DE102010025618A1 - Connecting arrangement and method for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung (22) eines faserverstärkten Verbundbauteils (10) mit einem weiteren, zumindest teilweise metallischen Bauteil (24), bei welcher das Verbundbauteil (10) wenigstens eine metallische, in eine Kunststoffmatrix (14) eingebettete Verstärkungsfaser (12) aufweist, welche über einen Endbereich (18) des Verbundbauteils (10) hinausragt, wobei die wenigstens eine metallische Verstärkungsfaser (12) stoffschlüssig mit dem weiteren Bauteil (24) verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung (22). Die Verbindungsanordnung (22) sowie das Verfahren ermöglichen die Anwendung konventioneller Schweißverfahren zum Fügen von Faserverbundbauteilen (10), was sowohl die Herstellung als auch die Reparatur solcher Verbindungsanordnungen (22) erleichtert und kostengünstiger gestaltet.The invention relates to a connection arrangement (22) of a fiber-reinforced composite component (10) with a further, at least partially metallic component (24), in which the composite component (10) has at least one metallic reinforcing fiber (12) embedded in a plastic matrix (14), which projects beyond an end region (18) of the composite component (10), the at least one metallic reinforcing fiber (12) being integrally connected, in particular welded or soldered, to the further component (24). The invention further relates to a method for producing such a connection arrangement (22). The connection arrangement (22) and the method enable the use of conventional welding methods for joining fiber composite components (10), which both facilitates the manufacture and repair of such connection arrangements (22) and makes them more cost-effective.
Description
Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung eines faserverstärkten Verbundbauteils mit einem weiteren Bauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Reparieren einer solchen Verbindungsanordnung.The invention relates to a connection arrangement of a fiber-reinforced composite component with a further component according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a connection arrangement. The invention further relates to a method for repairing such a connection arrangement.
Im Kraftwagenbau finden aufgrund von Leichtbauerwägungen zunehmende faserverstärkte Verbundbauteile Anwendung. Solche Bauteile umfassen eine Matrix aus einem Kunststoff, in welche Verstärkungsfasern eingebettet sind. Durch die Verstärkungsfasern weisen derartige Verbundbauteile eine besonders gute Zugfestigkeit in Faserrichtung bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht auf.In motor vehicle construction, increasing fiber-reinforced composite components are used due to lightweight construction considerations. Such components comprise a matrix of a plastic in which reinforcing fibers are embedded. As a result of the reinforcing fibers, such composite components have a particularly good tensile strength in the fiber direction and at the same time a very low weight.
Da üblicherweise solche Verbundbauteile nur für Teilbereiche einer Kraftwagenkarosserie Anwendung finden, ist es im Karosseriebau notwendig, Verbindungen zwischen faserverstärkten Verbundbauteilen und weiteren Bauteilen der Kraftwagenkarosserie zu schaffen. Hierfür werden in der Regel form- oder kraftschlüssige Fügemethoden gewählt. Beispielsweise können faserverstärkte Verbundbauteile untereinander oder mit metallischen Karosseriebauteilen verklebt oder unter Zuhilfenahme mechanischer Fügeelemente wie Schrauben, Bolzen, Nieten oder dergleichen verbunden werden.Since such composite components are usually used only for partial areas of a motor vehicle body, it is necessary in body construction to create connections between fiber-reinforced composite components and other components of the motor vehicle body. For this purpose, positive or non-positive joining methods are usually selected. For example, fiber-reinforced composite components can be bonded together or with metallic body components or connected with the aid of mechanical joining elements such as screws, bolts, rivets or the like.
Aus der
Die bekannten Verfahren zum Herstellen solcher Verbindungsanordnungen sind entweder aufwändig in ihrer Durchführung oder führen zu nur begrenzt haltbaren Verbindungen der jeweiligen Bauteile. Treten an einem der Bauteile Beschädigungen auf, so muss in der Regel die gesamte Verbindungsanordnung ausgetauscht werden, da eine abschnittsweise Reparatur aufgrund der verwendeten Fügeverfahren nur selten möglich ist.The known methods for producing such connection arrangements are either complex in their implementation or lead to only limited durable connections of the respective components. If damage occurs to one of the components, then as a rule the entire connection arrangement must be replaced, since a partial repair is rarely possible due to the joining methods used.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine einfach herzustellende, mechanisch stabile und leicht reparierbare Verbindungsanordnung zwischen einem faserverstärkten Verbundbauteil und einem weiteren Bauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung, sowie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Reparieren einer solchen Verbindungsanordnung bereitzustellen.The present invention is therefore based on the object to provide a simple to manufacture, mechanically stable and easily repairable connection arrangement between a fiber-reinforced composite component and another component according to the preamble of patent claim 1. A further object of the present invention is to provide a simple and inexpensive method for producing such a connection arrangement, as well as a simple and cost-effective method for repairing such a connection arrangement.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sowie durch ein Verfahren zum Reparieren einer Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.This object is achieved by a connection arrangement having the features of patent claim 1, a method for producing a connection arrangement having the features of patent claim 5 and by a method for repairing a connection arrangement having the features of patent claim 9.
Eine solche Verbindungsanordnung umfasst ein faserverstärktes Verbundbauteil sowie ein weiteres, zumindest teilweise metallisches Bauteil. Das Verbundbauteil weist wenigstens eine metallische, in eine Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfaser auf, welche über einen Endbereich des Verbundbauteils hinausragt. Erfindungsgemäß ist eine Verbindung zwischen dem Verbundbauteil und dem weiteren Bauteil dadurch bereitgestellt, dass die wenigstens eine metallische Verstärkungsfaser stoffschlüssig mit dem weiteren Bauteil verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet ist.Such a connection arrangement comprises a fiber-reinforced composite component and a further, at least partially metallic component. The composite component has at least one metallic reinforcing fiber embedded in a plastic matrix, which protrudes beyond an end region of the composite component. According to the invention, a connection between the composite component and the further component is provided by the fact that the at least one metallic reinforcing fiber is materially connected to the further component, in particular welded or soldered.
Zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung sind also weder aufwändige Verfahren zum Einbetten der überstehenden Verstärkungsfasern in das weitere Bauteil, noch mechanische Fügeelemente notwendig. Die Verbindung kann vielmehr mit konventionellen stoffschlüssigen Verfahren, wie sie zum Fügen metallischer Bauteile üblich sind, hergestellt werden. Das faserverstärkte Verbundbauteil kann bei der Herstellung – und auch bei der Reparatur – einer solchen Verbindungsanordnung wie ein übliches metallisches Karosseriebauteil bearbeitet werden. Das Schweißen oder Löten kann dabei durch einen konventionellen Roboter erfolgen, so dass keine Investitionen in teuere neue Werkzeuge notwendig sind. Gleichzeitig ist die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen aufgrund des Stoffschlusses besonders fest und haltbar.For the preparation of such a connection arrangement so neither expensive process for embedding the protruding reinforcing fibers in the further component, nor mechanical joining elements are necessary. Rather, the connection can be made with conventional cohesive methods, as are customary for joining metallic components. The fiber-reinforced composite component can be processed in the manufacture - and also in the repair - of such a connection arrangement as a conventional metallic body component. The welding or soldering can be done by a conventional robot, so that no investment in expensive new tools are necessary. At the same time, the connection between the two components is particularly strong and durable due to the material bond.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung erlaubt nicht nur die Integration von faserverstärkten Verbundbauteilen in metallische Karosserien, sie kann vielmehr auch Anwendung zum Verbinden von Verbundbauteilen untereinander finden. Beispielsweise ist es möglich, zwei Verbundbauteile mit jeweiligen überstehenden metallischen Verstärkungsfasern zu einer derartigen Verbindungsanordnung zu fügen. Das weitere Bauteil kann ferner ein Kunststoffbauteil mit eingegossenen metallischen Einlegern oder einer metallischen Beschichtung sein, welche ebenfalls mit den überstehenden Verstärkungsfasern des Verbundbauteils verschweißbar sind.The connection arrangement according to the invention not only allows the integration of fiber-reinforced composite components in metallic bodies, but they can also find application for connecting composite components with each other. For example, it is possible to form two composite components with respective protruding metallic reinforcing fibers Add connection arrangement. The further component may also be a plastic component with cast-metallic inserts or a metallic coating, which are also welded to the protruding reinforcing fibers of the composite component.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das faserverstärkte Verbundbauteil eine Mehrzahl von metallischen Verstärkungsfasern auf, welche jeweils über den Endbereich des Verbundbauteils hinausragen. Diese Fasern sind untereinander zu einem Fügeelement verbunden, welches stoffschlüssig mit dem weiteren Bauteil verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet ist. Die Fasern können beispielsweise untereinander verdrillt, geflochten oder bereits untereinander verschweißt sein. Hierdurch wird eine besonders stabile Fügefläche zum Verbinden der Bauteile untereinander geschaffen. Die Form des Fügeelements kann dabei je nach Art der Verbindungsanordnung frei gewählt werden. Beispielsweise können die überstehenden Fasern einen Flansch ausbilden.In a preferred embodiment of the invention, the fiber-reinforced composite component has a plurality of metallic reinforcing fibers, which respectively project beyond the end region of the composite component. These fibers are connected to one another to a joining element, which is materially connected to the other component, in particular welded or soldered. The fibers can, for example, be twisted, braided or already welded together. As a result, a particularly stable joining surface for connecting the components is created with each other. The shape of the joining element can be chosen freely depending on the type of connection arrangement. For example, the protruding fibers can form a flange.
Durch das Formen der überstehenden Fasern zu einem Fügeelement kann ferner ein zusätzlicher Formschluss zwischen den Bauteilen bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Fügeelement die Form einer Öse besitzen, welche ein entsprechendes Gegenstück des weiteren Bauteils umschließt. Durch die Kombination von Stoffschluss und Formschluss wird eine besonders stabile Verbindungsanordnung erhalten.By forming the protruding fibers into a joining element, an additional positive connection between the components can furthermore be provided. For example, the joining element may have the shape of an eyelet, which encloses a corresponding counterpart of the further component. The combination of material bond and form-fit a particularly stable connection arrangement is obtained.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in einem Verbindungsbereich zwischen dem faserverstärkten Verbundbauteil und dem weiteren Bauteil ein metallisches Hilfsfügeelement angeordnet und mit der wenigstens einen metallischen Verstärkungsfaser und/oder dem weiteren Bauteil stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet. Ein solches Hilfsfügeelement kann die Festigkeit der Verbindungsanordnung weiter erhöhen. Gleichzeitig kann das Hilfsfügeelement als Anschlag oder Zentrierelement ausgebildet sein, so dass die Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung besonders prozesssicher möglich ist.In a further embodiment of the invention, a metallic Hilfsfügeelement is arranged in a connection region between the fiber-reinforced composite component and the further component and materially connected to the at least one metallic reinforcing fiber and / or the other component, in particular welded or soldered. Such a Hilfsfügeelement can further increase the strength of the connection assembly. At the same time, the auxiliary joining element can be designed as a stop or centering element, so that the production of such a connection arrangement is particularly reliable.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung eines faserverstärkten Verbundbauteils mit einem weiteren, zumindest teilweise metallischen Bauteil. Hierfür wird ein Verbundbauteil verwendet, welches wenigstens eine metallische, in eine Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfaser aufweist. Zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung wird erfindungsgemäß ein über einen Endbereich des Verbundbauteils hinausragender Abschnitt der wenigstens einen metallischen Verstärkungsfaser mit dem weiteren Bauteil stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet.The invention further relates to a method for producing a connection arrangement of a fiber-reinforced composite component with a further, at least partially metallic component. For this purpose, a composite component is used, which has at least one metallic, embedded in a plastic matrix reinforcing fiber. To produce such a connection arrangement, according to the invention, a section of the at least one metallic reinforcing fiber which projects beyond an end region of the composite component is connected in a materially bonded manner to the further component, in particular welded or soldered.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit, faserverstärkte Verbundbauteile mit aus der Metallverarbeitung bekannten Verfahren zu verbinden. Damit können beispielsweise auf einfachste Weise Kraftwagenkarosserien gefertigt werden, die sowohl rein metallische als auch Verbundbauteile umfassen. Da das Verschweißen durch konventionelle Schweißroboter erfolgen kann, ist es zudem möglich, unterschiedliche Karosserievarianten, bei welchen ein bestimmtes Bauteil alternativ als Metallbauteil oder Verbundbauteil ausgeführt ist, in der selben Fertigungslinie zu fertigen, ohne dass die Fügewerkzeuge ausgetauscht oder umkonfiguriert werden müssen.The method according to the invention thus makes it possible to join fiber-reinforced composite components with methods known from metal processing. Thus, for example, can be made in the simplest way motor vehicle bodies that include both purely metallic and composite components. Since the welding can be carried out by conventional welding robots, it is also possible to manufacture different body variants, in which a specific component is alternatively designed as a metal component or composite component in the same production line, without the joining tools must be replaced or reconfigured.
Darüber hinaus ist es möglich, auch ein weiteres Bauteil, welches als Verbundbauteil ausgebildet ist, zu verwenden. Voraussetzung für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist lediglich das Vorhandensein eines schweißbaren Metallbereichs in einer Fügezone des weiteren Bauteils. Mittels des beschriebenen Verfahrens können somit auch mehrere Verbundbauteile mit metallischen Verstärkungsfasern miteinander verbunden werden. Auch Kunststoffbauteile mit metallischen Einlegern oder metallischen Beschichtungen können auf die beschriebene Art mit Verbundbauteilen mit überstehenden metallischen Verstärkungsfasern verschweißt werden.Moreover, it is also possible to use a further component, which is designed as a composite component. The only prerequisite for carrying out the method according to the invention is the presence of a weldable metal region in a joining zone of the further component. Thus, by means of the method described, a plurality of composite components with metallic reinforcing fibers can be connected to one another. Also plastic components with metallic inserts or metallic coatings can be welded in the manner described with composite components with protruding metallic reinforcing fibers.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden vor dem Fügen des Verbundbauteils mit dem weiteren Bauteil mehrere, über den Endbereich des Verbundbauteils hinausragende metallische Verstärkungsfasern untereinander zu einem Fügeelement verbunden. Das so gebildete Fügeelement wird schließlich stoffschlüssig mit dem weiteren Bauteil verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet. Zum Einen wird hierdurch eine besonders stabile Fügeverbindung zwischen dem Verbundbauteil und dem weiteren Bauteil geschaffen. Zum Anderen ist es hierdurch ermöglicht, nahezu beliebige Fügegeometrien am Verbundbauteil zu schaffen. Die über den Endbereich des Verbundbauteils hinausragenden Metallfasern können beispielsweise durch Verdrillen, Flechten oder auch durch stoffschlüssiges Fügen miteinander verbunden und in die gewünschte Form gebogen werden. Auf diese Art können beispielsweise metallische Abschlüsse für den Endbereich des Verbundbauteils, Flansche, Ösen, Haken oder dergleichen geformt werden.In a preferred embodiment of the invention, before the joining of the composite component with the further component, a plurality of metallic reinforcing fibers projecting beyond the end region of the composite component are connected to one another to form a joining element. The joining element thus formed is finally materially connected to the other component, in particular welded or soldered. On the one hand, this creates a particularly stable joint connection between the composite component and the further component. On the other hand, this makes it possible to create almost any joining geometries on the composite component. The metal fibers projecting beyond the end region of the composite component can be connected to one another, for example by twisting, braiding or else by materially joining, and bent into the desired shape. In this way, for example, metallic terminations for the end portion of the composite component, flanges, eyelets, hooks or the like can be formed.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, das Fügeelement des Verbundbauteils so zu formen, dass es eine zusätzliche formschlüssige Verbindungsfunktion übernehmen kann. Nach dem Formen eines solchen Fügeelements wird zunächst der Formschluss zwischen dem Verbundbauteil und dem weiteren Bauteil hergestellt. Beispielsweise kann ein als Öse ausgebildetes Fügeelement um eine komplementäre Struktur des weiteren Bauteils gelegt werden. Nach dem Herstellen des Formschlusses erfolgt dann das eigentliche stoffschlüssige Fügen, beispielsweise durch Verschweißen des Fügeelements mit dem weiteren Bauteil. Insgesamt wird so eine besonders feste Verbindung geschaffen, da sich der Formschluss und der Stoffschluss ergänzen.It is particularly expedient to form the joining element of the composite component so that it can take on an additional positive connection function. After forming such a joining element is first of Formed fit between the composite component and the other component. For example, a joining element designed as an eyelet can be placed around a complementary structure of the further component. After the positive connection has been made, the actual integral joining takes place, for example by welding the joining element to the further component. Overall, a particularly firm connection is created, since the positive connection and the material complement each other.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem stoffschlüssigen Verbinden des Verbundbauteils mit dem weiteren Bauteil ein metallisches Hilfsfügeelement in einem Verbindungsbereich der beiden Bauteile angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um Einlege- oder Umlaufteile handeln, die als Anschläge oder Zentrierungen dienen können und gleichzeitig zur Festigkeit der resultierenden Verbindung beitragen. Das Hilfsfügeelement kann verwendet werden, um die metallischen Verstärkungsfasern und das weitere Bauteil mittelbar miteinander zu verbinden, die Verstärkungsfasern und das weitere Bauteil können jedoch auch unmittelbar miteinander verschweißt werden, wobei das Hilfsfügeelement eine zusätzliche Verbindung zwischen den Bauteilen bereitstellt und sowohl mit den Verstärkungsfasern, als auch mit dem weiteren Bauteil verschweißt ist.In a further embodiment of the invention, a metallic auxiliary joining element is arranged in a connecting region of the two components prior to the integral connection of the composite component with the further component. This may be, for example, insert or circulating parts, which can serve as stops or centering and at the same time contribute to the strength of the resulting compound. The auxiliary joining element may be used to indirectly interconnect the metallic reinforcing fibers and the further component, however, the reinforcing fibers and the further component may also be directly welded together, the auxiliary joining element providing an additional connection between the components and both the reinforcing fibers, also welded to the other component.
Die Erfindung betrifft schließlich noch ein Verfahren zum Reparieren einer Verbindungsanordnung eines faserverstärkten Verbundbauteils mit einem weiteren, zumindest teilweise metallischen Bauteil, welche in einem Fügebereich über wenigstens eine metallische, in eine Kunststoffmatrix des Verbundbauteils eingebettete Verstärkungsfaser, welche über einen Endbereich des Verbundbauteils hinausragt, stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Zur Reparatur einer solchen Verbindungsanordnung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zunächst einen Teilbereich der Verbindungsanordnung, welcher einen beschädigten Bereich sowie den Fügebereich umfasst, auszuschneiden. Der beschädigte Bereich wird anschließend durch ein Reparaturbauteil ersetzt, welche sowohl mit der wenigstens einen metallischen Verstärkungsfaser als auch mit dem weiteren Bauteil stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt wird.Finally, the invention also relates to a method for repairing a connection arrangement of a fiber-reinforced composite component with a further, at least partially metallic component, which in a joining region via at least one metallic, embedded in a plastic matrix of the composite component reinforcing fiber, which protrudes beyond an end region of the composite component, with each other materially are connected. In order to repair such a connection arrangement, it is provided according to the invention to first cut out a partial area of the connection arrangement which comprises a damaged area as well as the joining area. The damaged area is then replaced by a repair component, which is materially connected, in particular welded, both to the at least one metallic reinforcing fiber and to the further component.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Abschnittsreparatur von Verbindungsanordnungen, welche wenigstens ein faserverstärktes Verbundbauteil aufweisen, ohne die Verbindungsanordnung durch Klebeverbindungen zu schwächen, wie es bei vielen aus dem Stand der Technik bekannten Reparaturverfahren der Fall ist. Durch die Schweißverbindungen zwischen dem Reparaturbauteil und den verbleibenden Bereichen des Verbundbauteils und weiteren Bauteils wird vielmehr eine reparierte Verbindungsanordnung geschaffen, die in ihrer Festigkeit der ursprünglichen Verbindungsanordnung entspricht. Damit wird es möglich, auch teilweise aus Verbundmaterialen bestehende Kraftwagenkarosserien zu reparieren, ohne dass ein kostenaufwändiger Austausch kompletter Teile oder Baugruppen notwendig wird, wobei gleichzeitig die Festigkeit und Stabilität der Karosserie gewährleistet bleibt.The method according to the invention permits the section repair of connection arrangements which comprise at least one fiber-reinforced composite component without weakening the connection arrangement by adhesive bonds, as is the case in many repair methods known from the prior art. The welded connections between the repair component and the remaining regions of the composite component and further component rather a repaired connection arrangement is created, which corresponds in strength to the original connection arrangement. This makes it possible to partially repair existing car bodies consisting of composite materials, without the need for a costly replacement of complete parts or assemblies, while ensuring the strength and stability of the body remains guaranteed.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigen:In the following, the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Showing:
Ein faserverstärktes Verbundbauteil
Wie
Wie ein solches Fügeelement
Im Ausführungsbeispiel der Verbindungsanordnung
Wie
Zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile
Wie
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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