DE102014006681A1

DE102014006681A1 - Verfahren und Einrichtung zum Fügen flächiger Körper

Info

Publication number: DE102014006681A1
Application number: DE102014006681.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Seidlitz; Lothar Kroll; Lars Ulke-Winter; M. Sc. Colin Gerstenberger
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: DE102014006681B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Fügen flächiger Körper und thermoplastische flächige Körperverbunde, wobei jeweils wenigstens einer der Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht. Die Verfahren und Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine stabile Verbindung dieser flächigen Körper realisierbar ist. Dazu werden – die thermoplastische Matrix des Körpers oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff durch wenigstens eine Heizeinrichtung partiell aufgeschmolzen, – ein thermoplastisches, stabförmiges und mit einer Spitze versehenes Fügeelement in den partiell aufgeschmolzenen Bereich des Körpers oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff eingeführt, – das thermoplastische Fügeelement nach dem Durchdringen sowohl des Körpers aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff als auch der Öffnung wenigstens eines nicht aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff bestehenden Körpers oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff plastifiziert und ausgeformt. Beim Einführen werden die Endlosfasern des Körpers oder der Körper axial vom Fügeelement verdrängt, ohne dass der Kraftfluss in Faserrichtung durch die Faserumlenkung unterbrochen wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Fügen flächiger Körper und thermoplastische flächige Körperverbunde, wobei jeweils wenigstens einer der Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht.
Moderne Leichtbauwerkstoffe wie thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Herstellung energieeffizienter und ressourcenschonender Bauweisen. Aufgrund der zahlreichen spezifischen Vorteile gegenüber metallischen Werkstoffen schreitet der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen stetig voran. So werden zunehmend metallische Werkstoffe durch faserverstärkte Thermoplaste substituiert. Das betrifft beispielsweise im Automobilbau Frontends oder Seitenaufprallträger von Autos. Die vermehrte Anwendung der stark anisotropen Faserverbundwerkstoffe und deren spezifische Anforderungen an die Krafteinleitung richtet den Fokus nun vermehrt auf die Fügetechnik als wichtiger Bestandteil ganzheitlicher Faserverbundbauweisen. Neben der Anbindung an metallische Werkstoffe spielt zunehmend auch die Verbindung thermoplastischer FKV untereinander eine wichtige Rolle bei der Umsetzung neuer Bauweisenkonzepte. Effiziente und werkstoffgerechte Verbindungstechniken für Faserverbundstrukturen sind weitere Grundlagen für neuartige Leichtbautechnologien.
Beim Fügen hoch belasteter und flächiger Faserverbundstrukturen werden unter anderem die meist vorbereitungsintensiven stoffschlüssigen Verfahren, wie beispielsweise Kleben und Kunststoffschweißen, sowie form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen, wie beispielsweise Schrauben-, Niet- und Bolzenverbindungen, angewandt. Letztere benötigen, anders als die stoffschlüssigen Verfahren, im Allgemeinen keine Oberflächenvorbehandlung wie Ätzen, Schleifen oder Entfetten, induzieren jedoch in der Regel kritische Strukturschädigungen im FKV, etwa durch spanend eingebrachte Bohrungen oder unsachgemäße Krafteinleitung. Derartige Schäden, wie beispielsweise Delaminationen, Faser- und Zwischenfaserbrüche, schwächen den Verbund und setzen die mechanischen Eigenschaften der Bauteile signifikant herab.
Durch die DE 10 2004 038 084 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung genieteter Verbindungen zwischen flächigen Strukturen aus verstärkten Thermoplasten bekannt. Dabei wird ein Niet aus faserverstärkten Thermoplasten zum Verbinden verwendet. Der Nietrohling wird mit Hilfe eines voreilenden metallischen Dornwerkzeugs in die thermisch erweichte Fügezone eingebracht. Das zur Herstellung der Verbindung notwendige Lochformen der überlappt angeordneten flächigen Strukturen erfolgt dabei ebenfalls durch das vorauseilende metallische Dornwerkzeug. Dazu müssen das Dornwerkzeug und der Nietrohling geführt werden. Nach dem Lochformen durch das Dornwerkzeug und dem Platzieren des Nietrohlings werden zur Realisierung eines Formschlusses Nietköpfe ausgeformt. Da vorgefertigte und vereinzelte Nietrohlinge verwendet werden, müssen diese entsprechend der Wandstärke der zu fügenden Strukturen bevorratet und zugeführt werden, wobei veränderte Wandstärken ein Umrüsten der Anordnung erforderlich machen.
Der in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stabile Verbindung von Körpern, wobei wenigstens einer der Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, einfach zu fertigen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 3 und 4 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Verfahren und Einrichtungen zum Fügen flächiger Körper, wobei wenigstens einer der Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine stabile Verbindung dieser flächigen Körper realisierbar ist. Dazu werden

– die thermoplastische Matrix des Körpers oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff durch wenigstens eine Heizeinrichtung partiell aufgeschmolzen,
– ein thermoplastisches, stabförmiges und mit einer Spitze versehenes Fügeelement in den partiell aufgeschmolzenen Bereich des Körpers oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff eingeführt,
– das thermoplastische Fügeelement nach dem Durchdringen sowohl des Körpers aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff als auch der Öffnung wenigstens eines nicht aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff bestehenden Körpers oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff plastifiziert und ausgeformt.

Beim Einführen werden die Endlosfasern des Körpers oder der Körper aus thermoplastischem Faserverbundwerkstoff axial vom Fügeelement verdrängt, ohne dass der Kraftfluss in Faserrichtung durch die Faserumlenkung unterbrochen wird. Beim Einführen des Fügeelements entsteht im Bereich der Fügezone eine kraftflussgerechte Faserarchitektur.
Bei einem thermoplastischen flächigen Körperverbund, wobei wenigstens einer der Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, sind die Körper mit einem thermoplastischen Fügeelement als ein ausgeformtes Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes mit thermoplastischer Matrix miteinander verbunden. Dabei sind die Endlosfasern des Körpers aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff durch Einführen des Fügeelementes umgelenkte Endlosfasern.
Die Einrichtung zum Fügen flächiger Körper, wobei wenigstens einer der Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die flächigen Körper einfach herzustellen sind.
Dazu weist die Einrichtung

– eine Heizeinrichtung zum partiellen Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix des Körpers aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff,
– eine Einrichtung zum Anspitzen eines Stabes oder eines Fügeelementes als Stück eines Stabes jeweils aus einer faserverstärkten thermoplastischen Matrix bestehend,
– eine Einrichtung zum Einführen des Stabes oder des Fügeelementes in den partiell aufgeschmolzenen Bereich des Körpers aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff oder der Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff und
– eine Einrichtung zum Ausformen eines nach dem Einführen abgeschnittenen Bereichs des Stabes als Fügeelement oder des Fügeelementes nach dem Durchdringen der Körper

Beim Einführen werden die Endlosfasern des Körpers oder der Körper axial vom Stab oder dem Fügeelement verdrängt, ohne dass der Kraftfluss in Faserrichtung durch die Faserumlenkung unterbrochen wird.
Die mit dem Verfahren und der Einrichtung realisierten gefügten Körper zeichnen sich vorteilhafterweise durch ihre einfache Herstellbarkeit aus, wobei der Kraftfluss in dem wenigstens einen Körper aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff nicht unterbrochen ist. Eine Fasertrennung und daraus resultierende größere Spannungskonzentrationen im Bereich der Fügestelle werden vermieden. Damit ist eine gleichmäßige Ausnutzung des Werkstoffpotentials gegeben. Übermäßig stark beanspruchte Bereiche sind ansonsten häufig Ausgangspunkt des ersten Versagens und werden in vielen Fällen durch zusätzlichen, gewichtssteigernden Materialeinsatz verstärkt. Das wird durch den Einsatz des Verfahrens und der Einrichtung vermieden, die als eine werkstoff- und kraftschlussgerechte Verbindungstechnologie ausgeführt ist. Ein Mehrgewicht durch zusätzliche Verstärkungsmaßnahmen und schlecht ausgenutzte Werkstoffpotentiale ist vorteilhafterweise nicht vorhanden. Faserverstärkte Thermoplaste lassen sich unter Verwendung geeigneter Technologien auch nach bereits erfolgter Konsolidierung, im sogenannten Post-Mould-Assembly (PMA), werkstoffgerecht und mit großserientauglichen Taktzeiten fügen. Dabei muss die Kunststoffmatrix im Bereich der Fügestelle lokal plastifiziert werden, wodurch die enthaltenen Verstärkungsfasern im Fügeprozess flexibel und kraftflussgerecht um die Bohrung oder das eingebrachte Fügeelement angelagert werden können.
Aufbauend auf dem grundlegenden Prinzip des thermomechanischen Bohrens mit einer radialen Faserverdrängung wird ein hoch belastbares und werkstoffgerechtes Fügeverfahren zur Herstellung mediendichter Verbindungen bereitgestellt. Neben den bereits genannten Festigkeitsvorteilen hinaus ergeben sich weitere Vorteile im Bezug auf Flexibilität, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit. Erreicht wird dies durch ein zylinderförmiges unidirektional (UD) endlosfaserverstärktes Fügeelement mit thermoplastischer Matrix, welches in einem zeitlich optimierten Prozess werkstoff- und kraftflussgerecht, ohne Faserschädigung in die Fügezone eingebracht wird.
Neben der Festigkeitssteigerung dieser Nietverbindungen gegenüber bekannten Fügetechniken, stellt die Mediendichtheit eine weitere wichtige Eigenschaft dar, die das Einsatzspektrum der Fügetechnik erweitert. Erzielt wird diese durch die Ausbildung eines Stoffschlusses zwischen dem thermoplastischen Fügeelement als Niet und den Körpern als Fügeteile, der in Verbindung mit den ebenfalls beteiligten Wirkmechanismen Form- und Kraftschluss für den hoch belastbaren Zusammenhalt der Verbindung sorgt.
Durch das Eindringen von Feuchtigkeit, Verschmutzungen oder aggressiven Medien entstehen häufig Beeinträchtigungen der Bauteilfunktion bis hin zur empfindlichen Schädigung von Bauteilen beispielsweise durch Kurzschlüsse oder Korrosion. Die grundlegenden Schritte des entwickelten Verfahrens lassen sich in drei Schritte gliedern.
Im ersten Schritt erfolgt die Plastifikation wenigstens eines der Körper als Fügepartner oder der Körper als Fügepartner durch ein geeignetes Heizverfahren. Als mögliche Technologien kommen beispielsweise Kontaktheizungen, Heißluftdüsen oder ringförmige Infrarot-Heizstrahler in Frage. Die vom gewählten Heizelement erzeugte thermische Energie wird lokal eingeleitet und zum partiellen Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix genutzt. Die im Polymer befindlichen Endlosfasern können so, axial vom Fügeelement verdrängt werden, so dass der Kraftfluss in Faserrichtung durch die realisierte Faserumlenkung nicht unterbrochen wird. Eine Faserschädigung lässt sich auch bei engmaschig, beispielsweise Gewebe, textilverstärkten Körpern nahezu vollständig vermeiden. Das ist besonders wichtig, da Gewebeverstärkungen aufgrund ihrer besonderen Vorteile hinsichtlich der Drapierbarkeit und Umformbarkeit vermehrt im Leichtbau zum Einsatz kommen.
Im zweiten Schritt erfolgt das Zuführen des Fügeelementes. Dieses besteht aus einem unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Stab, der zur Optimierung der Faserverdrängung im Fügeprozess an der Spitze konisch vorgeformt wird und damit ist. Durch die Verwendung eines quasi endlosen pultrudierten Stangenmaterials als Nietrohling ergeben sich weitere Vorteile. Anders als die meisten metallischen Blechstrukturen, werden Bauteile mit wenigstens einem Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff häufig zur Homogenisierung der Spannungsverteilung mit graduierten Wandstärken ausgeführt. Für die Fügetechnik bedeutet dies, dass für jede Wandstärke kein separates Fügeelement mit geeigneter Klemmlänge zur Verfügung gestellt und somit auch bevorratet werden muss. Durch eine automatisierte Zuführung des Endlosmaterials und der dadurch realisierbaren in-situ Nietherstellung während des Fügeprozesses, wird lediglich ein Halbzeug für alle Wandstärken benötigt, was sich deutlich positiv auf die Kosten und Flexibilität des Verfahrens auswirkt.
Im dritten Schritt erfolgt nach dem Durchdringen das Plastifizieren und Ausformen des Fügeelementes. Zur Plastifikation eignen sich verschiedene bekannte Wirkprinzipien, wobei insbesondere das Widerstandsheizen unter Verwendung elektrisch leitender Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, eine hohe Effizienz und Effektivität bietet. Beim Widerstandsheizen erfolgt die Plastifikation der Kunststoffmatrix aus dem Inneren des Faserverbundes, durch die in den Kohlenstofffasern elektrisch erzeugte Verlustwärme, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Fasern entsteht. Das angedachte Wirkprinzip birgt aufgrund der deutlich reduzierten Strahlungsverluste große Vorteile gegenüber einer äußeren Heizung durch beispielsweise Heißluftzufuhr, Infrarotbestrahlung oder Wärmeenergie aus Ultraschallschwingungen.
Damit ergeben sich insbesondere die Vorteile

– einer hoch belastbaren Verbindung durch unidirektionale Faserverstärkung der Nieten und kraftflussgerechte Ausbildung der Fügezone,
– eines Nietrohlings für alle Wandstärken durch prozessintegrierte in-situ Herstellung des Nietes (Klemmlängenautomatik),
– einer Kombination aller drei Schlussarten: Form-, Kraft- und Stoffschluss,
– eines voll automatisierten Fügeprozesses mit geringen Taktzeiten,
– einem faserschädigungsfreien Fügen auch bei engmaschiger Textilverstärkung der Fügepartner (zum Beispiel Gewebe),
– eines energieeffizienten Fügeprozesses durch verlustarme Energieeintragskonzepte mit hohem Wirkungsgrad,
– einer mediendichten Verbindung mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und
– eines geringen Fügeelementengewichts durch eine Faser-Kunststoff-Bauweise.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 5 bis 10 angegeben.
Das thermoplastische Fügeelement wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 als ein Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes mit thermoplastischer Matrix dem partiell aufgeschmolzenen Bereich der Fügeteile zugeführt. Das thermoplastische Fügeelement kann aber auch ein nach dem Einführen abgeschnittenes Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes mit thermoplastischer Matrix sein, wobei das Fügeelement ein als Stab eingeführter Bereich des Stabes ist.
Günstigerweise ist die Heizeinrichtung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 eine Kontaktheizung, wenigstens eine Heißluftdüse oder ein ringförmiger Infrarot-Heizstrahler.
Die Einrichtung zum Einführen des Fügeelementes ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 vorteilhafterweise ein Stempel und/oder der restliche Stab jeweils in Verbindung mit einem Antrieb. Günstigerweise kann dazu wenigstens weiterhin eine Führungseinrichtung beispielsweise in Form eines Rohres eingesetzt werden. Zwei beabstandet zueinander angeordnete Rohre führen vorteilhafterweise dazu, dass im Abstand eine Vorrichtung zum Trennen bewegbar ist.
Die Einrichtung zum Ausformen besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 aus zwei zueinander bewegbaren Werkzeugen zum Umformen des Fügeelementes in den Fügeteilen.
Die Einrichtung zum Ausformen des Fügeelements ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 vorteilhafterweise eine Widerstandsheizung unter Verwendung elektrisch leitender Fasern des Fügeelements selbst, wobei die Plastifikation der thermoplastischen Matrix des Fügeelements aus dem Inneren durch die in den Fasern des Fügeelements elektrisch erzeugte Verlustwärme, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Fasern entsteht, erfolgt.
Die Einrichtung zum Ausformen des Fügeelements ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 eine Sonotrode, wobei die Plastifikation der thermoplastischen Matrix des Fügeelements mittels Ultraschall erfolgt.
Die Einrichtung weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 eine Transporteinrichtung und eine daran gekoppelte Schneidvorrichtung für ein Endloshalbzeug für Fügeelemente auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Einrichtung mit Heizeinrichtungen und zu fügenden Körpern in einer Spannvorrichtung,
2 eine durch einen Niet hervorgerufene Faserumlenkung in den Körpern,
3 eine Einrichtung mit einem eingeführten Niet als Fügeelement,
4 eine Einrichtung mit einem Stab für Niete als Fügeelemente,
5 eine Einrichtung mit den zu fügenden Körpern und dem eingebrachten Niet mit einer Einrichtung zum Ausformen der Nietenden durch Anlegen einer elektrischen Spannung,
6 eine Einrichtung mit den zu fügenden Körpern und dem eingebrachten Niet mit einer Einrichtung zum Ausformen der Nietenden durch Sonotroden,
7 eine Einrichtung mit den zu fügenden Körpern und dem eingebrachten Niet mit einer Einrichtung zum Ausformen der Nietenden durch die ringförmigen Infrarot-Heizstrahler und
8 eine Einrichtung mit dem durch den ausgeformten Niet realisierten Verbund der miteinander verbundenen Körper.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren und eine Einrichtung zum Fügen flächiger Körper 1, 2, wobei wenigstens einer der Körper 1, 2 aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, zusammen näher erläutert.
Eine Einrichtung zum Fügen flächiger Körper 1, 2 besteht im Wesentlichen aus Heizeinrichtungen 5, einer Einrichtung zum Einführen eines thermoplastischen stabförmigen Fügeelementes und einer Einrichtung zum Ausformen des thermoplastischen Fügeelementes nach dem Durchdringen der Körper 1, 2.
Die 1 zeigt eine Einrichtung mit Heizeinrichtungen 5 und zu fügenden Körpern 1, 2 in einer Spannvorrichtung in einer prinzipiellen Darstellung.
Ein Fügen flächiger Körper 1, 2 aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff erfolgt mit den Schritten

– partielles Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix und damit eines definierten Bereichs d_Plast der Körper 1, 2 mittels Heizeinrichtungen 5,
– Einführen eines thermoplastischen stabförmigen Fügeelementes in den partiell aufgeschmolzenen Bereich d_Plast der Körper 1, 2 und
– Plastifizieren und Ausformen des thermoplastischen Fügeelementes nach dem Durchdringen der Körper 1, 2.

Der zu fügende Bereich d_Plast ist von der Dehnung der Faser ε_Faser und dem Durchmesser des Niets d_Niet abhängig d_Plast = f(ε_Faser, d_Niet).
Die 2 zeigt die durch einen Niet 8 hervorgerufene Faserumlenkung in den Körpern 1, 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Beim Einführen werden die Endlosfasern 7 der Körper 1, 2 axial vom Fügeelement in Form eines Niets 8 verdrängt. Der Kraftfluss wird dabei in Faserrichtung durch die Faserumlenkung nicht unterbrochen. Der Niet 8 als thermoplastisches Fügeelement ist ein angespitztes Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes 9 mit thermoplastischer Matrix.
Damit können auch flächige Körper 1, 2, wobei wenigstens einer der Körper 1 aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, miteinander verbunden werden. Der nicht aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff bestehende Körper muss dazu eine Öffnung zum Durchtritt des Niets 8 aufweisen.
Die Körper 1, 2 befinden sich zum Fügen in einer Spannvorrichtung mit wenigstens zwei Spannbacken 3, 4, die den zu fügenden Bereich d_Plast der Körper 1, 2 frei lassen. Der die Fügezone aufweisende Bereich d_Plast der Körper 1, 2 wird mittels der Heizeinrichtungen 5 in Form von ringförmigen Infrarot-Heizstrahlern 5a, 5b partiell erwärmt, wobei die thermoplastische Matrix der Körper 1, 2 aufgeschmolzen wird. Die Infrarot-Heizstrahler 5a, 5b sind dazu korrespondierend zu der Fügezone angeordnet. Nicht zu den Körpern 1, 2 abgestrahlte Wärmestrahlung Q kann vorteilhafterweise über kreisbogenförmig ausgebildete Spiegel 6 zu den Körpern 1, 2 reflektiert werden. Anstelle der Infrarot-Heizstrahler 5a, 5b kann auch mindestens eine Kontaktheizung oder wenigstens eine Heißluftdüse verwendet werden.
Die 3 zeigt eine Einrichtung mit einem eingeführten Niet 8 als Fügeelement in einer prinzipiellen Darstellung.
Die 4 zeigt eine Einrichtung mit einem Stab 9 für Niete 8 als Fügeelemente in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Fügezone der Körper 1, 2 wird mittels einer Zufuhreinrichtung ein Niet 8 (Darstellung in der 3) oder ein unidirektional endlosfaserverstärkter Stab 9 (Darstellung in der 4) jeweils mit thermoplastischer Matrix zugeführt. Der Stab 9 ist durch eine Einrichtung zum Anspitzen angespitzt. Das Anspitzen kann dabei mittels der Vorrichtung mit einem angetriebenen umlaufenden Messer oder einem feststehenden Messer bei sich drehenden angetriebenen Stab 9 erfolgen. Zum Abschneiden des den Niet 8 darstellenden Endenbereich des Stabes 9 ist eine Schneidvorrichtung vorgesehen. In einer einfachsten Variante ist die Schneidvorrichtung ein Messer, ein Schneider oder eine Säge. Derartige Vorrichtungen sind bekannt, so dass die 4 nur die Trennebene 10 zeigt. Die Einrichtung zum Einführen des Nietes 8 in den partiell aufgeschmolzenen Bereich der Körper 1, 2 kann vorteilhafterweise mit dem Stab 9 selbst erfolgen, der dazu an einen Antrieb gekoppelt ist. Das kann auch mit einer Führung zum Beispiel in Form eines Rohres für den Stab 9 erfolgen. Das der Fügestelle zuzuführende Fügeelement in Form des Niets 8 ist damit ein Teil des unidirektional verstärkten thermoplastischen Stabes 9. Mit der Verwendung eines quasi für die zu fügenden Teile endlosen pultrudierten Stangenmaterials als Rohling für den jeweiligen Niet 8 lassen sich die unterschiedlichsten Längen durch Abschneiden an den entsprechenden Stellen realisieren. Damit können Körper 1, 2 unterschiedlichster Wandstärke einfach miteinander verbunden werden.
Die 5 zeigt eine Einrichtung mit den zu fügenden Körpern 1, 2 und dem eingebrachten Niet 8 mit einer Einrichtung zum Ausformen der Nietenden durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Einrichtung zum Ausformen besteht günstiger weise aus Formwerkzeugen 11a, 11b, die Bestandteile einer Widerstandsheizung sind. Unter Verwendung elektrisch leitender Verstärkungsfasern des Niets 8, wobei die Plastifikation der Kunststoffmatrix aus dem Inneren des Faserverbundes des Niets 8 durch die in den Verstärkungsfasern elektrisch erzeugte Verlustwärme erfolgt. Diese entsteht bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Verstärkungsfasern, die dazu beispielsweise Kohlenstofffasern sind. Die Formwerkzeuge 11a, 11b werden in Richtung des damit plastifizierten Niets 8 gedrückt, so dass die Enden ausgeformt werden. Gleichzeitig wird der Niet 8 in Richtung der Körper 1, 2 gedrückt, so dass eine hohlraumfreie Verbindung zwischen Niet 8 und Körpern 1, 2 realisierbar ist. Auf die Formwerkzeuge 11a, 11b kann dabei gleichzeitig eine Kraftwirken.
Die 6 zeigt eine Einrichtung mit den zu fügenden Körpern 1, 2 und dem eingebrachten Niet 8 mit einer Einrichtung zum Ausformen der Nietenden durch Sonotroden in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Einrichtung zum Ausformen kann auch aus Formwerkzeugen 11a, 11b bestehen, die Sonotroden sind. Die Ausformung erfolgt damit unter Verwendung des dadurch induzierten Ultraschalls. Auf die Formwerkzeuge 11a, 11b kann dabei auch gleichzeitig eine Kraft wirken.
Die 7 zeigt eine Einrichtung mit den zu fügenden Körpern 1, 2 und dem eingebrachten Niet 8 mit einer Einrichtung zum Ausformen der Nietenden durch die ringförmigen Infrarot-Heizstrahler 5a, 5b in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Einrichtung zum Ausformen kann auch aus den Formwerkzeugen 11a, 11b bestehen, wobei die Nietenden mittels der ringförmigen Infrarot-Heizstrahler 5a, 5b mit Wirkung der Spiegel 6 erwärmt werden. Auf die aufgeschmolzenen Nietenden wirken mittels einer Kraft die Formwerkzeuge 11a, 11b zur Ausformung der Nietenden.
Die 8 zeigt eine Einrichtung mit dem durch den ausgeformten Niet 8 realisierten Verbund der miteinander verbundenen Körper 1, 2.
Bei dem Verbund sind damit die Körper 1, 2 mit dem Niet 8 als ein ausgeformtes Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes 9 mit thermoplastischer Matrix miteinander so verbunden, dass die Endlosfasern durch Einführen des Niets 8 als Fügeelement umgelenkte Endlosfasern sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004038084 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Fügen flächiger Körper (1, 2), wobei wenigstens einer der Körper (1, 2) aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, mit den folgenden Schritten: – partielles Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix des Körpers (1, 2) oder der Körper (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff durch wenigstens eine Heizeinrichtung (5), – Einführen eines thermoplastischen, stabförmigen und mit einer Spitze versehenen Fügeelementes in den partiell aufgeschmolzenen Bereich des Körpers (1, 2) oder der Körper (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff, wobei beim Einführen die Endlosfasern (7) des Körpers (1, 2) oder der Körper (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff axial vom Fügeelement verdrängt werden, ohne dass der Kraftfluss in Faserrichtung durch die Faserumlenkung unterbrochen wird, und – Plastifizieren und Ausformen des thermoplastischen Fügeelementes nach dem Durchdringen sowohl des Körpers (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff als auch der Öffnung wenigstens eines nicht aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff bestehenden Körpers oder der Körper (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Fügeelement als ein Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes (9) mit thermoplastischer Matrix dem partiell aufgeschmolzenen Bereich der Körper (1, 2) als Fügeteile zugeführt wird oder dass das thermoplastische Fügeelement ein nach dem Einführen abgeschnittenes Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes (9) mit thermoplastischer Matrix ist, wobei das Fügeelement ein als Stab (9) eingeführter Bereich des Stabes (9) ist.
Thermoplastischer flächiger Körperverbund, wobei wenigstens einer der Körper aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (1, 2) mit einem thermoplastischen Fügeelement als ein ausgeformtes Stück eines unidirektional endlosfaserverstärkten Stabes (9) mit thermoplastischer Matrix miteinander so verbunden sind, dass die Endlosfasern des Körpers (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff oder der Körper (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff durch Einführen des Fügeelementes umgelenkte Endlosfasern (7) sind.
Einrichtung zum Fügen flächiger Körper, wobei wenigstens einer der Körper (1, 2) aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, mit – einer Heizeinrichtung (5) zum partiellen Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix des Körpers (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff, – einer Einrichtung zum Anspitzen eines Stabes (9) oder eines Fügeelementes als Stück eines Stabes (9) jeweils aus einer faserverstärkten thermoplastischen Matrix bestehend, – einer Einrichtung zum Einführen des Stabes (9) oder des Fügeelementes in den partiell aufgeschmolzenen Bereich des Körpers (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff oder der Körper (1, 2) aus dem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff, wobei beim Einführen die Endlosfasern (7) des Körpers (1, 2) oder der Körper (1, 2) axial vom Stab (9) oder dem Fügeelement verdrängt werden, ohne dass der Kraftfluss in Faserrichtung durch die Faserumlenkung unterbrochen wird, und – einer Einrichtung zum Ausformen eines nach dem Einführen abgeschnittenen Bereichs des Stabes (9) als Fügeelement oder des Fügeelementes nach dem Durchdringen der Körper (1, 2).
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) eine Kontaktheizung, wenigstens eine Heißluftdüse oder ein ringförmiger Infrarot-Heizstrahler (5) ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einführen des Fügeelementes ein Stempel und/oder der restliche Stab jeweils in Verbindung mit einem Antrieb ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ausformen des Fügeelements aus zwei zueinander bewegbaren Werkzeugen zum Umformen des durch die Heizeinrichtung (5) plastifizierten Fügeelementes in den Körpern (1, 2) besteht.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ausformen des Fügeelements eine Widerstandsheizung unter Verwendung elektrisch leitender Fasern des Fügeelements selbst ist, wobei die Plastifikation der thermoplastischen Matrix des Fügeelements aus dem Inneren durch die in den Fasern des Fügeelements elektrisch erzeugte Verlustwärme, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Fasern entsteht, erfolgt.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ausformen des Fügeelements eine Sonotrode ist, wobei die Plastifikation der thermoplastischen Matrix des Fügeelements mittels Ultraschall erfolgt.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Transporteinrichtung und eine daran gekoppelte Schneidvorrichtung für ein Endloshalbzeug für Fügeelemente aufweist.