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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer überlappenden Hybridverbindung
von zwei oder mehr Bauteilen.
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Derartige
Verfahren sind insbesondere aus dem Flugzeugbau bekannt. Eine Hybridverbindung wird
hier durch Kleben und mechanisches punktförmiges Fügen zweier Fügepartner
charakterisiert, wobei die Klebeschicht im Bereich der mechanischen Fügepunkte
angeordnet ist. Problematisch bei herkömmlichen Hybridverbindungsverfahren
ist das korrekte Einstellen einer gleichmäßigen Klebstoffschichtdicke,
welche bei Belastung durch die mechanischen Fügeverbindungen selbst unverändert bleiben
sollte.
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In
einem bekannten Hybridfügeverfahren
bei dem gleichzeitig geklebt und genietet wird, werden zum Einstellen
der Dicke einer Klebstoffschicht zwischen den zwei zu fügenden Teilen
beispielsweise dem verwendeten Klebstoff Glaskugeln mit einem vorbestimmten
Durchmesser beigemengt, die ein Unterschreiten einer dem Durchmesser
entsprechenden Mindestdicke der Klebstoffschicht verhindern. Bei
diesem Verfahren werden aufgrund der Nietverbindung und der damit
verbundenen hohen Presskraft in der Umgebung der Nieten die verwendeten
Glaskugeln in die jeweilige Oberflächenbeschichtung der Fügepartner
gepresst, wodurch sowohl die Oberflächenbeschichtung als auch ein
Teil der Glaskugeln zerstört
werden, so dass die erreichbare Präzision dieses Verfahren nicht
gesichert ist.
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Andere
Verfahren mit gleichzeitiger Klebe- und Nietverbindung sehen vor,
zunächst
die Fügepartner
miteinander zu verkleben, um anschließend nach dem Aushärtevorgang
des Klebstoffs die Nietverbindung herzustellen. Zum Einstellen einer
definierten Klebstoffschichtdicke werden die Fügepartner nach dem Auftragen
der Klebstoffschicht in Vorrichtungen eingespannt und dort bis zum
Aushärten fixiert.
Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist die längere Prozesszeit, da das Einspannen
der Fügepartner
aufwändig
ist und weiterhin auf das Aushärten
des Klebstoffs gewartet werden muss.
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In
einem weiteren bekannten Verfahren mit gleichzeitiger Klebe- und
Nietverbindung wird die Schichtdicke eines Klebstoffs zwischen zwei
Fügepartnern
durch die Viskosität
des Klebstoffs eingestellt. Dabei werden nach Auftragen der Klebstoffschicht
die Nietbohrungen hergestellt und die Fügepartner bei noch nicht ausgehärteter Klebstoffschicht miteinander
vernietet. Aufgrund der durch das Nieten hervorgerufenen Presskraft
quillt Klebstoff aus dem Zwischenraum zwischen den Fügepartnern
heraus, wobei eine durch die Viskosität des Klebstoffs vorbestimmbare
Schichtdicke des Klebstoffs dort verbleibt. Üblicherweise ist die durch
ein solches Verfahren erreichte Schichtdicke für eine mechanisch ausreichende
Verklebung zu gering und der Klebstoff wird außerdem nicht vollständig gleichmäßig verteilt.
Lokal bilden sich Klebstoffanhäufungen
oder Leerräume
(sog. „Taschen") aus.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist demnach, einen oder mehrere der vorangehend
geschilderten Nachteile zu verringern oder zu eliminieren. Insbesondere
ist Aufgabe der Erfindung, ein Hybridfügeverfahren vorzuschlagen,
bei dem eine definierte Klebstoffschichtdicke zuverlässig und
gleichmäßig eingestellt
werden kann, ohne dass der aufgebrachte Klebstoff vor dem Anbringen
der mechanischen punktförmigen
Fügeverbindung
aushärten
muss und ohne dass die Klebstoffschichtdicke nach dem Anbringen
der mechanischen punktförmigen
Fügeverbindung
verändert
wird.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:
- – Gezieltes
Abtragen von Material von einem oder mehr der Bauteile oder Auftragen
von Material auf eines oder mehr der Bauteile im Bereich der herzustellenden Überlappung
zum Ausbilden von einem oder mehreren Vorsprüngen,
- – Auftragen
von Klebstoff auf eines oder mehr der Bauteile im Bereich der herzustellenden Überlappung,
- – Überlappen
der Bauteile,
- – Zusammendrücken der
Bauteile im Bereich der Überlappung
zum Andrücken
der Vorsprünge
des einen Bauteils an das damit überlappenden
Bauteil,
- – Herstellen
einer oder mehrerer mechanischer Fügeverbindungen an den Vorsprüngen im Überlappungsbereich.
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Durch
das gezielte Abtragen von Material im Bereich der herzustellenden Überlappung
ist es möglich,
integrierte und als Abstandhalter verwendbare Vorsprünge in dem
betreffenden Fügepartner
herauszuarbeiten, die durch Aussparen von Flächenbereichen beim Abtragen
entstehen. Der Querschnitt der Vorsprünge entspricht den ausgesparten
Flächenbereichen,
die Höhe
der Vorsprünge
ist abhängig
von der Abtragtiefe. Alternativ zum Vorgang des Abtragens kann auch
Material auf eines oder mehr der Bauteile aufgetragen werden, so
dass durch das Auftragen direkt Vorsprünge hergestellt werden können.
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Im
Bereich der herzustellenden Überlappung wird
Klebstoff auf eines oder mehr der zu verbindenden Bauteile aufgebracht.
Durch das Überlappen
der zu verbindenden Bauteile und anschließendes Zusammenpressen werden
die Vorsprünge
des einen Fügepartners
auf eine der dem Überlappungsbereich zugewandten
Fläche
eines zweiten Fügepartners
gedrückt,
so dass sich ein definierter Abstand zwischen den beiden Fügepartnern
einstellt. Dieser Abstand entspricht der Höhe der Vorsprünge und
bildet einen Zwischenraum, der nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Klebstoff gefüllt
ist.
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Das
Herstellen von mechanischen punktförmigen Fügeverbindungen, wie z. B. Niet-,
Bolzen- oder Schraubenverbindungen der beiden Fügepartner erfolgt durch eine übliche Abfolge
von notwendigen Schritten, die beispielsweise beim gemeinsamen Bohren
der Fügepartner
beginnt. Die Bohrungen sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
bevorzugt durch die Vorsprünge
anzuordnen, da dort Materialkontakt zwischen den Fügepartnern
besteht und eine mechanische punktförmige Fügeverbindung den durch die
Vorsprünge
eingestellten und mit Klebstoff gefüllten Zwischenraum nicht verengen
kann. Zusätzlich
dazu verliert die mechanische punktfömige Fügeverbindung aufgrund des durchgehenden
Materialkontaktes der Fügepartner
im Bereich der Bohrungen ihre Vorspannung nicht, da kein unter dem
gesetzten Niet, des gesetzten Bolzens oder der gesetzten Schraube
befindlicher Klebstoff aufgrund seiner Viskosität nach Aufbringen der Vorspannkraft
weg fließt,
wodurch eine gleichmäßige Verbindungsqualität gewährleistet
werden kann.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
ist es damit möglich,
zuverlässig
eine gewünschte
Klebstoffschichtdicke durch gezieltes Abtragen bzw. Auftragen von
Material voreinzustellen und gleichzeitig ohne Aushärten des
Klebstoffs mechanische Fügeverbindungen
herzustellen. Das Verbindungsverfahren ist besonders zeitsparend
und erfordert keine Einspannvorrichtungen zum Einstellen der Dicke
der Klebstoffschicht. Die Taschenbildung des Klebstoffs wird wirksam
unterbunden, ferner entsteht kein Kontakt zwischen dem die Bohrungen
herstellenden Werkzeug und dem Klebstoff, wodurch eine Verschmutzung
und regelmäßiges Reinigen
oder Ersetzen des Werkzeugs entfällt
und beim Bohren keine am Werkzeug anhaftenden Klebstoffreste auf
umgebende Flächen
geschleudert werden.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein Bauteil gelöst, welches dazu geeignet ist,
durch das erfindungsgemäße Verfahren
mit einem weiteren Bauteil verbunden zu werden. Insbesondere weist
das erfindungsgemäße Bauteil
bereits Vorsprünge
auf, die zum späteren
Einstellen der Klebstoffschichtdicke und dem Herstellen von mechanischen
punktförmigen
Fügeverbindungen
dienlich sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren werden
gleiche Objekte durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
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1a:
Seitenansicht zweier durch das erfindungsgemäße Verfahren zu verbindenden
Bauteile,
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1b:
Draufsicht auf ein behandeltes und durch das erfindungsgemäße Verfahren
zu verbindendes Bauteil,
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2:
seitliche Schnittansicht zweier durch das erfindungsgemäße Verfahren
verbundener Bauteile,
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3:
schematische Blockdarstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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4:
schematische Blockdarstellung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1a ist
ein erstes Bauteil 2 dargestellt, das mit einem zweiten
Bauteil 4 durch das erfindungsgemäße Verfahren verbunden werden
soll. Beispielhaft sind die Bauteile 2, 4 als
flächenhafte, blechartige
Bauteile ausgeführt
und werden jeweils nur abschnittsweise in der 1a gezeigt.
Eine äußere Kante 6 des
Bauteils 2 begrenzt zusammen mit einer äußeren Kante 8 des
Bauteils 4 einen Überlappungsbereich 10,
innerhalb dem die sich in diesem Bereich überlappenden Bauteile 2, 4 miteinander verbunden
werden.
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Ursprünglich,
d. h. vor Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, weist das Bauteil 2 eine vollständig ebene
Verbindungsoberfläche
auf, die durch einen Materialabtragprozess verändert wird, so dass sie die
Form der in 1 gezeigten Verbindungsoberfläche 12 erhält. Der
Abtragprozess könnte
beispielsweise ein chemischer Ätzvorgang
sein, bei dem stellenweise Material entfernt wird, wobei an gewünschten
Stellen durch vorheriges Abdecken mit einem Lack oder dergleichen
das darunter liegende Material unverändert bleibt. Ein mechanisches
Abtragen durch Fräsen
oder physikalisches Abtragen durch ein Funkenerosionsverfahren und
dergleichen ist ebenfalls denkbar und bei besonders ausgeprägter und
tief in das Material reichender Profilierung sinnvoll. Die Auswahl
des geeigneten Abtragprozesses ist insbesondere abhängig von
der zu erwartenden Abtraggeschwindigkeit und den durch das jeweilige
Verfahren entstehenden Kosten. Da bei der Herstellung von Hautblechen
für die
Außenhaut
eines Flugzeugs auch zum Teil Ätzverfahren
angewendet werden, um bereichsweise Material zum Verringern des
Gewichts abzutragen, bietet sich die Verwendung eines weiteren oder
des gleichen Ätzverfahrens für das erfindungsgemäße Verfahren
an. Auf der überwiegend
ebenen Oberfläche 12 des
behandelten Bauteils 2, die im Überlappungsbereich 10 zu
dem zweiten Bauteil 4 gerichtet ist, befinden sich nach
Behandlung der Oberfläche 12 mehrere
im erfindungsgemäßen Verfahren als
Abstandshalter verwendete Vorsprünge 14 mit
ebenen und zu der Oberfläche 12 parallel
angeordneten Oberflächen 16.
Die Vorsprünge 14 weisen
eine Höhe 18 auf,
die der gewünschten Klebstoffschichtdicke
entspricht. Nach Fertigstellung dieser Profilierung der Oberfläche 12 des
Bauteils 2 wird mittels Druckauftrag, Rakeln, Spachteln,
einem Dispenser oder anderen Verfahren und Vorrichtungen ein Klebstoff
tröpfchenartig,
gespritzt oder als Klebstoffraupe aufgetragen. Anschließend werden die
beiden Bauteile 2 und 4 zusammengedrückt, so dass
die Oberflächen 16 der
Vorsprünge
auf eine zu dem Bauteil 2 gerichtete Oberfläche 20 des
Bauteils 2 gepresst werden. Durch geeignete Vorrichtungen, die
etwa auch für
herkömmliche
Hautschalenbauteile verwendet werden, werden die beiden Bauteile
in dieser Haltung fixiert. Anschließend können die beiden Bauteile 2 und 4 mittig
durch die Vorsprünge 14 gemeinsam
gebohrt werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in den Figuren dargestellt ist, werden Nietverbindungen als
mechanische punktförmige
Fügeverbindungen
verwendet. Da es sich jedoch lediglich um ein Ausführungsbeispiel
handelt, ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht auf das Anfertigen einer Hybridverbindung mit Nietverbindungen
beschränkt,
sondern es sind alle vorangehend genannten punktförmigen mechanischen
Fügeverbindungen
denkbar. Bei Nietverbindungen könnten – ohne Anspruch
auf Vollständigkeit – beispielsweise
Stanznieten, Schließringbolzen, Hohlnieten
und Blindnieten verwendet werden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
werden nach dem letzten Schritt des Rohrens die eigentlichen Nietverbindungen
hergestellt.
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Alternativ
zum Abtragen von Material vom Bauteil 2 können die
Vorsprünge 14 auch
durch Auftragen eines geeigneten Materials hergestellt werden. Geeignete
Materialien könnten
etwa metallischer Art, Thermoplaste, Duromere oder Klebstoffe sein.
Beim Auftragen von Kleb- und Kunststoffen ist ein Aushärten erforderlich,
um die Form der Vorsprünge 14 zu
fixieren. Um der erfindungsgemäßen Aufgabe
nicht entgegenzustehen, empfiehlt es sich, schnell aushärtende Materialien
zu verwenden. Als denkbare Auftragsverfahren kommen alle manuellen oder
automatisierten Materialauftragsverfahren in Betracht, beispielhaft
seien hier Sieb- und Metalldruck genannt.
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1b zeigt
eine Draufsicht auf das behandelte Bauteil 2 mit profilierter
Oberfläche 12 und
stellt beispielhaft Vorsprünge 14 dar,
die einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser 22 aufweisen. Bevorzugt
ist der Durchmesser 22 größer als der Durchmesser der
Köpfe der
einzusetzenden Nieten, entspricht ungefähr der Ausdehnung des Druckkegels
einer einzelnen Nietverbindung und gewährleistet somit eine ausreichende
Kraftübertragung
der Nietverbindung in die zusammengefügten Bauteile 2 und 4.
Der Durchmesser 22 könnte
alternativ auch so groß gewählt werden,
dass auch eine um eine geringe Distanz verrutschte Nietbohrung noch
vollständig innerhalb
des entsprechenden Vorsprungs 14 liegt.
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2 zeigt
die durch das erfindungsgemäße Verfahren
verbundenen Bauteile 2 und 4. Der Vorsprung 14 des
Bauteils 2 liegt flächig
auf der Oberfläche 20 des
Bauteils 4 auf. Zwischen den Bauteilen 2 und 4 befindet
sich ein Klebstoff 24, der den durch den Vorsprung 14 eingestellten
Abstand zwischen den Bauteilen 2 und 4 vollständig ausfüllt.
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Die
Bauteile 2 und 4 weisen jeweils eine Bohrung 26 und 28 auf,
wobei die Bohrung 26 bereichsweise als Senkbohrung mit
einem Flankenwinkel von etwa 90° ausgeführt ist,
um einen Nietkopf 30 vollständig aufzunehmen. Der Nietkopf 30 weist
einen äußeren Durchmesser 32 auf,
nach dem sich der Durchmesser 22 des Vorsprungs 14 in
einem bestimmten vorangehend genannten Verhältnis bemisst und im Wesentlichen
von der Form des Nietkopfs 30 und des sich damit einstellenden
Druckkegels der Nietverbindung abhängt.
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Die
Bohrungen 26 und 28 treten nicht in Kontakt mit
dem Klebstoff 24, denn sie werden bevorzugt erst nach Zusammendrücken der
Bauteile 2 und 4 hergestellt, so dass unter dem
Pressdruck der ursprünglich
zwischen der Oberfläche 16 des
Vorsprungs 14 und der Oberfläche 20 des Bauteils 4 befindliche
Klebstoff bereits in die restliche Klebstoffmasse neben dem Vorsprung 14 ausgetreten
ist. Das zum Bohren verwendete Werkzeug tritt daraufhin auch nicht
in Berührung
mit dem Klebstoff 24, so dass es nicht verschmutzt, ebenso
die Nietverbindung nicht durch Klebstoffeinwirkung beeinträchtigt wird
und keine Klebstoffreste auf äußeren Oberflächen von
Bauteilen geschleudert werden.
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Besonders
vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist neben der
besonders genau einstellbaren Schichtdicke des Klebstoffs 24 die
Tatsache, dass durch Verwendung der als Abstandshalter verwendeten
Vorsprünge 14 die
Nietverbindungen aufgrund der definierten Geometrie ihre Vorspannkraft
nicht verlieren. Weiterhin kann die Nietverbindung unmittelbar nach
Auftragen des Klebstoffs 24 hergestellt werden, ohne dass
das Aushärten
des Klebstoffs 34 abgewartet werden muss. Die Klebstoffschichtdicke
ist unabhängig
von äußeren Fixiervorrichtungen
und bleibt von äußeren Einflüssen im Wesentlichen
unbeeinflusst konstant und gleichmäßig. Die Bildung von Klebstofftaschen
und damit die Entstehung einer Welligkeit auf der äußeren Oberfläche wird
vermieden, die Ausbildung der Klebstoffschichtdicke ist über den
gesamten Überlappungsbereich 10 im
Wesentlichen konstant.
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3 zeigt
ein zusammenfassendes Schaubild einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nach dem Abtragen 34 von Material zum Ausbilden von Vorsprüngen 14 von
einem oder mehr der zu verbindenden Bauteile 2 und 4 wird
Klebstoff 24 innerhalb des Überlappungsbereichs 10 auf
eine oder mehr der zueinander gewandten Oberflächen 12 und 20 der
Bauteile 2 und 4 aufgetragen 36. Nach dem
anschließenden Überlappen 38 der
Bauteile 2 und 4 und Zusammendrücken 40,
welches das Fixieren der zu verbindenden Bauteile 2 und 4 einschließt, werden
in dem Überlappungsbereich 10 an
den jeweiligen Vorsprüngen 14 Nietverbindungen
hergestellt 42. Der Klebstoff 24 muss nicht aushärten, so dass
unmittelbar nach dem Auftragen des Klebstoffs 24 und dem
Zusammendrücken
der Bauteile 2 und 4 die Nietverbindungen hergestellt
werden können.
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In 4 wird
schließlich
eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Durch
Auftragen von Klebstoff oder Polymer 44 und anschließendes Aushärten 46 werden
Vorsprünge 14 auf
einem oder mehr der zu verbindenden Bauteile 2 und 4 hergestellt.
Alternativ dazu können
die Vorsprünge 14 durch
Auftragen einer Lotpaste 48 und anschließendes Umschmelzen 50 oder
durch direktes Auftragen von Metall 52 ausgebildet werden.
Anschließend
wird Klebstoff 24 auf eine oder mehr der zueinander gewandten
Oberflächen 12 und 20 der Bauteile 2 und 4 innerhalb
des Überlappungsbereichs 10 aufgetragen 36.
Nach dem Überlappen 38 der
Bauteile 2 und 4 und Zusammendrücken 40 wer den
in dem Überlappungsbereich 10 an
den jeweiligen Vorsprüngen 14 Nietverbindungen
hergestellt 42.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren werden
zuverlässig
eine gewünschte
Klebstoffschichtdicke durch gezieltes Abtragen bzw. Auftragen von
Material voreingestellt und gleichzeitig ohne Aushärten des
Klebstoffs mechanische Fügeverbindungen
hergestellt. Das zeitsparende Verbindungsverfahren erfordert keine
Einspannvorrichtungen zum Einstellen der Dicke der Klebstoffschicht,
eine Taschenbildung des Klebstoffs wird wirksam unterbunden und
es entsteht kein Kontakt zwischen dem die Bohrungen herstellenden
Werkzeug und dem Klebstoff. Die dargestellten Nietverbindungen und die
erwähnten
Auf- und Abtragsverfahren sind als Ausführungsbeispiele zu verstehen
und beschränken die
Erfindung nicht. Ferner sind alle Auf- und Abtragsverfahren denkbar,
die sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
anwenden lassen.