DE102014007330A1

DE102014007330A1 - Halbhohlstanzniet und Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung

Info

Publication number: DE102014007330A1
Application number: DE102014007330.0A
Authority: DE
Inventors: Danilo Mattheß
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2015-11-19

Abstract

Die Erfindung schlägt vor, bei einem Halbhohlstanzniet den Nietkopf mit einer bis zu einer stirnseitigen Kopföffnung durchgehenden und in die Schaftbohrung des Nietschaftes mündenden Kopfbohrung zu versehen. Außerdem schlägt die Erfindung vor, bei einem Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen während oder nach dem Eindrücken des vorbeschriebenen Halbhohlstanzniets in die Fügeteile durch die Kopföffnung einen aushärtbaren Klebstoff in den Halbhohlstanzniet zu pressen, wobei der Klebstoff durch die Kopf- und Schaftbohrung bis zum stempelseitigen Fügeteil vordringt, um die dort zuvor beim Fügeprozess entstandenen Schädigungen zu beheben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbhohlstanzniet gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Aufgrund der günstigen Materialeigenschaften (geringes Gewicht, hohe Korrosionsbeständigkeit sowie hohe Isolierfähigkeit), der beinahe uneingeschränkten Formgebungsmöglichkeiten und der hohen Festigkeit und Steifigkeit werden faserverstärkte Kunststoffe (FVK), wie insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunstoffe (CFK) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), immer häufiger im Fahrzeug- und Flugzeugbau sowie im Bauwesen verwendet.
Insbesondere im Fahrzeugbau eröffnet der Einsatz faserverstärkter Kunststoffe in Kombination mit Metallen neue Möglichkeiten zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts bei gleichzeitiger Erhöhung der Variabilität in der Nutzung und der Individualität des Fahrzeugs. Die Mischbauweise (Multi Material Design) aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und Metall führt jedoch aufgrund der ausgeprägten metallurgischen und thermischen Unterschiede zwischen diesen beiden Werkstoffen zu neuen Herausforderungen hinsichtlich der Entwicklung und technologischen Umsetzung werkstoff- und prozessgerechter FVK-Metall-Fügeverbindungen.
Klassische thermische Fügeverfahren wie das Schweißen, die sich beim Fügen gleicher Werkstoffe durch hohe mechanische Festigkeiten auszeichnen, können für Hybridverbindungen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und Metallen nicht eingesetzt werden, da einerseits die Schmelztemperaturbereiche beider Werkstoffe zu weit auseinanderliegen und andererseits auch keine chemische Verträglichkeit für einen Stoffschluss besteht. Als Alternative werden für solche FVK-Metall-Verbunde derzeit häufig mechanische und chemische Fügetechniken wie Schnapp-, Schraub- und Klebeverbindungen genutzt. Die Wirtschaftlichkeit dieser Fügetechniken wird aber durch verfahrens- und fertigungsbedingte Nachteile wie komplexe Konstruktionselemente (z. B. vorab vorgesehene Durchgangsbohrungen), Auftrags- und Fixierprobleme deutlich gemindert.
Ein möglicher Lösungsansatz zur Realisierung einer hoch belastbaren, hybriden Verbindung für Mischbauweisen zwischen Metallen und faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ist das Stanznieten mit Halbhohlstanzniet, welches sich durch hohe Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit sowie durch die hohe Variabilität beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe auszeichnet. So wird bei diesem Verfahren (im Gegensatz zum herkömmlichen Nieten) keine Vorlochoperation und daher auch keine Positioniergenauigkeit benötigt.
Bei dem in 3 aufgeführten Verfahrensablauf des Halbhohlstanznietens werden die zu fügenden Halbzeuge (stempelseitiges Fügeteil 12 aus FVK und matrizenseitiges Fügeteil 13 aus Metall) zunächst zwischen dem formgebenden Werkzeug Matrize 15 und dem Niederhalter 22 fixiert, wobei eine entsprechende Niederhaltkraft ein Aufbiegen des Werkstücks während des Umformprozesses verhindert. Anschließend wird über den Stempel 23 ein Halbhohlstanzniet 24 mit einem Nietkopf 25 und einem Nietschaft 26 mit einer zentralen Schaftbohrung 27 zugeführt und der Umformprozess gesteuert. Hierbei wird der Halbhohlstanzniet 24 vom Stempel 23 so in die übereinander auf der Matrize 15 angeordneten Fügeteile 12, 13 eingedrückt, dass der Nietschaft 26 zuerst das stempelseitige Fügeteil 12 aus FVK durchstanzt und ein in der Schaftbohrung 27 aufgenommener Butzen 28 vom stempelseitigen Fügeteil 12 aus FVK abgetrennt wird. Mit der weiteren Stempelbewegung verformt der Nietschaft 26 anschließend das matrizenseitige Fügeteil 13 aus Metall, ohne dieses jedoch zu durchstanzen, wobei sich der Halbhohlstanzniet 24 im unteren Teil, d. h. im Bereich seiner stirnseitigen Schaftöffnung 29, aufspreizt und so eine Hinterschneidung 30 ausbildet. Zur Erfüllung der festigkeitsrelevanten Qualitätsmerkmale ist hierbei auf einen ausreichenden vertikalen und horizontalen Hinterschnitt im matrizenseitigen Fügeteil 13 aus Metall (z. B. Aluminium- oder Stahlblech) zu achten.
Nachteilig beim vorbeschriebenen Halbhohlstanznieten sind die vielfachen im Bereich der Fügezone des stempelseitigen FVK-Fügeteils 12 verursachten Faser- und Zwischenfaserbrüche, wobei hier insbesondere Risse in der Kunststoffmatrix des FVK-Fügeteils 12 sowie Delaminationen und Ablösungen einzelner Faserschichten zu einer erheblichen Beeinträchtigung der statischen und dynamischen Festigkeit der Halbhohlstanznietverbindung führen. Außerdem sind Nietverbindungen, bei denen mindestens ein Fügeteil aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) besteht, aufgrund der unterschiedlichen galvanischen Spannungspotentiale zwischen dem CFK-Fügeteil und dem Stahlniet einer korrosiven Zersetzung ausgesetzt.
Im Hinblick auf die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, einen Halbhohlstanzniet sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen unter Verwendung eines solchen Halbhohlstanzniets bereitzustellen, mit denen eine schädigungs- und anrissfreie Fügezone zwischen den Fügeteilen erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Halbhohlstanzniets durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
Der erfindungsgemäße Halbholzstanzniet, der einen Nietkopf und einen sich daran anschließenden Nietschaft mit einer bis zu einer stirnseitigen Schaftöffnung durchgehenden Schaftbohrung aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Nietkopf mit einer bis zu einer stirnseitigen Kopföffnung durchgehenden und in die Schaftbohrung mündenden Kopfbohrung versehen ist. Diese Kopfbohrung erlaubt es, während und/oder nach dem Verspreizen des Halbhohlstanzniets einen Klebstoff (z. B. in Form eines Kunstharzes oder eines flüssigen aufgeschmolzenen Kunststoffes) in den Niet einzupressen, der daraufhin durch die Kopfbohrung und die daran anschließende Schaftbohrung ungestört bis zum stempelseitigen Fügeteil (z. B. aus FVK) vordringen kann. Nach erfolgter Aushärtung des Klebstoffes kann somit die Ausheilung bzw. Reparatur der zuvor beim Eintreiben des Halbholzstanzniets in das Fügeteil entstandenen Schädigungen (z. B. sich rissartig ausbreitende Zwischenfaserbrüche und Delaminationen im FKV) bewirkt werden, wodurch eine Halbhohlstanznietverbindung mit hoher statischer und dynamischer Festigkeit hergestellt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zweigt von der Schaftbohrung des Halbhohlstanzniets wenigstens eine bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung durchgehende Querbohrung radial ab. Somit kann der Klebstoff durch diese wenigstens eine Querbohrung von der zentralen Schaftbohrung radial nach außen in die kritische (zahlreichen Faserbrüchen und -ondulationen unterworfene) Fügezone zwischen Niet und FVK-Fügeteil geleitet werden, um die dort vorliegenden Schädigungen ausheilen zu können.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zweigen von der Schaftbohrung zwei diametral gegenüberliegende, jeweils bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung durchgehende Querbohrungen radial ab. Durch diese diametrale Anordnung der Querbohrungen wird erreicht, dass der in den Halbhohlstanzniet eingepresste Klebstoff gleichmäßig und lateral beidseitig verteilt wird, wodurch die Verbindungsfestigkeit negativ beeinflussende, lokale Klebstoffansammlungen oder -fehlstellen vermieden werden können.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Kopfbohrung den Nietkopf und die Schaftbohrung den Nietschaft jeweils in axialer Richtung zentrisch durchsetzen. Die zentrale Schaftbohrung übernimmt hierbei eine Doppelfunktion, indem sie einerseits in bekannter Weise der Aufnahme des abgetrennten Butzens des Fügeteils und andererseits der Führung des Klebstoffes zur beschädigten Fügezone des Fügeteils dient.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform fluchten die Kopf- und Schaftbohrung miteinander, wobei die Kopfbohrung gegenüber der Schaftbohrung im Durchmesser verkleinert ist. Durch diese konzentrische Anordnung von Kopf- und Schaftbohrung mit einem sich in Klebstoff-Befüllungsrichtung gesehen erweiternden Bohrungsquerschnitt wird ein hindernisfreies Einströmen des Klebstoffes in den Halbhohlstanzniet ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der Nietkopf und der Nietschaft um dieselbe Achse rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei der Nietkopf wenigstens teilweise gegenüber dem Nietschaft im Außendurchmesser vergrößert ist. Durch die rotationssymmetrische Ausbildung von Nietkopf und Nietschaft kann der Halbhohlstanzniet zunächst als einstückiges, massives Teil mittels spanabhebender Verfahren, insbesondere mittels Drehens, hergestellt werden, bevor anschließend die vertikal verlaufende Kopf- und Schaftbohrung und die horizontal verlaufende Querbohrung mittels konventioneller spanender Bohrverfahren oder mittels Laserbohrens eingebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen, bei dem ein vorbeschriebener Halbhohlstanzniet von einem Stempel so in die übereinander auf einer Matrize angeordneten Fügeteile eingedrückt wird, dass der Nietschaft zunächst das stempelseitige Fügeteil durchstanzt, wobei hierbei ein in der Schaftbohrung aufgenommener Butzen vom stempelseitigen Fügeteil abgetrennt wird, und dass der Nietschaft anschließend das matrizenseitige Fügeteil ohne Durchstanzen verformt, wobei hierbei die Schaftöffnung unter Ausbildung einer Hinterschneidung aufgespreizt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass während oder nach dem Eindrücken des Halbhohlstanzniets in die Fügeteile durch die Kopföffnung ein aushärtbarer Klebstoff in den Halbhohlstanzniet gepresst wird, wobei der Klebstoff durch die Kopf- und Schaftbohrung bis zum stempelseitigen Fügeteil vordringt. Indem während oder nach dem Setzen des Halbhohlstanzniets durch eine im Halbhohlstanzniet integrierte Klebstoffführung (gebildet aus Kopf- und Schaftbohrung) ein Klebstoff bis zum Erreichen des stempelseitigen Fügeteils eingefüllt und anschließend ausgehärtet wird, kann die Qualität der Nietverbindung deutlich verbessert werden. Der Klebstoff bewirkt zum einen durch seine elektrisch isolierende Eigenschaft eine vollständige Vermeidung von Kontaktkorrosion zwischen einem metallischen Stanzniet und einem CFK-Fügeteil und zum anderen eine vollständige Ausheilung bzw. Reparatur der beim Halbhohlstanznieten im FVK-Fügeteil eingebrachten Schädigungen (insbesondere Delaminationen und Zwischenfaserbrüche).
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt besonders vorteilhaft zur Anwendung, wenn als stempelseitiges Fügeteil ein faserverstärktes, insbesondere ein kohlenstofffaserverstärktes oder glasfaserverstärktes, Kunststoffbauelement und als matrizenseitiges Fügeteil ein Metallbauelement, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, verwendet wird.
In bevorzugter Ausgestaltung wird als aushärtbarer Klebstoff ein Kunststoffharz oder ein geschmolzener Kunststoff verwendet. Insbesondere kann der Klebstoff die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Kunststoffmatrix des zu fügenden FVK-Fügeteils aufweisen, sodass nach dem Aushärten des Klebstoffes die Verstärkungsfasern in einer riss- und delaminationsfreien, chemisch homogenen Kunststoffmatrix eingebettet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Schaftbohrung wenigstens eine bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung durchgehende Querbohrung radial abzweigt und dass beim Pressen des Klebstoffes in den Halbhohlstanzniet der Klebstoff diese Querbohrung füllt und aus der Austrittsöffnung bis zu dem oder den angrenzenden Fügeteilen vordringt. Mittels der wenigstens einen radialen Querbohrung kann der Klebstoff in effektiver Weise dorthin geleitet werden, wo er zur Ausheilung bzw. Reparatur von Schädigungen im faserverstärkten Kunststoff (FVK) tatsächlich benötigt wird, nämlich in den Bereich der an den Außenumfang des Stanzniets angrenzenden Fügezone des jeweiligen FVK-Fügeteils.
In besonders bevorzugter Weise kann vorgesehen sein, dass von der Schaftbohrung zwei diametral gegenüberliegende, jeweils bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung durchgehende Querbohrungen radial abzweigen und dass beim Pressen des Klebstoffes in den Halbhohlstanzniet der Klebstoff diese beiden Querbohrungen füllt und aus den Austrittsöffnungen bis zu dem oder den jeweils angrenzenden Fügeteilen vordringt. Durch die diametrale Anordnung der klebstoffführenden Querbohrungen wird eine gleichmäßige Verteilung des Klebstoffes in Umfangsrichtung des Niets sichergesellt, um den Klebstoff somit in die gesamte, an den Niet angrenzende Fügezone des FVK-Fügeteils einzubringen und dort alle strukturellen Schädigungen (wie Delaminationen, Faser- und Zwischenfaserbrüche) sicher zu beheben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Querbohrung des Halbhohlstanzniets bezüglich ihrer Lage in axialer Richtung so gewählt ist, dass bei Beendigung des Eindrückens des Halbhohlstanzniets in die Fügeteile die Querbohrung innenseitig an den abgetrennten Butzen und außenseitig an das durchstanzte stempelseitige Fügeteil angrenzt, und dass die Querbohrung bezüglich ihres Bohrungsdurchmessers so gewählt ist, dass bei Beendigung des Eindrückens des Halbhohlstanzniets in die Fügeteile ein freier Spalt verbleibt, durch den der Klebstoff aus der Schaftbohrung in die Querbohrung strömt. Durch die vorgeschilderte Anpassung der Lage und des Durchmessers der Querbohrung an die Geometrie der zu fügenden Bauteile kann gewährleistet werden, dass zu jedem Zeitpunkt während oder nach Beendigung des Halbhohlstanznietvorgangs für den eingepressten Klebstoff ein freier Strömungspfad zwischen der stirnseitigen Eintrittsöffnung (Kopföffnung) und der umfangsseitigen Austrittsöffnung des Halbhohlstanzniets erhalten bleibt, um die Fügezone mit Klebstoff beaufschlagen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter derart ausgebildet sein, dass der Stempel mit einer bis zu einer stirnseitigen Stempelöffnung durchgehenden Stempelbohrung versehen ist, wobei zum Pressen des Klebstoffes in den Halbhohlstanzniet der Klebstoff unter Druck aus der Stempelöffnung des Stempels in die angrenzende Kopföffnung des Halbhohlstanzniets strömt. Demzufolge kann der Stempel mittels einer Pumpe (z. B. Zahnrad- oder Kolbenpumpe) von einem beheizten Tank aus dosiert mit dem flüssigen Klebstoff versorgt werden, welcher dann durch die im Stempel vorgesehene Stempelbohrung in den Halbhohlstanzniet eingebracht wird, ohne dass eine separate Klebstoffzuführung erforderlich ist.
In weiter vorteilhafter Weise können die Stempelöffnung des Stempels und die Kopföffnung des Halbhohlstanzniets den gleichen Durchmesser haben und so positioniert sein, dass sie beim Pressen des Klebstoffes in den Halbhohlstanzniet deckungsgleich aufeinanderliegen. Durch die deckungsgleich aufeinanderliegenden Öffnungen gelangt der Klebstoff verlustfrei (mit maximalem Durchgang) vom Stempel in den Halbhohlstanzniet, wobei die Stempelstirnfläche und die Nietkopfstirnfläche beim Eindrücken des Niets in die Fügeteile unter hohem Druck aufeinander gepresst sind, sodass auf eine zusätzliche laterale Klebstoffabdichtung verzichtet werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stempelbohrung den Stempel, die Kopfbohrung den Nietkopf und die Schaftbohrung den Nietschaft jeweils in axialer Richtung zentrisch durchsetzen und miteinander fluchten. Durch die miteinander fluchtenden Bohrungen des Stempels und des Halbhohlstanzniets wird in Vertikalrichtung ein geradliniger Klebstoffkanal (ohne Kurven oder scharfe Querschnittsübergänge) gebildet, entlang dessen Verlaufs nur geringfügige Druckverluste auftreten.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Standes der Technik sowie eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Halbhohlstanznietverbindung zwischen zwei plattenförmigen Fügeteilen;
2 einen im erfindungsgemäßen Verfahren gemäß 1 verwendeten Halbhohlstanzniet in perspektivischer, teilgeschnittener Ansicht;
3 einen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensablauf beim Halbhohlstanznieten.
Derzeit werden Verbundbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und Metallen unter anderem mit Hilfe von mechanischen Stanznietverfahren, wie z. B. dem in 3 gezeigten Halbhohlstanznietverfahren, gefügt.
Das mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemäß 3 hergestellte Verbundbauteil 31 umfasst zwei Fügeteile 12, 13, die mit Hilfe eines Niets 24 miteinander verbunden sind. Bei dem Niet 24 handelt es sich um einen Halbhohlstanzniet, der einen Nietkopf 25 aufweist, von dem ein Nietschaft 26 ausgeht, der im Wesentlichen die Gestalt eines hohlen Kreiszylinders aufweist. An seinem dem Stempel 23 zugewandten Ende ist der Nietschaft 26 durch den im Durchmesser erweiterten, von dem Stempel 23 druckbeaufschlagbaren Nietkopf 25 verschlossen. Im Inneren des Nietschaftes 26 ist eine durchgehende, zentrale Schaftbohrung 27 ausgebildet, die an ihrem dem Nietkopf 25 entgegengesetzten, der Matrize 15 zugewandten freien Stirnende in eine Schaftöffnung 29 mit einem ringförmigen Nietfuß 33 mündet.
Durch diesen bekannten Halbhohlstanzniet 24 wird ein erstes stempelseitiges Fügeteil 12 aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK) fest mit einem zweiten matrizenseitigen Fügeteil 13 aus Metall verbunden. Beim Erzeugen der Halbhohlstanznietverbindung wird aus dem stempelseitigen Fügeteil 12 aus FVK ein Ausschnitt (sogenannter Butzen 28) ausgestanzt, der bei fortschreitender Stempelbewegung über die Schaftöffnung 29 vollständig in die Schaftbohrung 27 aufgenommen wird.
Nach dem Durchstanzen des stempelseitigen Fügeteils 12 aus FVK dringt der Halbhohlstanzniet 24 in das matrizenseitige Fügeteil 13 aus Metall ein, sodass dieses Fügeteil 13 in eine durch die Gravur 34 der Matrize 15 bestimmte, napfförmige Gestalt verformt wird. Die stirnseitige Schaftöffnung 29 des Halbhohlstanzniets 24 spreizt sich während dieses Verformungsvorgangs im matrizenseitigen Fügeteil 13 auf und bildet dabei eine Hinterschneidung 30. Im hier vorliegenden Fall eines aus einem metallischen Werkstoff (wie Stahl oder Aluminium) bestehenden matrizenseitigen Fügeteils 13 bleibt im Bereich der Hinterschneidungskante genügend Material stehen, um eine stabile Nietverbindung mit einem rissfreien matrizenseitigen Fügeteil 13 zu gewährleisten.
Problematisch sind jedoch die beim Halbhohlstanznieten im faserverstärkten Kunststoff (FVK) des stempelseitigen Fügeteils 12 hervorgerufenen, zum Teil schwerwiegenden Schädigungen, die trotz der stabilen Verankerung des Nietfußes 33 im metallischen matrizenseitigen Fügeteil 13 die Festigkeit der Nietverbindung in erheblichem Maße beeinträchtigen und so die Anwendbarkeit des Halbhohlstanznietens bei der Herstellung von FVK-Metall-Verbundbauteilen deutlich einschränken. Das notwendige Durchstanzen des stempelseitigen FVK-Fügeteils 12 mittels des Nietschaftes 26 des Halbhohlstanzniets 24 und die anschließend vom konischen Nietkopf 25 beim Einsinken in das FVK-Fügeteil 12 verrichtete Umformarbeit führen im faserverstärkten Kunststoff unweigerlich zu Faserondulationen in vertikaler Fügerichtung. Diese Faserondulationen haben wiederum Delaminationen und Zwischenfaserbrüche im Bereich der an das Nietelement angrenzenden Fügezone des FVK-Fügeteils 12 zur Folge. Durch das Aufspreizen des die Schaftöffnung 29 umgebenden Nietfußes 33 kommt es zudem zu einer radialen Kraftwirkung senkrecht zur vertikalen Fügerichtung und damit zu einer weiteren Belastung und Schädigung des faserverstärkten Kunststoffes. Zwischenfaserbrüche und Delaminationen können sich rissartig ausbreiten, wobei es bei ungünstiger äußerer Krafteinwirkung gar zu einem Lösen der Faser-Matrix-Bindung und/oder zu Matrixbrüchen kommen kann. Die vorbeschriebenen, teils schwerwiegenden strukturellen Schädigungen des FVK in Folge des Halbhohlstanznietprozesses bewirken einen starken Abfall der Verbindungsfestigkeit, sodass das konventionelle Halbhohlstanznieten gemäß 3 trotz seiner hohen Wirtschaftlichkeit und Variabilität in der FVK-Verbundbauteilfertigung bisher an seine Grenzen stößt.
Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe, indem durch eine geänderte, in 2 dargestellte Form des Halbhohlstanzniets 1 eine während oder nach dem Fügen stattfindende Ausbesserung der FVK-Schädigungen (Delaminationen, Zwischenfaserbrüche etc.) ermöglicht wird. In Übereinstimmung zu einem konventionellen, in 3 sichtbaren Halbhohlstanzniet 24 umfasst der erfindungsgemäße Halbhohlstanzniet 1 einen Nietkopf 2, an den sich ein Nietschaft 3 anschließt, welcher eine zu einem stirnseitigen Nietfuß 32 hin offene, zentrale Schaftbohrung 7 umgibt. Der Nietkopf 2, der Nietschaft 3 und die zentrale Schaftbohrung 7 sind allesamt bezüglich einer zentralen, vertikalen Achse Z rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei der während des Fügeprozesses mit dem Stempel 14 in Kontakt stehende Nietkopf 2 gegenüber dem Nietschaft 3 im Außendurchmesser vergrößert ist. Im Gegensatz zum hohlzylindrisch geformten Nietschaft 3 besitzt der Nietkopf 2 eine im Querschnitt konvex gekrümmte, sich zum freien Stirnende hin verjüngende Außenkontur.
Charakteristisch für den erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet 1 ist, dass zusätzlich zu der den hohlzylindrischen Nietschaft 3 durchsetzenden Schaftbohrung 7 eine Kopfbohrung 5 im Nietkopf 2 vorgesehen ist. Diese Kopfbohrung 5 erstreckt sich zentrisch durch die gesamte axiale Länge des Nietkopfes 2, beginnend bei einer Kopföffnung 6 an der oberen Stirnseite des Nietkopfes 2 und mündend in die zentrale Schaftbohrung 7 des Nietschaftes 3. Kopf- und Schaftbohrung 5, 7 fluchten miteinander, wobei der Durchmesser der Kopfbohrung 5 gegenüber dem Durchmesser der Schaftbohrung 7 deutlich (etwa auf die Hälfte) verkleinert ist. Die beiden bezüglich der vertikalen Achse Z fluchtend ausgerichteten Bohrungen 5, 7 im Nietkopf 2 und Nietschaft 3 schaffen einen geradlinigen Kanal, der durch die gesamte axiale Länge des Halbhohlstanzniets 1, von der Kopföffnung 6 am oberen Stirnende des Niets 1 bis hin zur Schaftöffnung 4 am unteren Stirnende des Niets 1, verläuft. Dieser Kanal bildet eine Führung für einen in flüssiger oder viskoser Form vorliegenden Klebstoff 18, der über die stirnseitige Kopföffnung 6 des Niets 1 unter Druck (z. B. mittels einer Klebstoffpumpe) in den Halbhohlstanzniet 1 eingeleitet und nach Durchströmen der Kopfbohrung 5 und der anschließenden Schaftbohrung 7 bis zum stempelseitigen Fügeteil 12 aus FVK vordringt. Dort füllt der Klebstoff 18 die nach dem Eindrücken des Halbhohlstanzniets 1 in das FVK-Fügeteil 12 auftretenden Risse (z. B. Delaminationen sowie Faser- und Zwischenfaserbrüche) aus und bewirkt nach seiner Aushärtung eine deutliche Erhöhung der Verbundfestigkeit.
Die vorgenannten FVK-Schädigungen treten vor allem in einer ringförmig um den Umfangsbereich des eingestanzten Niets 1 verlaufenden Fügezone des FVK-Fügeteils 12 auf. Um den Klebstoff 18 gezielt in eben diese ringförmige Fügezone zur Ausheilung bzw. Reparatur der dort vorliegenden FVK-Schädigungen einbringen zu können, zweigen zwei diametral gegenüberliegende Querbohrungen 10, 11 auf gleicher vertikaler Höhe von der Schaftbohrung 7 ab und durchqueren jeweils die gesamte radiale Breite des hohlzylindrischen Nietschaftes 3 bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung 8, 9. Der unter Druck gesetzte Klebstoff 18 gelangt somit nach Durchströmen der Kopfbohrung 5, der Schaftbohrung 7 und der beiden Querbohrungen 10, 11 zu den beiden umfangsseitigen Austrittsöffnungen 8, 9, durch die der Klebstoff 18 aus dem Halbhohlstanzniet 1 in die angrenzende Fügezone des FVK-Fügeteils 12 strömt (siehe durch Pfeile verdeutlichter Strömungspfad auf der rechten Seite der 1). Die diametrale Anordnung der beiden Austrittsöffnungen 8, 9 ermöglicht dabei eine gleichmäßige Beaufschlagung der Fügezone mit Klebstoff 18, um nach dessen Aushärtung eine vollständige Behebung aller Schädigungen im FVK-Fügeteil 12 gewährleisten zu können.
Der in 2 gezeigte Nietaufbau mit einer am Nietkopf 2 vertikal durchgehenden Kopfbohrung 5 und zwei am Nietschaft 3 horizontal durchgehenden, diametral gegenüberliegenden Bohrungen 10, 11 stellt lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar und es sind demzufolge auch andere Ausgestaltungen dieser Kopf- und Querbohrungen 5, 10, 11 möglich, ohne dabei vom erfindungsgemäßen Grundgedanken abzuweichen. So können die Anordnung und/oder die Anzahl und/oder die Durchmesser der Kopf- und/oder Querbohrungen 5, 10, 11 variieren, um in Anpassung an die Parameter des jeweiligen Fügeprozesses (z. B. in Anpassung an die Geometrie der zu fügenden Fügeteile 12, 13) eine optimale Klebstoffführung zu erreichen, welche die Ausheilung bzw. Reparatur aller während des Fügeprozesses entstandenen FVK-Schädigungen gewährleistet. Insbesondere die horizontalen Querbohrungen 10, 11 sind bezüglich ihrer Lage in axialer Richtung und bezüglich ihres Bohrungsdurchmessers so zu wählen, dass während des und/oder nach Beendigung des Eindrückens des Halbhohlstanzniets 1 in die Fügeteile 12, 13 ein freier radialer Spalt 19 verbleibt, durch den der Klebstoff 18 weiter aus der Schaftbohrung 7 in die Querbohrungen 10, 11 und von dort in die angrenzende, beschädigte Fügezone des FVK-Fügeteils 12 strömen kann. Die Herstellung der im Halbhohlstanzniet 1 gemäß 2 zusätzlich vorgesehenen Kopfbohrung 5 und Querbohrungen 10, 11 erfolgt beispielsweise in konventionellen spanenden Bohrverfahren oder mit Hilfe des Laserbohrens, wobei jedoch auch andere Herstellungsverfahren denkbar sind.
1 zeigt beispielhaft, wie erfindungsgemäß ein erstes plattenförmiges Fügeteil 12 aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und ein zweites plattenförmiges Fügeteil 13 aus Metall mittels eines Halbhohlstanzniets 1 zu einem hochstabilen FVK-Metall-Verbundbauteil 35 gefügt werden. In einem ersten Verfahrensschritt gemäß der linken Seite der 1 werden die zu fügenden Fügeteile 12, 13 derart über einer Matrize 15 positioniert, dass das erste Fügeteil 12 aus FVK stempelseitig angeordnet ist, während das zweite Fügeteil 13 aus Metall an der ortsfesten Matrize 15 anliegt. Anschließend werden mit dem Aufsetzen eines Niederhalters 22 das FVK-Fügeteil 12 und das metallische Fügeteil 13 fixiert und vorgespannt, wobei mittels einer (nicht gezeigten) automatischen Nietzuführung der gemäß 2 ausgebildete Halbhohlstanzniet in den Zwischenraum zwischen Stempel 14 und stempelseitigem Fügeteil 12 aus FVK eingebracht wird. Mit der nun in Richtung der vertikalen Achse Z von oben nach unten einsetzenden und fortschreitenden Bewegung des Stempels 14 werden die Fügeteile 12, 13 lokal aufgrund der vom Halbhohlstanzniet 1 übertragenen Stempelkraft aus ihrer anfänglichen horizontalen Fügeteilebene verschoben.
Im folgenden Verfahrensschritt gemäß der rechten Seite der 1 durchstanzt der Halbhohlstanzniet 1 mit seinem ringförmigen, angespitzten Nietfuß 32 zunächst das stempelseitige Fügeteil 12 aus FVK, wobei der vom FVK-Fügeteil 12 abgetrennte Butzen 16 in der Schaftbohrung 7 des Halbhohlstanzniets 1 verbleibt. Anschließend dringt der Nietschaft 3 in das untere, matrizenseitige Fügeteil 13 aus Metall ein, ohne dieses jedoch zu durchstanzen. Dabei wird das matrizenseitige Fügeteil 13 plastisch verformt, sodass sein metallischer Werkstoff in die Gravur 34 der Matrize 15 verdrängt wird und einen napfförmigen Schließkopf 36 bildet. Gleichzeitig mit der plastischen Verformung des matrizenseitigen Fügeteils 13 wird die stirnseitige Schaftöffnung 4 des Halbhohlstanzniets 1 unter Ausbildung einer Hinterschneidung 17 radial aufgespreizt, welche für eine kraft- und formschlüssige Verbindung der beiden Fügeteile 12, 13 sorgt.
Um die beim Durchstanzen des FVK-Fügeteils 12 entstandenen Schädigungen (z. B. Delaminationen sowie Faser- und Zwischenfaserbrüche) zu eliminieren, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, während und/oder nach dem Eindrücken des Halbhohlstanzniets 1 in die Fügeteile 12, 13 einen aushärtbaren Klebstoff 18 (z. B. ein Kunstharz oder einen flüssigen aufgeschmolzenen Kunststoff) aus einem Reservoir (z. B. einer Tank- oder Fassschmelzanlage) in den Halbhohlstanzniet 1 zu pressen, wobei der eingepresste Klebstoff 18 durch die im Halbhohlstanzniet 1 vorgesehenen Bohrungen 5, 7, 10, 11 bis in die geschädigte Fügezone des FVK-Fügeteils 12 weitergeleitet wird. Zur Zuführung des Klebstoffes 18 ist der den Nietkopf 2 kontaktierende Stempel 14 mit einer bis zu einer stirnseitigen Stempelöffnung 20 durchgehenden, den Stempel 14 in axialer Richtung zentrisch durchsetzenden Stempelbohrung 21 versehen, die über eine (nicht gezeigte) fördermengenregulierbare Pumpe mit Klebstoff 18 versorgt wird. Die Stempelbohrung 21 des Stempels 14 und die Kopfbohrung 5 des Halbhohlstanzniets 1 fluchten miteinander und weisen den gleichen Durchmesser auf, sodass während des in 1 gezeigten Stanzvorgangs die Stempelöffnung 20 und die Kopföffnung 6 deckungsgleich unmittelbar aufeinander zu liegen kommen. Auf diese Weise kann der Klebstoff 18 noch während des Stanzvorgangs von der im Stempel 14 integrierten Klebstoffführung (Stempelbohrung 21) in die im Halbhohlstanzniet 1 integrierte Klebstoffführung (Kopf- und Schaftbohrung 5, 7) weitergeleitet werden, ohne auf eine aufwendige, vom Stanzwerkzeug separate Klebstoffzuführung angewiesen zu sein. Nach Einströmen in die stirnseitige Kopföffnung 6 des Halbhohlstanzniets 1 wird der Klebstoff 18 von der vertikalen Kopf- und Schaftbohrung 5, 7 und den horizontalen Querbohrungen 10, 11 in die an den Niet 1 angrenzende Fügezone des stempelseitigen FVK-Fügeteils 12 geführt, sodass der Klebstoff 18 hier nach seiner Aushärtung zu einer Ausheilung bzw. Reparatur der zuvor entstandenen FVK-Schädigungen verhilft.
Weiterhin wird durch den elektrisch nicht leitenden Klebstoff 18 eine Isolationsschicht zwischen dem Niet 1 und dem FVK-Fügeteil 12 geschaffen. Im Fall eines aus kohlstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bestehenden stempelseitigen Fügeteils 12 wird durch diese Klebstoff-Isolationsschicht in vorteilhafter Weise ein Elektronenfluss, welcher aufgrund der Potentialdifferenz zwischen den in der elektrochemischen Spannungsreihe stark unterschiedlichen Werkstoffen Stahl und Kohlenstoff erzeugt wird, unterbunden. Hierdurch werden die korrosiven Eigenschaften der Stanznietverbindung und folglich die Langlebigkeit der Fügestelle deutlich verbessert.
Bevorzugterweise ist die in die Kopföffnung 6 des Halbhohlstanzniets 1 gepresste Klebstoffmenge so dosiert (z. B. durch entsprechende Regulierung der Klebstoffpumpe), dass nicht nur die Risse im FVK-Fügeteil 12, sondern auch die gesamten Innenhohlräume des Niets 1, gebildet durch die Kopf- und Schaftbohrung 5, 7 sowie die Querbohrungen 10, 11, mit Klebstoff 18 aufgefüllt werden, um eine hermetische Abdichtung dieser Nietverbindung von FVK- und Metall-Fügeteil 12, 13 zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren und der erfindungsgemäße Halbhohlstanzniet 1 können in sämtlichen Bereichen angewendet werden, bei denen Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und Metallen mithilfe von Halbhohlstanznietverfahren verbunden werden sollen, insbesondere in Bereichen, wo hohe dynamische Festigkeitsbedürfnisse sowie hohe korrosive Anforderungen im Vordergrund stehen (z. B. Karosseriebau, allgemeiner Maschinenbau, sonstige Leichtbauanwendungen etc.).

Claims

Halbhohlstanzniet (1), der einen Nietkopf (2) und einen sich daran anschließenden Nietschaft (3) mit einer bis zu einer stirnseitigen Schaftöffnung (4) durchgehenden Schaftbohrung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietkopf (2) mit einer bis zu einer stirnseitigen Kopföffnung (6) durchgehenden und in die Schaftbohrung (7) mündenden Kopfbohrung (5) versehen ist.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Schaftbohrung (7) wenigstens eine bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung (8, 9) durchgehende Querbohrung (10, 11) radial abzweigt.
Halbhohlstanzniet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der Schaftbohrung (7) zwei diametral gegenüberliegende, jeweils bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung (8, 9) durchgehende Querbohrungen (10, 11) radial abzweigen.
Halbhohlstanzniet nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfbohrung (5) den Nietkopf (2) und die Schaftbohrung (7) den Nietschaft (3) jeweils in axialer Richtung zentrisch durchsetzen.
Halbhohlstanzniet nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopf- und Schaftbohrung (5, 7) miteinander fluchten, wobei die Kopfbohrung (5) gegenüber der Schaftbohrung (7) im Durchmesser verkleinert ist.
Halbhohlstanzniet nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietkopf (2) und der Nietschaft (3) um dieselbe Achse (Z) rotationssymmetrisch ausgebildet sind, wobei der Nietkopf (2) wenigstens teilweise gegenüber dem Nietschaft (3) im Außendurchmesser vergrößert ist.
Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen mindestens zwei plattenförmigen Fügeteilen (12, 13), bei dem ein Halbhohlstanzniet (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 von einem Stempel (14) so in die übereinander auf einer Matrize (15) angeordneten Fügeteile (12, 13) eingedrückt wird, dass der Nietschaft (3) zunächst das stempelseitige Fügeteil (1) durchstanzt, wobei hierbei ein in der Schaftbohrung (7) aufgenommener Butzen (16) vom stempelseitigen Fügeteil (12) abgetrennt wird, und dass der Nietschaft (3) anschließend das matrizenseitige Fügeteil (13) ohne Durchstanzen verformt, wobei hierbei die Schaftöffnung (4) unter Ausbildung einer Hinterschneidung (17) aufgespreizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach dem Eindrücken des Halbhohlstanzniets (1) in die Fügeteile (12, 13) durch die Kopföffnung (6) ein aushärtbarer Klebstoff (18) in den Halbhohlstanzniet (1) gepresst wird, wobei der Klebstoff (18) durch die Kopf- und Schaftbohrung (5, 7) bis zum stempelseitigen Fügeteil (12) vordringt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als stempelseitiges Fügeteil (12) ein faserverstärktes, insbesondere ein kohlenstofffaserverstärktes oder glasfaserverstärktes, Kunststoffbauelement verwendet wird und dass als matrizenseitiges Fügeteil (13) ein Metallbauelement, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als aushärtbarer Klebstoff (18) ein Kunststoffharz oder ein geschmolzener Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass von der Schaftbohrung (7) wenigstens eine bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung (8, 9) durchgehende Querbohrung (10, 11) radial abzweigt und dass beim Pressen des Klebstoffes (18) in den Halbhohlstanzniet (1) der Klebstoff (18) diese Querbohrung (10, 11) füllt und aus der Austrittsöffnung (8, 9) bis zu dem oder den angrenzenden Fügeteilen (12, 13) vordringt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass von der Schaftbohrung (7) zwei diametral gegenüberliegende, jeweils bis zu einer umfangsseitigen Austrittsöffnung (8, 9) durchgehende Querbohrungen (10, 11) radial abzweigen und dass beim Pressen des Klebstoffes (18) in den Halbhohlstanzniet (1) der Klebstoff (18) diese beiden Querbohrungen (10, 11) füllt und aus den Austrittsöffnungen (8, 9) bis zu dem oder den jeweils angrenzenden Fügeteilen (12, 13) vordringt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbohrung (10, 11) des Halbhohlstanzniets (1) bezüglich ihrer Lage in axialer Richtung so gewählt ist, dass bei Beendigung des Eindrückens des Halbhohlstanzniets (1) in die Fügeteile (12, 13) die Querbohrung (10, 11) innenseitig an den abgetrennten Butzen (16) und außenseitig an das durchstanzte stempelseitige Fügeteil (12) angrenzt, und dass die Querbohrung (10, 11) bezüglich ihres Bohrungsdurchmessers so gewählt ist, dass bei Beendigung des Eindrückens des Halbhohlstanzniets (1) in die Fügeteile (12, 13) ein freier Spalt (19) verbleibt, durch den der Klebstoff (18) aus der Schaftbohrung (7) in die Querbohrung (10, 11) strömt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (14) mit einer bis zu einer stirnseitigen Stempelöffnung (20) durchgehenden Stempelbohrung (21) versehen ist, wobei zum Pressen des Klebstoffes (18) in den Halbhohlstanzniet (1) der Klebstoff (18) unter Druck aus der Stempelöffnung (20) des Stempels (14) in die angrenzende Kopföffnung (6) des Halbhohlstanzniets (1) strömt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelöffnung (20) des Stempels (14) und die Kopföffnung (6) des Halbhohlstanzniets (1) den gleichen Durchmesser haben und so positioniert sind, dass sie beim Pressen des Klebstoffes (18) in den Halbhohlstanzniet (1) deckungsgleich aufeinanderliegen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelbohrung (21) den Stempel (14), die Kopfbohrung (5) den Nietkopf (2) und die Schaftbohrung (7) den Nietschaft (3) jeweils in axialer Richtung zentrisch durchsetzen und miteinander fluchten.