DE102014001128A1 - Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten zweiten Bauteil - Google Patents

Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten zweiten Bauteil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1) mit einem aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten zweiten Bauteil (2) mittels wenigstens eines Verbindungsmittels (3), welches zum einen einen Form- und Kraftschluss mit dem zweiten Bauteil (2) und zum anderen zumindest einen Form und Kraftschluss mit dem ersten Bauteil (1) bildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil (2) aus einem Verbund eines Matrixmaterials und einer Faseranordnung mit einem als trockener Faserbereich ohne Matrixmaterial ausgebildeten Verbindungsbereich (2.1) zur Aufnahme des Verbindungselementes (3) hergestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein faserverstärktes Kunststoffbauteil (2) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten zweiten Bauteil mittels wenigstens eines Verbindungsmittels gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein faserverstärktes Kunststoffbauteil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Im Fahrzeugbau werden aus Gewichts- und Belastbarkeitsgründen vermehrt faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, insbesondere für Karosserieteile. An solchen Karosserieteilen müssen häufig weitere Bauteile befestigt werden, beispielsweise Verkleidungsteile. Die bei herkömmlichen Metallkarosserieteilen zum Einsatz kommenden Anbringungsarten bzw. Verbindungstechniken für die Befestigungselemente sind bei Kunststoffkarosserieteilen nicht ohne weiteres anwendbar.
  • Aus der EP 1 380 404 A1 ist es bspw. bekannt, ein Metallinsert in ein faserverstärktes Kunststoffbauteil einzubetten und hieran Befestigungselemente zu befestigen. Nachteilig hieran ist jedoch, dass bei solchen in ein faserverstärktes Kunststoffbauteil eingebettetes Metallinsert nahezu kein Toleranzausgleich, zumindest nicht in einfacher Weise realisiert werden kann.
  • Aus der DE 10 2005 013 154 A1 ist ein Befestigungselement zur Fixierung in einem formbaren Material, wie bspw. einem Faserverbundwerkstoff bekannt. Dieses Befestigungselement umfasst eine Grundplatte und ein daran angeordnetes Befestigungsmittel, wobei auf der gegenüberliegenden Seite mindestens ein Stift angeordnet ist, der zur Fixierung in der Grundplatte zunächst in das formbare Material, bspw. ein Gewebe oder Gelege eingedrückt wird, bevor dieses bspw. imprägniert und ausgehärtet oder laminiert wird. Nach dem Einbringen von Matrixmaterial wird ein Formschluss zwischen dem ausgehärteten Matrixmaterial und den Stiften hergestellt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem zwei Bauteile, insbesondere ein ein Strukturbauteil bildendes metallisches Bauteil mit einem faserverstärkten Kunststoffbauteil als weiteres Strukturbauteil verbunden werden kann, so dass dabei insbesondere ein Toleranzausgleich ermöglicht werden soll. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein faserverstärktes Kunststoffbauteil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Eine solches zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten zweiten Bauteil mittels wenigstens einem Verbindungsmittel, welches zum einen einen Form- und Kraftschluss mit dem zweiten Bauteil und zum anderen zumindest einen Form- und Kraftschluss mit dem ersten Bauteil bildet, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil aus einem Verbund eines Matrixmaterials und einer Faseranordnung mit einem als trockener Faserbereich ohne Matrixmaterial ausgebildeten Verbindungsbereich zur Aufnahme des Verbindungselementes hergestellt wird.
  • Mit einem solchen Verbindungsbereich des Kunststoffbauteil als zweites Bauteil lassen sich unterschiedlichste Verbindungstechniken zur Verbindung dieses zweiten Bauteils mit dem ersten Bauteil realisieren, so dass gleichzeitig ein Toleranzausgleich ermöglicht wird, ohne dass auf eine hohe Verbindungsmittel verzichtet werden müsste.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Verbindungsbereich der Faseranordnung durch Verpressen erzeugt wird, so dass nur der Bereich außerhalb dieses Verbindungsbereiches zunächst mit Matrixmaterial verfüllt wird. Damit kann ein solches faserverstärkte Kunststoffbauteil in einfacher Weise hergestellt werden.
  • Ein besonders vorteilhafte Verbindungstechnik ergibt sich weiterbildungsgemäß dadurch, dass als Verbindungsmittel ein Metallinsert verwendet wird, zur Herstellung der Verbindung dieses Metallinsert in den Verbindungsbereich der Faseranordnung eingeführt wird und anschließend in den Verbindungsbereich Matrixmaterial oder Klebstoff eingebracht und ausgehärtet wird. Damit wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil hergestellt, die beide Bauteile optimal miteinander verbindet. Vorzugsweise ist dabei das Metallinsert stoffschlüssig mit dem ersten, vorzugsweise metallischen Bauteil verbunden.
  • Alternativ kann der trockene Verbindungsbereich auch ohne Matrixmaterial oder Klebstoff zur mechanischen Verbindung des ersten und zweiten Bauteils verwendet werden, indem gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als Verbindungsmittel eine Schraube, eine Flow-Drill-Schraube, ein Niet oder ein zum Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen geeigneter Bolzen verwendet wird und die Verbindung durch Einführen der Schraube, der Flow-Drill-Schraube, des Nietes oder des Bolzens in den Verbindungsbereich des zweiten Bauteils und Fügen mit dem ersten, vorzugsweise metallischen Bauteil durchgeführt wird. Der wesentlichste Vorteil einer solchen Verbindungstechnik liegt darin, dass das als faserverstärkte Kunststoffbauteil ausgebildete zweite Bauteil durch das Verbindungsmittel nicht geschädigt wird.
  • Das als faserverstärkte Kunststoffbauteil ausgebildete zweite Bauteil zur Herstellung einer Verbindung mit dem ersten Bauteil zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, das faserverstärkte Kunststoffbauteil aus einem Verbund eines Matrixmaterials und einer Faseranordnung mit einem als trockener Faserbereich ohne Matrixmaterial ausgebildeten Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem Bauteil hergestellt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines aus zwei Bauteilen gefügten Hybrid-Bauteils vor einem Zustand der Fertigstellung als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung des Hybrid-Bauteils nach 1 im Zustand nach der Fertigstellung,
  • 3 eine schematische Draufsicht auf das gefügte Hybrid-Bauteil gemäß den 1 und 2, und
  • 4 eine schematische Schnittdarstellung eines aus zwei Bauteilen gefügten Hybrid-Bauteils als weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die 1 und 3 zeigen zwei zu einem Hybrid-Bauteil 10 zu verbindende Bauteile 1 und 2, nämlich ein erstes plattenförmiges Bauteil 1, welches als Metallbauteil, bspw. als Metall- oder Aluminiumblech ausgebildet ist sowie ein als faserverstärktes Kunststoffbauteil ausgebildetes zweites plattenförmiges Bauteil 2. Diese beiden Bauteile 1 und 2 stellen jeweils ein Karosseriebauteil einer Fahrzeugkarosserie dar. Das gefügte Hybrid-Bauteil 10 kann als Strukturbauteil einer Fahrzeugkarosserie eingesetzt werden.
  • Die Verbindung dieser beiden Bauteile 1 und 2 erfolgt mittels eines Verbindungsmittels 3, welches als Metallinsert mit einem Kopfabschnitt 3.1 und einem Stegabschnitt 3.2 ausgebildet und in einem Verbindungsbereich 2.1 des Kunststoffbauteils 2 angeordnet ist. Der Stegabschnitt 3.2 verbindet den Kopfabschnitt 3.1 mit dem Metallbauteil 1 und steht im Wesentlichen senkrecht auf einer Oberflächenseite 1.1 des Metallbauteils 1. Dieses Metallinsert 3 weist die Form eines Metall-Pins auf und ist Bestandteil des Metallbauteils 1. Zur Verbindung dieser beiden Bauteile 1 und 2 sind beispielhaft zwei solcher Verbindungsbereiche 2.1 mit jeweils einem Metallinsert 3 vorgesehen, wie dies aus der Draufsicht gemäß 3 ersichtlich ist.
  • Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 2 besteht aus einem Verbund eines Matrixmaterials und einer Faseranordnung, wobei der Verbindungsbereich 2.1 als trockener Faserbereich ohne Matrixmaterial ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung dieses Kunststoffbauteils 2 der Verbindungsbereich 2.1 der Faseranordnung nicht mit dem Matrixmaterial gefüllt bzw. getränkt wird, so dass dieser Verbindungsbereich 2.1 nach dem Aushärten aus unausgehärteten Fasern der Faseranordnung besteht.
  • Ein solches Kunststoffbauteil 2 kann bspw. mit dem bekannten RTM-Verfahren hergestellt werden, wobei der Verbindungsbereich 2.1 zuvor derart verpresst wird, dass dort kein Matrixmaterial verfüllt werden kann.
  • Zum Fügen der beiden Bauteile 1 und 2 wird das Metallinsert 3 durch die trockenen Fasern des Verbindungsbereichs 2.1 geschoben, so dass sich der Kopfabschnitt 3.1 zwischen den beiden Oberflächenseiten des Kunststoffbauteils 2 befindet. Diesen Zustand zeigt 1, wobei in diesem Zustand aufgrund der Nachgiebigkeit der Fasern in dem Verbindungsbereich 2.1 ein Toleranzausgleich zwischen diesen beiden Bauteilen 1 und 2 ermöglicht wird.
  • In einem nachfolgenden Verfahrensschritt, der in 2 schematisch angedeutet ist, wird mittels eines Applikationsgerätes 20 Kunststoffmatrix 21 oder Klebstoff 21 in den Verbindungsbereich 2.1, also in die trockenen Fasern eingebracht. Unter Beibehaltung der relativen Lage der beiden Bauteile 1 und 2 entsteht nach der Aushärtung der Kunststoffmatrix 21 oder des Klebstoffes 21 im Verbindungsbereich 2.1 des Bauteils 2 eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Metallinsert 3 und dem Kunststoffbauteil 2, wobei sich die beiden plattenförmige Bauteile 1 und 2 in ihrem Randbereich teilweise überlappen.
  • Eine alternative Verbindungstechnik ist nachfolgend im Zusammenhang mit 4 erläutert.
  • Bei dieser Verbindungstechnik erfolgt die Verbindung der beiden Bauteile 1 und 2 mechanisch mittels eines als Schraube, insbesondere als Flow-Drill-Schraube, oder als Niet oder als ein zum Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen geeigneter Bolzen ausgebildeten Verbindungsmittels 3, wobei gemäß 4 eine Flow-Drill-Schraube 3 dargestellt ist.
  • Zur Herstellung dieser Verbindung gemäß 4 ist das faserverstärkte Kunststoffbauteil als zweites Bauteil 2 entsprechend dem Kunststoffbauteil 2 nach 1 aufgebaut, bildet also einen ausgehärteten Verbund aus einer Faseranordnung mit einer Kunststoffmatrix, wobei die Faseranordnung ebenso einen nicht mit Kunststoffmatrix verfüllten Verbindungsbereich 2.1 mit trockenen Fasern aufweist.
  • Liegen die beiden Bauteile 1 und 2 in ihren Randbereichen überlappend übereinander, wird eine Flow-Drill-Schraube 3 durch den Verbindungsbereich 2.1 in das Metallbauteil 1 getrieben, wobei sich dabei ein Durchzug 1.2 mit einem von der Flow-Drill-Schraube 3 geschnittenen Gewinde bildet. Aufgrund des hohen Traganteils in dem derart entstandenen Gewinde wird eine hochfeste Verbindung der beiden Bauteile 1 und 2 erzielt. Bei einem möglichen Reparaturfall kann die Flow-Drill-Schraube 3 durch eine herkömmliche metrische Schraube ersetzt werden. Bei dieser Verbindungstechnik weist der Kopf 3.3 der Flow-Drill-Schraube 3 ein solchen Durchmesser auf, dass dieser über den Verbindungsbereich 2.1 hinausragt und dabei das Kunststoffbauteil 2 zwischen diesem Kopf der Flow-Drill-Schraube 3 und dem Metallbauteil 1 geklemmt wird.
  • Anstelle der Flow-Drill-Schraube 3 kann auch ein zum Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen geeigneter Bolzen verwendet werden, der ebenso durch den Verbindungsbereich 2.1 in das Metallbauteil 1 getrieben wird und sich dabei ebenso ein Durchzug 1.2 bildet.
  • Schließlich kann zur Herstellung der Verbindung der beiden Bauteile 1 und 2 auch eine Nietverbindung mittels eines Nietes anstelle der Flow-Drill-Schraube 3 realisiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    erstes Bauteil des Hybrid-Bauteils 10
    1.1
    Oberflächenseite des ersten Bauteils 1
    2
    zweites Bauteil, faserverstärktes Kunststoffbauteil des Hybrid-Bauteils 10
    2.1
    Verbindungsbereich des zweiten Bauteils 2
    3
    Verbindungsmittel, Metallinsert, Schraube, Flow-Drill-Schraube, Niet, Bolzen
    3.1
    Kopfabschnitt des Metallinserts 3
    3.2
    Stegabschnitt des Metallinserts 3
    3.3
    Kopf der Flow-Drill-Schraube 3
    10
    Hybrid-Bauteil
    20
    Applikationsgerät
    21
    Matrixmaterial, Klebstoff
  • 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 1380404 A1 [0003]
    • DE 102005013154 A1 [0004]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1) mit einem aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten zweiten Bauteil (2) mittels wenigstens eines Verbindungsmittels (3), welches zum einen einen Form- und Kraftschluss mit dem zweiten Bauteil (2) und zum anderen zumindest einen Form- und Kraftschluss mit dem ersten Bauteil (1) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil (2) aus einem Verbund eines Matrixmaterials und einer Faseranordnung mit einem als trockener Faserbereich ohne Matrixmaterial ausgebildeten Verbindungsbereich (2.1) zur Aufnahme des Verbindungselementes (3) hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich der Faseranordnung durch Verpressen erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – als Verbindungsmittel ein Metallinsert (3) verwendet wird, – zur Herstellung der Verbindung das Metallinsert (3) in den Verbindungsbereich (2.1) der Faseranordnung eingeführt wird, und – anschließend in den Verbindungsbereich (2.1) Matrixmaterial oder Klebstoff eingebracht und ausgehärtet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallinsert (3) stoffschlüssig mit dem ersten, vorzugsweise metallischen Bauteil (1) verbunden ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – als Verbindungsmittel eine Schraube (3), eine Flow-Drill-Schraube (3), ein Niet (3) oder ein zum Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen geeigneter Bolzen (3) verwendet wird, und – die Verbindung durch Einführen der Schraube (3), der Flow-Drill-Schraube (3), des Nietes (3) oder des Bolzens (3) in den Verbindungsbereich (2.1) des zweiten Bauteils (2) und Fügen mit dem ersten, vorzugsweise metallischen Bauteil (1) durchgeführt wird.
  6. Faserverstärktes Kunststoffbauteil (2) zur Herstellung einer Verbindung mit einem Bauteil (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil (2) aus einem Verbund eines Matrixmaterials und einer Faseranordnung mit einem als trockener Faserbereich ohne Matrixmaterial ausgebildeten Verbindungsbereich (2.1) zur Verbindung mit dem Bauteil (1) hergestellt wird.
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