DE102011116659A1 - Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils (10) mit einem Einsatzteil (12, 14, 16, 18, 30, 32), welches zumindest mit einem Teilbereich (28) in eine korrespondierende Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) des Faserverbundbauteils (10) eingesetzt ist, wobei ein Querschnittsprofil der Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) sowie ein Querschnittsprofil des Teilbereichs (28) des Einsatzteils (12, 14, 16, 18, 30, 32) von einer Kreisform abweichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils mit einem Einsatzteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
  • Aufgrund der hohen Festigkeit und des geringen Gewichts finden im Rahmen moderner Leichtbaubestrebungen Faserverbundbauteile zunehmend Anwendung im Kraftwagenbau. Da gängige, aus dem Metallbau bekannte Fügeverfahren auf derartige Bauteile nicht anwendbar sind ist es oftmals notwendig, Einsatzteile wie beispielsweise Buchsen oder Verbindungsbolzen in derartige Faserverbundbauteile einzubringen, um beispielsweise das Fügen der Faserverbundbauteile untereinander zu erleichtern.
  • Hierzu ist es bekannt, mit trennenden Verfahren Aufnahmeöffnungen in Faserverbundbauteile einzubringen, in welche dann die Einsatzteile eingesetzt und beispielsweise verklebt werden. Aus der EP 1 958 719 A1 ist es hierzu bekannt, einen rotierenden Bohrer zusätzlich zu Schwingungen im Ultraschallbereich anzuregen, um das Bohren der sehr widerstandsfähigen Faserverbundmaterialien zu ermöglichen. Aufgrund der rotierenden Bewegung des verwendeten Bohrers können hierdurch lediglich kreisrunde Öffnungen geschaffen werden, so dass die eingesetzten Einsatzteile ebenfalls einen runden Querschnitt aufweisen müssen. Dies hat den Nachteil, dass die Einsatzteile nur geringe Drehmomente übertragen können, da eine derartige runde Aufnahmeöffnung keine Verdrehsicherung gewährleistet.
  • Alternativ hierzu ist es auch bekannt, dass Einsatzteile in Faserverbundhalbzeuge eingebracht und gemeinsam mit den Halbzeugen ausgehärtet werden. Je nach Wahl des Materials des Einsatzteils kann dies zu Verformungen oder Gefügeänderungen im Faserverbundbauteil führen. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Kunststoffmatrix des Faserverbundteils und dem Einsatzteil können zudem dazu führen, dass die Haltbarkeit des Einsatzteils im Faserverbundbauteil beeinträchtigt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 bereitzustellen, welche ein besonders sicheres, haltbares und festes Einbringen von Einsatzteilen in Faserverbundbauteile ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
  • Bei einer derartigen Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils mit einem Einsatzteil, welches zumindest mit einem Teilbereich in korrespondierende Aufnahmeöffnung des Faserverbundbauteils eingesetzt ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Querschnittsprofil der Aufnahmeöffnung sowie ein Querschnittsprofil des Teilbereichs des Einsatzteils von einer kreisrunden Form abweichen. Ein in eine derartige Aufnahmeöffnung eingesetztes Einsatzteil ist somit gegen Verdrehung gesichert, so dass auch große Drehmomente auf das Einsatzteil aufgebracht werden können, ohne dass sich die Verbindung löst. Durch den Verzicht auf das Einbringen des Einsatzteils während des Aushärtens werden zudem Beeinträchtigungen des Materials des Faserverbundbauteils vermieden.
  • Zweckmäßigerweise weist herbei der in die Aufnahmeöffnung eingesetzte Teilbereich des Einsatzteils ein Übermaß gegenüber der Aufnahmeöffnung auf. Das Einsatzteil muss dann in die Aufnahmeöffnung eingepresst werden, wodurch verfahrenstechnisch besonders einfach das Einbringen und Befestigen in einem Arbeitsschritt erfolgt.
  • Zusätzlich oder alternativ zu einer derartigen Verpressung kann das Einsatzteil auch mit dem Faserverbundbauteil mittels eines Klebstoffs verklebt sein.
  • Soll das Einsatzteil elektrisch leitfähig mit einem ebenfalls leitfähigen Faserverbundbauteil – insbesondere einem Verbundbauteil mit Kohlefaseranteil – verbunden werden, um so beispielsweise eine Massebuchse bereitzustellen, ist es zweckmäßig, den Klebstoff elektrisch leitfähig auszugestalten. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Klebstoffen, die elektrisch leitfähige Metallpartikel, Graphitpartikel oder dergleichen enthalten, erreicht werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils mit einem Einsatzteil, bei welchem mittels Ultraschallbohrens eine Aufnahmeöffnung in dem Faserverbundbauteil erzeugt wird, in welche das Einsatzteil zumindest mit einem korrespondierenden Teilbereich eingesetzt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Aufnahmeöffnung mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnittsprofil erzeugt wird. Hierzu ist es notwendig, eine Ultraschallbohrvorrichtung zu verwenden, deren Bohrkopf lediglich zu Ultraschallschwingungen angeregt wird, aber nicht rotiert. Hierdurch wird es ermöglicht, Öffnungen von beliebiger Form zu schaffen, so dass, wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung erläutert, aufgrund eines besonders hohen Formschlusses in Umfangrichtung zwischen Einsatzteil und Faserverbundbauteil besonders hohe Drehmomente übertragen werden können, ohne dass bei der Herstellung der Verbindungsanordnung das Material beziehungsweise Gefüge des Faserverbundbauteils beeinträchtigt wird.
  • Besonders zweckmäßig ist es dabei, das Einsatzteil mit Übermaß in die Aufnahmeöffnung einzupressen, so dass das Einbringen und Befestigen des Einsatzteils in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgt, was den Prozess besonders schnell, sicher und kostengünstig gestaltet.
  • Alternativ oder zusätzlich hierzu kann noch eine Verklebung des Einsatzteils mit dem Faserverbundbauteil erfolgen, wozu, insbesondere beim Einbringen von Massebuchsen, wie bereits erläutert, vorzugsweise ein elektrisch leitfähiger Klebstoff verwendet wird.
  • Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung mit einer Mehrzahl unterschiedlich geformter Einsatzteile in einem Faserverbundbauteil;
  • 2 eine schematische Seitenansicht eines für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung geeigneten Gewindebolzens; und
  • 3A und B unterschiedliche schematische Ansichten einer als Einsatzteil für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung geeigneten Rechteckbuchse.
  • Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Faserverbundbauteil für eine Karosserie eines Kraftwagens weist einen Grundkörper 11 aus faserverstärktem Kunststoff auf. Um mechanische oder elektrische Verbindungen des Faserverbundbauteils 10 mit anderen Bauteilen zu ermöglichen, sind eine Mehrzahl von Einsatzteilen 12, 14, 16, 18 in jeweils korrespondierende Aufnahmeöffnungen 20, 22, 24, 26 des Grundkörpers 11 eingesetzt. Die Aufnahmeöffnungen 20 bis 26 sowie die Einsatzteile 12 bis 18 zeichnen sich dadurch aus, dass sie jeweils eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsform aufweisen. Die Querschnitte können dabei wie im Fall der Öffnungen 20, 22 unrund, also sternförmig, rechteckig wie im Fall der Öffnung 24 oder beliebig komplex geformt sein, wie im Fall der Öffnung 26 sowie der jeweils korrespondierenden Einsatzteile 12, 14, 16, 18. Aufgrund des umfänglichen Formschlusses wird hierdurch ermöglicht, dass die Einsatzteile 12 bis 18 besonders hohe Drehmomente auf den Grundkörper 11 übertragen können. Eine Ovalität der Öffnungen 20 und 22 ist auch denkbar.
  • Die Aufnahmeöffnungen 20 bis 26 können dabei zweckmäßigerweise durch Ultraschallbohren mit nicht rotierenden Bohrköpfen erzeugt werden. Es ist also nicht nötig, die Einsatzteile 12 bis 18 während des Aushärtens der Matrix des Grundkörpers 11 einzubringen, so dass dadurch möglicherweise resultierende Gefügeverschlechterungen im Faserverbundwerkstoff des Grundkörpers 11 vermieden werden.
  • Um einen besonders guten Halt und gleichzeitig eine schnelle Montage der Einsatzteile 12 bis 18 zu ermöglichen, weisen die Teilbereiche 28 dieser Einsatzteile 30, wie beispielsweise in 2 dargestellt, ein Übermaß gegenüber den zugeordneten Aufnahmeöffnungen auf. 2 zeigt ein Einsatzteil 30, welches als Gewindebolzen zum Verschrauben des Faserverbundbauteils 10 mit einem weiteren Bauteil ausgebildet ist. Der Gewindebolzen 30 weist dabei im Teilbereich 28, der an die zugeordnete Einsatzöffnung eingesetzt wird, ein rechteckiges Querschnittsprofil auf. Aufgrund des Übermaßes kann der Gewindebolzen 30 in die Aufnahmeöffnung eingepresst werden, wodurch sich gleichzeitig ein Kraftschluss ergibt.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Einsatzteils 32, welches als Rechteckbuchse ausgebildet ist. Der gesamte Grundkörper der Rechteckbuchse 32 weist dabei einen rechteckigen Querschnitt auf und besitzt ebenfalls ein Übermaß zur zugeordneten Aufnahmeöffnung. Zentral in der Rechteckbuchse 32 ist eine Aufnahmeöffnung 34 vorgesehen, in welche andere Bauteile eingeschraubt werden können.
  • Soll eines der Einsatzteile als Massebuchse zum Verbinden des Faserverbundbauteils 10 mit Masse eingesetzt werden, so kann zur Verbesserung der Leitfähigkeit zwischen der Massebuchse und den elektrisch leitfähigen Karbonfasern des Faserverbundbauteils 10 zusätzlich eine elektrisch leitfähige Verklebung mit Metall oder Graphitpartikeln im Klebstoff verwendet werden.
  • Selbstverständlich eignet sich das geschilderte Verfahren nicht nur zum Herstellen von Karbonfaserbauteilen, vielmehr können auf die beschriebenen Art Einsatzteile in Faserverbundbauteile mit beliebigen Verstärkungsfasern wie beispielsweise Karbon, Glas, Aramid, Metall oder dergleichen eingesetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1958719 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils (10) mit einem Einsatzteil (12, 14, 16, 18, 30, 32), welches zumindest mit einem Teilbereich (28) in eine korrespondierende Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) des Faserverbundbauteils (10) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnittsprofil der Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) sowie ein Querschnittsprofil des Teilbereichs (28) des Einsatzteils (12, 14, 16, 18, 30, 32) von einer kreisrunden Form abweicht.
  2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) eingesetzte Teilbereich (28) des Einsatzteils (12, 14, 16, 18, 30, 32) ein Übermaß gegenüber der Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) aufweist.
  3. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (12, 14, 16, 18, 30, 32) mit dem Faserverbundbauteil (10) mittels eines Klebstoffs verklebt ist.
  4. Verbindungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff elektrisch leitfähig ist.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung eines Faserverbundbauteils (10) mit einem Einsatzteil (12, 14, 16, 18, 30, 32), bei welchem mittels Ultraschallbohren eine Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) in dem Faserverbundbauteil (10) erzeugt wird, in welche das Einsatzteil (12, 14, 16, 18, 30, 32) zumindest mit einem korrespondierenden Teilbereich (28) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnittsprofil erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (12, 14, 16, 18, 30, 32) mit Übermaß in die Aufnahmeöffnung (20, 22, 24, 26) eingepresst wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (12, 14, 16, 18, 30, 32) mit dem Faserverbundbauteil (10) verklebt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verkleben ein elektrisch leitfähiger Klebstoff verwendet wird.
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EP1958719A1 (de) 2005-11-25 2008-08-20 Hamamatsu Foundation for Science and Technology Promotion Ultraschallschwingungsbearbeitungsverfahren und durch das verfahren hergestellter faserverstärkter harz

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