DE102013019097A1 - Verfahren und Bauteilgestaltung zum reib- und formschlüssigen Verbinden von Halbzeugen aus Faserverbundwerkstoffen mit metallischen Anschlussbauteilen - Google Patents

Verfahren und Bauteilgestaltung zum reib- und formschlüssigen Verbinden von Halbzeugen aus Faserverbundwerkstoffen mit metallischen Anschlussbauteilen Download PDF

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Abstract

Fügeverfahren zum Verbinden von hohlen rohrförmigen Bauteilen, Halbzeugen oder Komponenten aus Faser-Verbundwerkstoff mit metallischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil so gestaltet ist, dass es während des umformtechnischen Fügeprozesses eine Aufweitung innerhalb des Rohres erfährt und dieses somit von innen stützt, während der äußere Mantelteil der Hülse von außen auf das Rohr gefügt wird und das rohrförmige Bauteil somit keine Verlagerung und damit auch keine Beanspruchung in Radialrichtung erfährt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Fügen insbesondere von metallischen Bauteilen und rohrförmigen Halbzeugen aus Faser-Verbund-Werkstoffen (CFK und GFK), bei denen eine metallische Hülse durch inkrementelle Umformung, insbesondere durch Rundkneten, mit einem rohrförmigen Faser-Verbund-Halbzeug gefügt wird.
  • Rundkneten ist ein inkrementelles Kaltumformverfahren für stangen- und rohrförmige Bauteile und wird nach DIN 8583 Bl. 4 – Fertigungsverfahren Druckumformen – Gesenkumformen zu den Freiformschmiedeverfahren gerechnet. Bei diesem Verfahren erfolgt der Werkzeugeingriff diskontinuierlich während im Bauteil ein ebener Verformungszustand auftritt. Aufgrund der verfahrensspezifischen Vorteile, wie zum Beispiel einer Kaltverfestigung und einem ungestörten Faserverlauf, eignet sich das Rundkneten in idealer Weise zur Herstellung von Hohlbauteilen mit festigkeits- bzw. steifigkeitsoptimiertem Wandstärkenverlauf und findet insbesondere im Automobilbereich eine breite Anwendung in der industriellen Großserienfertigung.
  • Während bei zwei metallischen Fügepartnern sowohl das Mantel- wie auch das Kernmaterial in vergleichsweise weiten Bereichen plastisch verformt werden kann, ist genau dies beim Einsatz von CFK als rohrförmigem Kernmaterial nur sehr eingeschränkt bzw. nicht möglich, da sich Faserverbundwerkstoffe in aller Regel weniger duktil verhalten, beziehungsweise kein oder nur ein sehr geringes plastisches Verformungsvermögen haben.
  • Die dargestellte erfinderische Lösung nutzt die Stützwirkung durch die definierte Verformung des metallischen Fügebauteils innerhalb des Faserverbundrohrs. Dadurch kann in sehr geeigneter Weise eine signifikante Druckbeanspruchung des Faser-Verbund-Rohrs quer zur Faserrichtung während des Fügeprozesses vermieden, begrenzt oder kompensiert werden. Die konstruktive Gestaltung der Hülse ermöglicht es dabei, dass das Faser-Verbund-Rohr während des Fügeprozesses weder reduziert noch aufgeweitet wird und der Reibschluss dadurch erzeugt wird, dass die Wandung des Faser-Verbund-Rohrs zwischen dem inneren und äußeren Teil der Hülse eingespannt wird. Beim rundknettechnischen inkrementellen Umformen, beispielsweise einer Hülse aus Aluminium auf ein Rohr aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff (CFK), entsteht eine reibschlüssige Verbindung ähnlich wie bei einem Querpressverband, ohne dass die Fasern und damit das rohrförmige CFK-Bauteil durch eine Druckbeanspruchung während des Fügeprozesses beschädigt oder zerstört wird.
  • In der Praxis werden Faser-Verbundbauteile derzeit durch Kleben mit metallischen Bauteilen gefügt. Für die Qualität einer Klebeverbindung ist der Spalt zwischen den beiden Bauteilen von maßgeblicher Bedeutung. Insbesondere die vergleichsweisen großen Schwankungen in der Wandstärke von Verbundhalbzeugen, z. B. pultrodiertem Rohr, erschweren die Einhaltung des Spaltmaßes und bedingen somit eine eingeschränkte Prozesssicherheit bei der Herstellung der geklebten Fügeverbindung.
  • Aus DE 41 07 222 A1 sind Verbindungen zwischen einer rohrförmigen Welle aus einem Faser-Verbundwerkstoff und einem Metallzapfen sowie ein zu ihrer Herstellung einsetzbares Verfahren bekannt. Aus den 7 und 8 und der dazugehörigen Beschreibung auf Seite 5, Z. 24-37 sowie S. 3, Z. 36–47 geht hervor, dass die in der Matrix eingebetteten Fasern quer zur ihrer Richtung im zu fügenden Rohmaterial radial so beansprucht werden, dass zumindest ein ungünstiger Eigenspannungszustand in die Verbindung eingeprägt wird beziehungsweise das Faser-Verbundbauteil durch den Fügeprozesses geschädigt werden kann. Genau dieser Effekt würde durch die in dieser Anmeldung dargestellte erfinderische Lösung vermieden. In DE 41 07 222 A1 werden zwar sowohl Verfahre, bei dem die zum Fügen notwendige Kraft von innen beziehungsweise von außen auf die Fügebauteile aufgebracht wird. Es wird jedoch in keiner Weise ein Lösungsansatz gezeigt, bei dem eine Verformung der Hülse von innen und außen genutzt wird, um ungünstige Beanspruchungen des Faser-Verbundmaterials während des Fügeprozesses zu vermeiden, und darüber hinaus auch keine prinzipielle Lösung für solch ein Verfahren gezeigt.
  • Die Darstellungen in DE 198 59 212 C1 zum Verbinden von CFK-Rohren und Al-Fittings mittels Klebeverbindung und Nieten beziehen sich auf den Aufbau des Faser-Verbundgeleges (Faserlagen und Faserrichtungen) für ein Rohmaterial, das am Ende durch Anschlussbauteile verstärkt wird. Es ist nicht erkennbar, dass neben dem Formschluss durch Nieten beziehungsweise der Ergänzung durch Kleben hier ein Querpressverband gemäß der dieser Anmeldung zu Grunde liegenden erfinderischen Lösung erzeugt wird beziehungsweise zum Tragverhalten herangezogen wird.
  • Der in DE 29 07 975 A1 dargestellte Kunstharzisolator und das Verfahren zur Herstellung desselben bezieht sich auf eine Hybridverbindung von Stangen aus einem Faser-Verbundwerkstoff mit einem Metallbauteil, indem das Metallteil durch Druck umgeformt wird. Bei der dargestellten erfinderischen Lösung wird beispielsweise ein Anschlussauge aus einem metallischen Werkstoff mit einem Stab aus Vollmaterial aus einem Faser-Verbundwerkstoff gefügt. Bei einer solchen Lösung entsteht durch die Querschnittflächen des vollen Materials eine entsprechende Stützwirkung, die es möglicherweise erlaubt, die Beanspruchung im Faser-Verbundmaterial so zu begrenzen, dass eine Fügeverbindung für die dargestellten Anwendungen realisiert werden kann. Dieser Ansatz lässt sich jedoch nicht auf das Fügen von Rohmaterial übertragen. Der Umformprozess zur Verformung der metallischen Bauteile vollzieht sich außerdem kontinuierlich und stetig in einem Umformschritt und belastet das Material während des Fügeprozesses entsprechend hoch. Das in DE 198 12 928 A1 dargestellte Sicherungsverfahren für einen Polymerisolator bezieht sich ebenfalls auf die Verwendung von massiven Faser-Verbundbauteilen als Kernbauteil der Fügeverbindung. Bei den dargestellten Verfahren wird eine über die axiale Position in Längsrichtung variable Fügekraft eingesetzt. Die Erzeugung unterschiedlicher Verformungszustände in unterschiedlichen Zonen des Bauteils wird hier genutzt, um Setzerscheinungen und Kriechvorgänge (Relaxion) im Kernmaterial zu kompensieren. Die durch dieses Verfahren erzeugte inhomogene Flächenpressung schränkt eine optimale Ausnutzung der Fügeverbindung ein, insbesondere für höher beanspruchte Bauteile durch Kräfte und Momente.
  • Ähnlich wie die genannten DE 290 79 75 A1 und DE 198 12 928 bezieht sich auch DE 1400 003 auf ein Verfahren zum Herstellen einer zugfesten Verbindung zwischen einer Metallarmatur und einem glatten zylindrischen Stab oder Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Das hier dargestellte Verfahren bezieht sich ebenfalls auf Vollmaterial, welches keiner zusätzlichen Stützwirkung während des Fügeprozesses bedarf und bei dem die metallische Hülse in einem Umformschritt aufgepresst bzw. gequetscht wird und nicht, wie bei der erfinderischen Lösung, die Inhalt dieser Anmeldung ist, inkrementell erzeugt wird. Die veränderliche Wanddicke der Metallhülse bezieht sich lediglich auf die Längsrichtung.
  • Weiterhin ist aus der Patentliteratur DE 25 22 866 eine Verbindungsklemme für Zugglieder aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, bei der eine Verbindung zwischen Faser-Verbund-Stangen und einem Seil-Material aus Metall durch eine kaltumgeformte, gequetschte Metallhülse herbeigeführt wird. Dargestellt ist eine Quetschverbindung von Stangen-, Rohr- oder Schlauch- beziehungsweise Kabelenden. Diese Quetschverbindung wird durch zwei halbschalenförmige Werkzeuge in einem Umformschritt hergestellt. Die Verbindungshülse kann hier nicht so auf bzw. in das Material eingebracht werden, um es von innen zu stützen, sodass eine Beeinträchtigung bzw. Schädigung des Materials nicht ausgeschlossen werden kann.
  • Gemäß des erfinderischen Lösungsansatzes in DE 10 2007 011 987 A1 , der auch Inhalt von Forschungsarbeiten und entsprechenden Veröffentlichungen der TU Chemnitz ist, wird ein Zugstabsystem und ein Verfahren zum Erstellen eines Zugstabsystems beschrieben. Dargestellt wird eine form- und kraftschlüssige Verbindung eines innen liegenden CFK-Bauteils mit einer umschließenden metallischen Hülse. Auch hier handelt es sich um ein Faser-Verbundbauteil aus Vollmaterial und einen quasistatischen Pressprozess zum Fügen beider Teile mittels zweier Halbschalen. Ähnlich diesem Verfahren ist auch die in DE 10 2005 044 228 A1 dargestellte Lösung, wobei die Presswerkzeuge (Backen) hier in der Art ausgeführt sind, dass und die Verformung der Hülse durch Verschieben dieser Pressebacken entlang der axialen Richtung von Hülse und Kernmaterial erfolgt.
  • Die Verbindung einer hohen Welle (Rohr) aus einem Faser-Verbundmaterial mit Anschlussstück am Ende wird gemäß DE 198 42 821 C2 durch das Einbringen eines innen liegenden Stützringes erreicht. Die Einspannung (Klemmung) der Rohrwandung wird hier durch axiales Ineinanderschieben der einzelnen Bauteile erreicht. Abweichungen vom Nennmaß des Rohrinnen- und -außendurchmessers sowie insbesondere Schwankungen der Wanddicke können bei diesem Verfahren nur ansatzweise kompensiert werden und führen in der Regel zu einem Verlust in der Tragfähigkeit der Fügeverbindung. Darüber hinaus entsteht durch das zusätzliche Element, dem Stützring, innerhalb des Herstellverfahrens ein erheblicher Mehraufwand bei der Zuführung und Verarbeitung der einzelnen Fügepartner.
  • Zum Anschluss und zur Übertragung von Drehmomenten in torsionsweiche Rohre wird in DE 30 32 370 A1 eine Klebeverbindung vorgeschlagen, sowie deren Ergänzung durch Niete oder Bolzen. Die Ergänzung der in dieser Anmeldung dargestellten erfinderischen Lösung durch Kleben dient neben einer Erhöhung der Verbindungsfestigkeit im Wesentlichen dazu, ein während des Umformprozesses verwendetes Schmiermittel aus der Fügezone fernzuhalten bzw. diese gegen das Eindringen eines solchen Mediums abzudichten.
  • Das Fügen einer kaltumgeformten Metallhülse auf ein stabförmiges Bauteil aus Faserverbundmaterial ist auch Gegenstand einer Veröffentlichung zum Thema „Anchorage of fiber reinforced polymer (CFRP) tendons using cold-swaged sleeves", erschienen in PCI-Journal im November/Dezember 2001. Der Beitrag aus den USA zeigt einen Vergleich zwischen geklebten und geklemmten bzw. gecrimpten Verbindungen einer Metallhülse mit Faserverbundbauteilen, die ausschließlich aus Vollmaterial bestehen.
  • Ein weiteres Verfahren zum Verbinden von Faser-Verbundbauteilen mit metallischen Strukturen ist das Einlaminieren. Hierbei werden Fasern am Ende des Faser-Verbundbauteils gezielt an bzw. in die Struktur des metallischen Bauteils integriert z. B. durch Umwickeln der Faserenden über Zapfen oder durch Bohrungen. Die so entstehende formschlüssige Verbindung zeigt eine gute Festigkeit und Steifigkeit, ist jedoch sehr aufwändig und insbesondere bei der Fertigung mittlerer und größerer Stückzahlen, wie sie innerhalb einer wirtschaftlichen Massenfertigung erforderlich sind, in wirtschaftlicher Hinsicht oft nicht zu vertreten.
  • Das Fügeverfahren, dem die erfinderische Lösung zu Grunde liegt, soll insbesondere die Vorteile nutzen wirtschaftlich günstig hergestellte Faser-Verbund-Halbzeuge, zum Beispiel Rohre, mit metallischen Anschlussbauteilen zu fügen. Der Erfindung liegt sowohl ein prozesstechnischer als auch ein konstruktiver Lösungsansatz für das metallische Bauteil zu Grunde. Zum einen werden in die zur Verspannung der Hülse auf dem Rohrquerschnitt notwendigen Kräfte inkrementell aufgebracht und das Faserverbundmaterial während des Fügevorgangs vergleichsweise schonend beansprucht, und zum anderen wird durch eine geeignete konstruktive Gestaltung der Hülse gleichzeitig bzw. in enger zeitlicher Abfolge beziehungsweise zeitsynchron der zum Fügen notwendige Innen- sowie Außendruck durch die Hülse auf das Rohr aufgebracht.
  • Bauteile, die durch das dargestellte Fügeverfahren, welches Kern der erfinderischen Lösung nach Anspruch 1 ist, können in den Bereichen der Automobilindustrie, insbesondere der Fahrwerkstechnik, dem allgemeinen Maschinenbau und der Automatisierungstechnik in sehr geeigneter Weise eingesetzt werden. Im Bereich der Automobilindustrie/Fahrwerkstechnik ist ein Einsatz insbesondere für momentenleitende Bauteile, wie zum Beispiel Antriebs- und Getriebewellen, Ausgleichs- und Kardanwellen sowie Lenkwellen, Stoßdämpfer sowie andere Fahrwerkskomponenten aufgrund der durch das Verbundbauteil eingesparten Masse und der damit verbundenen Reduzierung der Trägheitskräfte und der Massenträgheitsmomente so hergestellter Bauteile sehr effektiv. Dies betrifft sowohl die Erreichbarkeit einer höheren Fahrdynamik, als auch die Erschließung des Potenzials zur Einsparung von Energie und damit Reduzierung der erforderlichen Antriebsleistung des Fahrzeugs. Im allgemeinen Maschinenbau können im Bereich hydraulischer Aktoren, zum Beispiel Linearzylinder, oder auch bei Rohrleitungssegmenten Bauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, ebenfalls zur Massenproduktion und damit zu einer Steigungen der Dynamik beitragen. In die Automatisierungstechnik sowie bei Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen werden massenoptimierte Bauteile und Baugruppen insbesondere für die Drehmomentübertragung in Antriebssträngen mit variabler Drehzahl (Beschleunigungsvorgänge durch Lastwechsel) und insbesondere bei erhöhten Anforderungen an die Dynamik der bewegten Maschinenbaugruppen eingesetzt und benötigt.
  • Zeichnungen
  • 1a zeigt die Komponenten und den Ablauf des Fügeprozesses.
  • 1b zeigt schematisch den Aufbau der metallischen Hülse und die Integration des Rohrendes in die Hülse in einer Schnittdarstellung. Das innere rohrförmige Bauteil 10 wird mit seinem Ende 11 in die stirnseitig angeordnete Nut 21 im metallischen Fügebauteil 20 in axialer Richtung 12 eingesteckt und anschließend durch die zyklische oszillierende Bewegung 41 der Rundknetwerkzeuge 40a und 40b derart umgeformt, so dass das Rohrende in der Hülse eingespannt wird.
  • In 2a ist eine erweiterte Prozessvariante zur Optimierung des neuen Fügeverfahrens Kombination von Reibschluss und Formschluss dargestellt. 2b zeigt die erweiterte Prozessvariante in einer Schnittdarstellung. Der zusätzliche Formschluss wird dadurch erzeugt, dass nachdem zusammenstecken in axialer Richtung 12 des rohrförmigen Bauteils 10 und der Hülse 20 radial verlaufende Bohrungen 13 und 22 in den überlappenden Bereich beider Bauteile eingebracht werden, durch die anschließend mindestens ein Stift 23 in radiale Richtung eingesteckt 24 wird. Der so vorbereitete Verbund wird dann durch die zyklische oszillierende Bewegung 41 der Rundknetwerkzeuge 40a und 40b derart umgeformt, so dass das Rohrende reib und formschlüssig mit der Hülse verbunden wird und die Stift 31 in gefügtem Zustand Hülse und Rohrende verbinden. Durch diese erweiterte Prozessvariante kann insbesondere ein höheres übertragbares Moment, beispielsweise für Antriebswellen oder aber auch eine höhere zulässige Zugkraft in Stäben von Fachwerken erreicht werden. Um diese zulässigen Grenzen noch weiter zu verschieben, kann die Fügeverbindung auch noch durch einen zusätzlichen Stoffschluss ergänzt werden, in dem der Spalt zwischen beiden Fügeteilen zusätzlich mit Klebstoff gefüllt wird und dieser auch gegen eindringende Medien, wie z. B. Wasser oder Öl abgedichtet wird.
  • Die 3, 4a und 4b sowie 5 zeigen die unterschiedlichen Phasen des Fügeprozesses und die grundlegende Gestaltung des metallischen Fügebauteils (Hülse).
  • 3 zeigt die zusammengesteckten Fügebauteile (losen Fügeverbund) vor dem Fügeprozess. Das rohrförmige Bauteil 10 ist in die stirnseitige Nut 21 in der metallische Hülse 20 in axial Richtung eingesteckt. Auf dieser Seite (A) hat das Anschlussbauteil – die Hülse – eine axiale zentrische Bohrung 20a, die eine Verformung in radialer Richtung zulässt. Auf der gegenüberliegenden Seite (C) hat die Hülse ebenfalls eine Bohrung 20c, die ebenfalls eine Verformung in radialer Richtung zulässt. Der mittlere verbindende Teil (B) der Hülse hat die Funktion eines monolithischen Gelenks 20b, sodass sich die Verformung von der linken Seite A auf die rechte Seite C auswirken kann in der Art, das der innenliegende Bauteilbereich 20c bei Reduzierung der Hülse 20 im Bereich A sich von innen nach außen aufspreizt.
  • 4b und 4b zeigen zwei charakteristische Phasen des Fügeprozesses bei Anwendung des Vorschubrundknetens. Die inkrementelle Umformkräften 50a und 50b auf der linken Seite A führt auf der rechten Seite C zu einer Aufspreizung 60 des inneren Teils 20c der Hülse 20 im Bereich C. Dabei kommt die Rohrinnenwandung zur Anlage mit der innenliegenden Mantelfläche der stirnseitigen Nut 11, die sich radial nach außen hin öffnet. 4b zeigt den Fügeverbund wenn die inkrementelle Umformkraft 50a und 50b im Bereich C wirkt und die stirnseitigen Nut 11 von außen her nach innen hin umformt 70 und so das Rohrende verformungsfrei- bzw. -arm und beanspruchungsneutral einspannt. Die Hülse hat im mittleren Bereich (B) einen geschlossenen Querschnitt, während die beiden stirnseitigen Bereiche (A und C) hohl ausgeführt sind. Die Fügezone (C) auf der rechten Seite beinhaltet die Nut zum Einstecken des CFK-Rohrs. Der mittlere Bereich übernimmt hier die Funktion eines monolithischen Gelenks, so dass ein radialer Druck auf den linken Bereich (A) zu einer Aufweitung der gegenüberliegenden Fügezone (C) führt. Durch diese Expansion kommt der innere Teil der Hülse zur Anlage an der Rohrinnenseite. Durch die axiale Zustellbewegung beim Vorschubrundkneten wirken in Phase I die Umformwerkzeuge (Formbacken) zunächst auf den linken Bereich (A) und anschließend auf den mittleren (B) und in Phase II auf die Fügezone (C) der Hülse ein. Dort wird nun der äußere Mantelbereich umgeformt und es entsteht ein Reibschluss mit der Rohroberfläche.
  • 5 zeigt den gefügten Verbund 30 nach dem Fügeprozess mit den Komponenten Rohr 10 und Hülse 20.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 3032370 A1 [0013]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 8583 Bl. 4 – Fertigungsverfahren Druckumformen – Gesenkumformen zu den Freiformschmiedeverfahren [0002]
    • Veröffentlichung zum Thema „Anchorage of fiber reinforced polymer (CFRP) tendons using cold-swaged sleeves”, erschienen in PCI-Journal im November/Dezember 2001 [0014]

Claims (6)

  1. Fügeverfahren zum Verbinden von hohlen rohrförmigen Bauteilen, Halbzeugen oder Komponenten aus Faser-Verbundwerkstoff mit metallischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil so gestaltet ist, dass es während des umformtechnischen Fügeprozesses eine Aufweitung innerhalb des Rohres erfährt und dieses somit von innen stützt, während der äußere Mantelteil der Hülse von außen auf das Rohr gefügt wird und das rohrförmige Bauteil somit keine Verlagerung und damit auch keine Beanspruchung in Radialrichtung erfährt.
  2. Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Umformen notwendige Kraft inkrementell, insbesondere durch Vorschubrundkneten, aufgebracht wird.
  3. Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Umformen notwendige Kraft inkrementell, insbesondere durch Einstechrundkneten, aufgebracht wird.
  4. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Phasen des Fügeprozesses in einer definierten zeitlichen Abfolge erfolgen, beispielsweise mit einem zeitlichen Versatz von 0,2 bis 0,5 Sekunden.
  5. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Phasen des Fügeprozesses zeitsynchron erfolgen.
  6. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Kontaktbereiche der Hülse zeitgleich von mehreren, getrennt voneinander steuerbaren Umformeinrichtungen umgeformt werden.
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