DE102012104511B4

DE102012104511B4 - Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen

Info

Publication number: DE102012104511B4
Application number: DE102012104511.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Thiel
Original assignee: RADOLID Thiel GmbH
Current assignee: RADOLID THIEL GMBH, DE
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: DE102012104511A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen, umfassend die Schritte: • Bereitstellen der Bauteile aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen • Einfahren eines rotierenden Werkzeugs (10) unter Vorschub in die Bauteile; dabei • Erzeugen mindestens eines Lochs, wobei das Loch durch Nutzung der Friktionsenergie in die Bauteile eingebracht wird, • Einschneiden eines Gewindes in das Loch • Herausziehen des Werkzeugs (10) und anschließend • Eindrehen einer Schraube in das Loch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Werkzeug zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen.
Bei carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe genannt, handelt es sich um Faser-Kunstoff-Verbundwerkstoffe, bei denen Kohlenstofffasern in der Regel mehrlagig als Verstärkung in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Die Matrix besteht üblicherweise auch Duromeren, bspw. Epoxidharz. Die Epoxidharz-Matrix verklebt dabei die Fasern und fixiert sie in ihrer gewünschten geometrischen Ordnung. Zusätzlich übernimmt die Epoxidharz-Matrix mechanische Aufgaben. So ist sie bspw. verantwortlich für die Kraftübertragung in die Faser in Faserlängsrichtung sowie die Weiterleitung der Lasten quer zur Faserorientierung. Bei Druckbeanspruchung schützt die Matrix die Faser vor Knickung. Darüber hinaus verhindert die Epoxidharz-Matrix chemische Reaktionen zwischen Kohlenstoff und Umgebungssubstanzen.
Der üblicherweise verwendete Epoxidharz bildet einen räumlich engmaschig vernetzten Kunststoff mit amorpher Struktur. Er entsteht durch eine chemische Härtungsreaktion. Diese läuft als Polyaddition ab. Um die Reaktion in Gang zu setzen, wird der Harzkomponente ein Härter zudosiert. Epoxidharz, wie andere Duroplaste ebenfalls, sind im Gegensatz zu thermoplastischen Kunststoffen nicht schmelzbar. Infolgedessen können in Duroplasten enthaltene Verbundwerkstoffe nicht verschweißt werden, weshalb die Möglichkeiten, aus Duroplasten bestehende Bauteile nach ihrem Herstellungsprozess zu verbinden, begrenzt sind. Aufgrund des fehlenden plastischen Zustandsbereichs fallen die mechanischen Eigenschaften von Duroplasten bis zu ihrer Zersetzungstemperatur nur geringfügig ab. Infolgedessen ist der Werkstoff bei Raumtemperatur hart und im Allgemeinen bis zum Erreichen seiner Zersetzungstemperatur hartelastisch. Die Kohlenstofffaser verleiht Bauteilen aus CFK hervorragende mechanische Eigenschaften. Zudem sind sie bei gleicher Stabilität wesentlich leichter als vergleichbare Leichtbauwerkstoffe. Durch die Beimischung von Füllstoffen können die mechanischen Eigenschaften sowie die Chemikalienbeständigkeiten des Werkstoffs zusätzlich beeinflusst werden. CFK-Bauteile werden vor allen Dingen dort eingesetzt, wo hohe mechanische Anforderungen in Kombination mit einem geringen Gewicht der Konstruktion gefragt sind. Hier sind insbesondere der Luftfahrzeugbau, der Motorsport aber auch der Sportgerätebau zu nennen.
Um Bauteile aus CFK untereinander durch Schrauben oder Nieten zu verbinden, ist es empfehlenswert, die dafür vorgesehenen Aussparungen, ihre Lage sowie ihre Geometrie vor dem Fertigungsprozess des Bauteils festzulegen. Nachträglich eingebrachte Bohrungen beeinflussen die Eigenschaften der Bauteile negativ, da sie den Faserverlauf unterbrechen, wodurch mechanische Schwachstellen in der Bauteilstruktur auftreten können.
Um Aussparungen ohne gleichzeitige Schwächung der Bauteilstruktur zu erzeugen, wird beim Fertigungsprozess, ähnlich wie beim Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffen, mit Kernen gearbeitet. Das vor der eintretenden Härtungsreaktion flüssige Harz umströmt dabei die Kerne. Nach der abgeschlossenen Härtungsreaktion bleiben Aussparungen im Bauteil zurück. Nachteilig bei dieser Art der Herstellung von Aussparungen ist jedoch der höhere Aufwand bei der Konstruktion sowie der Herstellung.
Zur Vermeidung der hohen Kosten wird daher trotz der bestehenden mechanischen Nachteile häufig auf eine spanende Bearbeitung der CFK-Bauteilen zurückgegriffen. Hierzu sind speziell gehärtete Bohrer erforderlich, die teuer sind. Zudem unterliegen diese Bohrer trotz ihrer gehärteten Bohrspitzen einem sehr hohen Verschleiß aufgrund der Materialeigenschaften der CFK-Bauteile.
Zur Verbindung dünnwandiger Werkstücke aus Metall ist aus der DE 196 34 417 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem die Verbindung mittels eines Fließformwerkzeugs hergestellt wird. Es hat sich nun in Untersuchungen überraschender Weise gezeigt, dass diese Art der Bearbeitung für carbonfaserverstärkte Kunststoffe einsetzbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen mit Hilfe einer Verschraubung zu schaffen, die einerseits nachträglich in die Bauteile eingebracht werden kann und andererseits preiswert und konstruktiv einfach realisierbar ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Mit der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen mit Hilfe einer Verschraubung geschaffen, die eine nachträgliche Einbringung von Aussparungen in die Bauteile ermöglicht, wobei der Werkzeugverschleiß wesentlich reduziert ist. Gleichzeitig kann auf die Verwendung speziell gehärteter und damit teurer Bohrer verzichtet werden. Da auf die Verwendung von Kernen bei der Herstellung der Bauteile verzichtet wird, ist der konstruktive Aufwand sowie der Aufwand bei der Herstellung der Bauteile reduziert.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Werkzeug zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen gelöst, das einen Schaft und einen Bearbeitungsteil umfasst und der Bearbeitungsteil die Form eines geraden Zylinders aufweist, wobei die Bauteile aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Zwar ist aus der DE 29 30 020 A1 ein Befestigungselement zum Eindrehen in Materialien mit geringer Festigkeit bekannt, das einen zylindrischen Endabschnitt aufweist. Dieses weist jedoch zusätzlich eine Stegwendel auf und ist daher die Verwendung an carbonfaserverstärkten Kunststoffen ungeeignet. Durch die zylindrische Ausbildung ist das erfindungsgemäße Werkzeug in der Lage ein Loch durch Nutzung der Friktionsenergie in die Bauteile einzubringen. Eine spanende Bearbeitung findet nicht statt, weshalb am Werkzeug auch kein Materialverlust stattfindet. Der Verschleiß ist in Folge dessen erheblich reduziert.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
1 die schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen;
2 die schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen in anderer Ausbildung.
Das als Ausführungsbeispiel gewählte Werkzeug 10 zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen umfasst einen Schaft 1 und einen Bearbeitungsteil 2. Der Bearbeitungsteil 2 weist die Form eines geraden Zylinders auf. Er ist an seinem freien Ende nicht angefast. Infolgedessen ist zwischen der Außenfläche des Bearbeitungsteils 2 und dem stirnseitigen Ende 3 des Bearbeitungsteils 2 ein scharfkantiger rechter Winkel ausgebildet. Der Schaft 1 schließt sich im Ausführungsbeispiel nach 1 absatzlos an den Bearbeitungsteil 2 an. Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Übergang zwischen Schaft 1 und Bearbeitungsteil 2 abgesetzt ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist eine Einschnürung 4 vorgesehen, an die sich auf der der Stirnseite 3 abgewandten Seite eine konische Erweiterung 5 anschließt. Die konische Erweiterung 5 geht über in ein Gewinde 6, welches ebenfalls Bestandteil des Schaftes ist. Anstelle des Gewindes 6 kann auch an dem Werkzeug 10 ein Gewindeschneider ausgebildet sein, mit dem das für die anschließende Verschraubung der Bauteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff in die Bauteile eingeschnitten werden kann. An das Gewinde 6 schließt sich im Ausführungsbeispiel nach 2 eine Aufnahme 7 an, die zum Einspannen des Werkzeugs 10 in eine Werkzeugmaschine dient.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen wird ein hinreichend schnell rotierendes Werkzeug unter Vorschub in die jeweiligen Bauteile aus CFK eingefahren, bis die Stirnseite 3 des Werkzeugs mit der Oberfläche des ersten Bauteils in Berührung kommt. Bei einem weiteren Vorschub dringt das rotierende Werkzeug in das Bauteil ein. Hierbei wird aufgrund der Rotation des Werkzeugs und der glatten, vorzugsweise scharfkantigen Ausbildung des Werkzeugs auf seiner Stirnseite die Friktionsenergie zwischen rotierendem Werkzeug und dem Bauteil ausgenutzt. Durch die Friktion zwischen der Stirnseite, welche eine Art Reibfläche bildet, und der Bauteiloberfläche wird Wärmeenergie erzeugt. Mit Hilfe dieser Energie wird die Epoxidharz-Matrix bis auf Zersetzungstemperatur erwärmt und zerstört. Die dadurch freiliegende Kohlefaser wird anschließend durch die Rotation zertrennt. Auf diese Weise wird das gewünschte Loch erzeugt. Anschließend wird das Gewinde in das Loch eingeschnitten und es wird nach Herausziehen des Werkzeugs eine Schraube in das Loch eingedreht. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, ein Werkzeug mit einem Schraubenkopf auszurüsten, und diesen als eine Art verlierbares Werkzeug unmittelbar in die CFK-Bauteile einzudrehen, sodass das Werkzeug selbst nach dem Eindringen in die Bauteile und Lösen aus der Werkzeugmaschine die Schraube zur Verbindung der Bauteile aus CFK bildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen sowie das Werkzeug zur Herstellung dieser Verbindung bieten einen erheblichen Kostenvorteil im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren bzw. Werkzeugen zur nachträglichen Einbringung von Löchern für Verschraubungen. Zwar beinhaltet auch die erfindungsgemäße Vorgehensweise den Nachteil, dass sie zu einer Schwächung des Faserverlaufs in den Bauteilen und damit zu mechanischen Schwachstellen führen; im Vergleich zu spanenden Werkzeugen bieten das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Werkzeug jedoch erhebliche Vorteile, da auf die Verwendung von gehärteten Bohrern verzichtet werden kann. Zudem ist der Verschleiß am Werkzeug minimal, da durch die Reibung die Struktur aufgelöst wird und nicht wie bei spanenden Bearbeitungsverfahren die außerordentlich stabile Struktur der Bauteile zerstört werden muss.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen, umfassend die Schritte: • Bereitstellen der Bauteile aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen • Einfahren eines rotierenden Werkzeugs (10) unter Vorschub in die Bauteile; dabei • Erzeugen mindestens eines Lochs, wobei das Loch durch Nutzung der Friktionsenergie in die Bauteile eingebracht wird, • Einschneiden eines Gewindes in das Loch • Herausziehen des Werkzeugs (10) und anschließend • Eindrehen einer Schraube in das Loch.
Werkzeug (10) zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen mit einem Verfahren nach Anspruch 1, umfassend einen Schaft (1) und einen Bearbeitungsteil (2), wobei der Bearbeitungsteil (2) die Form eines geraden Zylinders aufweist.
Werkzeug (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schaft (1) absatzlos an den Bearbeitungsteil (2) anschließt.
Werkzeug (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (1) mit einem Gewinde (6) versehen ist.