DE102007040014A1 - Bauteilverbund und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Bei einem Bauteilverbund aus einem Kunststoffbauteil, einem Metallbauteil sowie einem metallischen Verbindungselement ist das Kunststoffbauteil an einer dem Metallbauteil benachbarten Verbindungsstelle mit einer Durchgangsöffnung versehen, das metallische Verbindungselement an der dem Metallbauteil abgewandten Seite an dem Kunststoffbauteil angeordnet und dieses mit dem Metallbauteil durch die Durchgangsöffnung des Kunststoffbauteils verschweißt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund aus einem Kunststoffbauteil, einem Metallbauteil sowie einem metallischen Verbindungselement, sowie ein Verfahren zu dessen Verbindung.
  • Aus dem Automobilbau ist es bekannt, Anbau- und Strukturteile der Karosserie – insbesondere bei sportlichen Fahrzeugen – aus Gewichtsgründen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) herzustellen. Für eine Verbindung derartiger Bauteile aus CFK oder einem anderen faserverstärktem Kunststoff sind besondere Fügetechniken erforderlich. Ein direktes Schweißen – bei der Herstellung von Fahrzeugkarosserien die gängigste Verbindungsmethode – ist aufgrund der nicht schweißbaren Materialkombination aus Kunststoff und Stahl nicht möglich. In der Regel erfolgt eine Verbindung daher mittels Kleben oder durch Nieten oder sonstige formschlüssige Verbindungselemente. Diese Fügverfahren sind jedoch mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Durch den hohen Zeitaufwand können mit diesen Fügverfahren lediglich lange Taktzeiten erzielt werden, so dass eine Integration in eine Großserienherstellung der Karosserien häufig verhindert wird.
  • Eine weiterhin bekannte Möglichkeit zur Verbindung von CFK-Anbau- oder Strukturteilen mit einer (Rest-)Karosserie aus Stahl besteht darin, an dem CFK-Anbauteil Adapterflansche aus Stahl vorab durch Kleben oder Nieten zu fixieren. Durch diese Ausgestaltung des CFK-Anbauteils wird grundsätzlich ein Verschweißen des Anbauteils mit der Restkarosserie aus Stahl ermöglicht, so dass das Fügen derartiger Karosserien in die Großserienherstellung integriert werden kann. Das Anbringen der Adapterflansche aus Stahl an das Anbauteil ist jedoch mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine wirtschaftlichere Verbindung eines Kunststoffbauteils mit einem Metallbauteil ermöglicht. Weiterhin soll ein entsprechender Bauteilverbund vorgeschlagen werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
  • Erfindungsgemäß ist ein Bauteilverbund aus einem Kunststoffbauteil, einem Metallbauteil sowie einem metallischen Verbindungselement vorgesehen, bei dem das Kunststoffbauteil an einer an dem Metallbauteil benachbarten Verbindungsstelle mit einer Durchgangsöffnung versehen ist und ein metallisches Verbindungselement an der dem Metallbauteil abgewandten Seite an dem Kunststoffbauteil angeordnet ist und wobei das Verbindungselement mit dem Metallbauteil durch die Durchgangsöffnungen des Kunststoffbauteils verschweißt ist.
  • Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden eines Kunststoffbauteils mit einem Metallbauteil sieht vor, das Kunststoffbauteil an einer an dem Metallbauteil benachbarten Verbindungsstelle mit einer Durchgangsöffnung zu versehen, ein metallisches Verbindungselement an der dem Metallbauteil abgewandten Seite an dem Kunststoffbauteil anzuordnen und das Verbindungselement mit dem Metallbauteil durch die Durchgangsöffnungen des Kunststoffbauteils zu verschweißen.
  • Die Erfindung ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Verbindung eines Kunststoffbauteils mit einem Metallbauteil mittels Schweißen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement formschlüssig mit dem Kunststoffbauteil verbunden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, dieses bis zum Abschluss des Verbindungsprozesses an dem Kunststoffbauteil fixieren zu müssen.
  • Besonders bevorzugt wird das Verbindungselement bereits bei der Herstellung des Kunststoffbauteils mit diesem formschlüssig verbunden. Dazu kann es mindestens eine Verbindungsöffnung aufweisen, die bei der Herstellung des Kunststoffbauteils von dem Werkstoff durchsetzt wird. Handelt es sich bei dem Kunststoffbauteil um ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, insbesondere ein CFK-Bauteil, so kann das Verbindungselement bereits mit dem Faserhalbzeug (z. B. Fasergewebe) – beispielsweise durch Kleben, Nieten, Spleißen, Verkrallen, etc. – verbunden werden. Bei dem nachfolgenden Einbetten des Faserhalbzeugs in eine Kunststoffmatrix kann das Verbindungselement dann zusätzlich eingebettet und formschlüssig fixiert werden. Zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen eignet sich beispielsweise das aus dem Stand der Technik bekannte RTM-Verfahren (das Resin Transfer Moulding Verfahren).
  • Das Verbindungselement kann weiterhin als Klammer ausgebildet sein, die das Kunststoffbauteil umgreift. Ein solches Verbindungselement ist sowohl in das Faserhalbzeug vor dem Herstellungsprozess des Kunststoffbauteils als auch danach in das fertige Kunststoffbauteil integrierbar. Die zweite dieser Alternativen ist aufgrund des geringeren Zusatzaufwands besonders vorteilhaft. Eine Haltewirkung des Verbindungselements kann in diesem Fall durch die Klemmwirkung des als Klammer ausgebildeten Verbindungselements erzielt werden. Insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung des Verbindungselements kann vorgesehen sein, beide Klammerhälften durch die Durchgangsöffnung des Kunststoffbauteils sowohl miteinander als auch mit dem Metallbauteil zu verschweißen. Es entsteht somit eine Schweißverbindung über drei metallischen Schichten.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Verbindungselement eine in die Durchgangsöffnung des Kunststoffbauteils eingreifende Vertiefung aufweist. Dies kann zum einen dazu dienen, das Verbindungselement zu zentrieren beziehungsweise zu fixieren. Weiterhin kann das Verbindungselement hierdurch gegen ein seitliches Verschieben gesichert werden. Weiterhin kann die Vertiefung auch dazu vorgesehen sein, einen direkten Kontakt mit dem Metallbauteil bzw. der zweiten Klammerhälfte herzustellen, so dass aufgrund der direkten elektrisch leitfähigen Verbindung eine gute Schweißbarkeit gegeben ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 die Einzelelemente eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds in einer ersten Ausführungsform,
  • 2 den Bauteilverbund der 1 während des Fügeprozesses,
  • 3: das in dem Bauteilverbund der 1 und 2 verwendete Verbindungselement in einer Seitenansicht und
  • 4 einen erfindungsgemäßen Bauteilverbund in einer zweiten Ausführungsform.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer Bauteilverbund in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Dieser umfasst ein Kunststoffbauteil, das als CFK-Bauteil 1 ausgeführt ist, ein Metallbauteil 2 aus Stahl sowie ein Verbindungs element, das ebenfalls aus Stahl und klammerförmig ausgebildet ist. Ebenfalls in der 1 ist eine Elektrode 4 einer ansonsten in ihren weiteren Details nicht dargestellten Schweißvorrichtung dargestellt.
  • Wie insbesondere der 3 entnommen werden kann, ist das Verbindungselement 3, das als Verbindungsklammer 3 ausgebildet ist, in einer der Klammerhälften mit einer kreisförmigen Vertiefung 5 versehen. Die kreisförmige Vertiefung 5 dient zum einen der Fixierung der Verbindungsklammer 3 an dem CFK-Bauteil, wobei die kreisförmige Vertiefung 5 in eine entsprechende Durchgangsöffnung 6 in dem CFK-Bauteil 1 eingreift. Hierdurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen der Verbindungsklammer 3 und dem CFK-Bauteil 1 erzielt. Wie sich weiterhin aus der 3 ergibt, wird durch die kreisförmige Vertiefung 5 eine direkte, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den zwei Klammerhälften erzeugt.
  • In 2 ist der Fügeprozess für den Bauteilverbund dargestellt. Hierzu wird die Verbindungsklammer 3 zunächst (elastisch) aufgebogen und auf das CFK-Bauteil 1 geschoben, bis die kreisförmige Vertiefung 5 der oberen Klammerhälfte in die Durchgangsöffnung 6 in dem CFK-Bauteil 1 einrastet. Daraufhin wird das CFK-Bauteil 1 über die Verbindungsklammer 3 mit dem Stahlbauteil 2 in Verbindung gebracht. Mittels der Schweißvorrichtung werden die drei Stahlschichten der Verbindungsklammer 3 sowie des Stahlbauteils 2 miteinander verschweißt. Durch das Verschweißen der drei Stahlschichten des Stahlbauteils 2 sowie der Verbindungsklammer 3 innerhalb der Durchgangsöffnung 6 des CFK-Bauteils 1, wird dieses – über die Verbindungsklammer 3 – mit dem Stahlbauteil 2 verbunden.
  • Die 4 zeigt in einer Draufsicht eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds. Anders als bei der Ausführungsform der 1 bis 3 ist das Verbindungselement in der Ausführungsform der 4 nicht als Verbindungsklammer ausgebildet, sondern es besteht aus einem mit zwei Vertiefungen 5' versehenen Verbindungsblech 3'. Das Verbindungs blech 3' wird bereits bei der Herstellung des CFK-Bauteils 1' formschlüssig in dieses integriert, indem Verbindungsöffnungen 7' in dem Verbindungsblech 3' von der Kunststoffmatrix des CfK-Bauteils 1' durchflutet werden. Hierdurch wird ein Formschluss zwischen dem CfK-Bauteil 1' und dem Verbindungsblech 3' erzeugt.
  • Das Fügen des in der 4 dargestellten Bauteilverbunds erfolgt im wesentlichen gemäß dem in der 2 dargestellten Verfahren, wobei jedoch das CFK-Bauteil 1' direkt an einem Stahlbauteil (nicht dargestellt) anliegt. Eine direkte, elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Verbindungselement 3' und dem Stahlbauteil wird wiederum dadurch erzielt, dass die Vertiefungen 5' des Verbindungselements 3' durch entsprechende Durchgangsöffnungen in dem CFK-Bauteil durchgreifen.

Claims (8)

  1. Bauteilverbund aus einem Kunststoffbauteil (1, 1'), einem Metallbauteil (2) sowie einem metallischen Verbindungselement (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (1, 1') an einer dem Metallbauteil (2) benachbarten Verbindungsstelle mit einer Durchgangsöffnung (6) versehen ist, das metallische Verbindungselement (3, 3') an der dem Metallbauteil (2) abgewandten Seite an dem Kunststoffbauteil (1, 1') angeordnet ist und dieses mit dem Metallbauteil (2) durch die Durchgangsöffnung (6) des Kunststoffbauteils (1, 1') verschweißt ist.
  2. Bauteilverbund gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3, 3') formschlüssig mit dem Kunststoffbauteil (1, 1') verbunden ist.
  3. Bauteilverbund gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3') mindestens eine von dem Werkstoff des Kunststoffbauteils (1') durchsetzte Verbindungsöffnung (7') aufweist
  4. Bauteilverbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) als Klammer ausgebildet ist, die das Kunststoffbauteil (1) umgreift, wobei beide Klammerhälften durch die Durchgangsöffnung des Kunststoffbauteils miteinander sowie mit dem Metallbauteil (2) verschweißt sind.
  5. Bauteilverbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3, 3') eine in die Durchgangsöffnung (6) des Kunststoffbauteils (1, 1') eingreifende Vertiefung (5) aufweist.
  6. Verfahren zur Verbindung eines Kunststoffbauteils (1, 1') mit einem Metallbauteil (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (1, 1') an einer an dem Metallbauteil (2) benachbarten Verbindungsstelle mit einer Durchgangsöffnung (6) versehen wird, ein metallisches Ver bindungselement (3, 3') zumindest an der dem Metallbauteil (2) abgewandten Seite an dem Kunststoffbauteil (1, 1') angeordnet wird und das Verbindungselement (3, 3') mit dem Metallbauteil (2) durch die Durchgangsöffnung (6) des Kunststoffbauteils (1, 1') verschweißt wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3, 3') formschlüssig mit dem Kunststoffbauteil (1, 1') verbunden wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3') mindestens eine Verbindungsöffnung (7') aufweist, die bei der Herstellung des Kunststoffbauteils (1') von dessen Werkstoff durchflutet wird.
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