt wird und das Fügeelement (3) mit dem Bauteil (1a, 1b, 2) kraft- und/oder formschlüssig verbunden wird.