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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung für ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff („FVK-Bauteil”), wobei die Verbindungsvorrichtung zum Eingriff mit einem externen Verbindungsgegenelement ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein FVK-Bauteil, das mindestens eine solche Verbindungsvorrichtung aufweist. Die Erfindung ist insbesondere einsetzbar im Fahrzeugbau, z. B. zur Befestigung von FVK-Bauteilen an Kraftfahrzeugen, insbesondere an Personenkraftwägen, Lastkraftwägen oder Motorrädern.
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Es ist bekannt, Einsatzteile (sog. „Inserts”) aus Metall oder Kunststoff zu verwenden, um Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zur verschrauben. Dabei sind die Inserts in das Fasermaterial der FVK-Bauteile eingebracht. Zur Verschraubung besitzen die Inserts Gewindebohrungen. Metallische Inserts weisen sehr gute mechanische Eigenschaften, jedoch auch ein hohes Gewicht auf. Inserts aus Kunststoff sind sehr leicht, weisen jedoch schlechtere mechanische Eigenschaften auf.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Möglichkeit zur stabilen Verbindung, insbesondere Befestigung, von FVK-Bauteilen mittels leichter Verbindungsvorrichtungen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verbindungsvorrichtung für ein FVK-Bauteil, wobei die Verbindungsvorrichtung mindestens ein hohles Verstärkungselement aus Metall als Aufnahme für ein externes Verbindungsgegenelement aufweist und das mindestens eine Verstärkungselement in ein Kunststoffvolumen der Verbindungsvorrichtung eingebettet ist.
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So wird der Vorteil erreicht, dass sich aufgrund des Kunststoffvolumens ein geringes Bauteilgewicht ergibt, während eine durch das metallische Verstärkungselement vermittelte Verbindung mit dem externen Verbindungsgegenelement hochgradig stabil auslegbar ist. Das metallische Verstärkungselement kann beispielsweise hohe Zug-, Druck-, Schraub- und/oder Klemmkräfte aushalten bzw. übertragen. Weitere Vorteile sind, dass so eine Entkopplung des Metalls des Verstärkungselements vom dem faserverstärkten Kunststoff des FVK-Bauteils vorgenommen wird und einer elektrochemischer Korrosion vorgebeugt werden kann.
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Die Verbindungsvorrichtung mag auch als eine hybride (Kunststoff/Metall-)Vorrichtung angesehen werden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das metallische Verstärkungselement aus Stahl oder aus Aluminium besteht.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass das Kunststoffvolumen mindestens einen thermoplastischen Kunststoff (Thermoplast) und/oder duroplastischen Kunststoff (Duroplast) aufweist. Thermoplaste weisen den Vorteil auf, dass sie sich nachträglich umformen oder verschweißen lassen. Als thermoplastische Kunststoffe eignen sich beispielsweise: Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE). Duroplaste lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen nicht mehr umformen. Sie weisen vorteilhafterweise einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt besonders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Duroplaste weisen meist die höchsten Festigkeiten auf. Als duroplastische Kunststoffe können z. B. folgende Harze zur Anwendung kommen: Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF).
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Es ist auch noch eine Weiterbildung, dass der Kunststoff mindestens einen Füllstoff aufweist, z. B. Mahlgut und/oder Fasern. Dadurch wird das Kunststoffvolumen fester und/oder steifer. Die Fasern können organische oder anorganische Fasern sein. Die Fasern können beispielsweise Kohlenstofffasern sein. Diese bilden mit dem Kunststoff z. B. einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff; englisch „carbon-fiber-reinforced plastic”, CFRP) genannt. Das zugehörige Kunststoffvolumen ist dann ein CFK-Volumen. Die Fasern können beispielsweise auch Glasfasern sein. Diese bilden mit dem Kunststoff einen glasfaserverstärkten Kunststoff, auch GFK genannt. Das zugehörige Kunststoffvolumen ist dann ein GFK-Volumen. Jedoch ist das Kunststoffvolumen nicht darauf beschränkt, und die Fasern können z. B. auch Aramidfasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, PMMA-Fasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern und/oder Naturfasern sein.
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Der Kunststoff des Verbindungselements mag dem Kunststoff der Kunststoffmatrix des FVK-Bauteils entsprechend oder dazu unterschiedlich sein. Insbesondere mag das Material des Verbindungselements mag dem Material des FVK-Bauteils entsprechend oder dazu unterschiedlich sein.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Verstärkungselement eine Metallhülse ist. Dadurch kann das Verstärkungselement bzw. ein das Verstärkungselement aufweisendes FVK-Bauteil durch Einbringen z. B. eines bolzen- oder stiftförmigen Verbindungsgegenelements befestigt werden.
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Eine solche Metallhülse mag z. B. eine glatte Innenwand aufweisen. Diese Weiterbildung eignet sich insbesondere zum Einführen von Verbindungsgegenelementen wie Schrauben, Stifte oder Bolzen, ohne dass das Verstärkungselement selbst in haltenden Eingriff mit dem Verbindungsgegenelement gebracht zu werden braucht. So lässt sich mit einem besonders einfach aufgebauten Verstärkungselement eine hochgradig stabile Verbindung des FVK-Bauteils erreichen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das Verstärkungselement eine Metallhülse ist, die mit einem Innengewinde versehen ist. Dadurch kann das Verstärkungselement bzw. ein das Verstärkungselement aufweisendes FVK-Bauteil einfach durch Verschrauben verbunden bzw. befestigt werden. Das externe Verbindungsgegenelement ist dann typischerweise eine Schraube.
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Jedoch mag durch einen Eingriff des externen Verbindungsgegenelements in die Metallhülse auch z. B. eine stabile Klemm- und/oder Rastverbindung hergestellt werden. Das externe Verbindungsgegenelement mag z. B. ein Raststift sein.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Hülse eine durch das Kunststoffvolumen durchgehende Hülse ist. Dadurch kann die Metallhülse auch als eine einfache Durchführung für ein Verbindungsgegenelement verwendet werden. Das Verbindungsgegenelement mag beispielsweise eine an einer Seite in die Metallhülse eingeführte Schraube sein, welche an der anderen Seite herausragt und dort mittels einer Mutter festgezogen ist. Das Verbindungsgegenelement mag alternativ z. B. ein an einer Seite in die Metallhülse eingeführter Bolzen sein, welche an der anderen Seite herausragt und dort mittels eines Spannstifts gesichert ist. Das Verbindungsgegenelement mag z. B. auch ein Seil sein, z. B. ein Metallseil. Die Ausgestaltung des Verstärkungselements als Durchführung ergibt allgemein eine besonders hohe Vielfalt an Verbindungsmöglichkeiten.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Kunststoffvolumen einstückig hergestellt worden ist, z. B. mittels einer Umspritzung des mindestens einen Verstärkungselements. Es ist eine für eine einfache Befestigung an einem FVK-Bauteil vorteilhafte Weiterbildung, dass das Verbindungselement und/oder dessen Kunststoffvolumen mehrteilig hergestellt worden ist. Die separat hergestellten mehreren Teil können dann zu dem fertigen Verbindungselement zusammengesetzt werden, insbesondere unlösbar.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die Verbindungsvorrichtung aus mindestens einem ersten Teil und einem zweiten Teil zusammengesetzt ist. Dies ergibt unter anderem den Vorteil, dass das erste Teil und das zweite Teil eine beidseitige Kontaktierung des zugehörigen FVK-Bauteils erleichtern. So wird insbesondere eine formschlüssige und ggf. kraftschlüssige Halterung des FVK-Bauteils erleichtert.
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Das metallische Verstärkungselement mag an einem der beiden Teile vorhanden sein.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das erste Teil und das zweite Teil miteinander verklebt sind. So lässt sich auf einfache und preisgünstige Weise eine feste Verbindung der Teile erreichen. Eine Verklebung eignet sich für Duroplaste und Thermoplaste.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das Kunststoffvolumen thermoplastischen Kunststoff aufweist und das erste Teil und das zweite Teil miteinander thermisch stoffschlüssig verbunden worden sind. So kann eine feste stoffschlüssige Verbindung auch ohne Nutzung von Klebstoff erreicht werden. Vielmehr werden hier Kontaktflächen der beiden Teile bis über den Schmelzpunkt erwärmt, so dass die beiden Teile an den Kontaktflächen miteinander untrennbar verschmelzen und insbesondere zu einem einstückigen Körper werden.
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Es ist noch eine Weiterbildung, dass die Teile mittels einer Klemmpassung und/oder einer Verrastung fest miteinander verbunden werden.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Verbindungsvorrichtung im Querschnitt eine Doppel-T-Form aufweist. Dies ermöglicht eine besonders stabile und feste Verbindung mit dem FVK-Bauteil, da dieses zwischen einem oberen Querbereich und einem unteren Querbereich (auch Flansch oder Gurt genannt) formschlüssig und ggf. kraftschlüssig gehalten werden kann. Ein Mittelbereich (auch Steg genannt) kann durch eine Öffnung in dem FVK-Bauteil hindurchgeführt sein.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das Verstärkungselement längs durch den Mittelbereich verläuft. Es ist eine zur Vermeidung einer Verformung des Kunststoffvolumens vorteilhafte Weiterbildung, dass das Verstärkungselement durch die Querbereiche und durch den Mittelbereich verläuft. Das Verstärkungselement mag insbesondere außenseitig bündig an das Kunststoffvolumen anschließen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein FVK-Bauteil, welches mindestens eine Verbindungsvorrichtung wie oben beschrieben aufweist. Das FVK-Bauteil mag analog zu der Verbindungsvorrichtung ausgebildet sein und ergibt die gleichen Vorteile.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das FVK-Bauteil als Teil eines Fahrzeugs vorgesehen bzw. eingerichtet ist. Dies ermöglicht eine vielseitig gestaltbare feste Verbindung von FVK-Bauteilen mit anderen Teilen des Fahrzeugs. Dies ist insbesondere vorteilhaft zum Erreichen einer Leichtbauweise.
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Die Aufgabe wird zudem gelöst durch ein Kraftfahrzeug, aufweisend mindestens eine Verbindungsvorrichtung wie oben beschrieben, insbesondere mindestens ein FVK-Bauteil wie oben beschrieben. Das Kraftfahrzeug kann z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad sein, insbesondere in Leichtbauweise. Die Leichtbauweise unter Nutzung von FVK-Bauteilen ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, z. B. sog. E-Cars.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Verbindungsvorrichtung;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht die an einem FVK-Bauteil angebrachte Verbindungsvorrichtung aus 1;
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Explosionsansicht von zwei separat vorgefertigten Teilen der Verbindungsvorrichtung aus 1;
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4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht die zwei separat vorgefertigten Teile aus 3 in Bezug auf eine mögliche Verbindungsart; und
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5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht die zwei separat vorgefertigten Teile aus 3 in Bezug auf eine weitere mögliche Verbindungsart.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Verbindungsvorrichtung 1, welche ein Kunststoffvolumen 2 aufweist. Von dem Kunststoffvolumen 2 ist ein hohles Verstärkungselement in Form einer Metallhülse 3 seitlich umgeben. Die Metallhülse 3 mag beispielsweise von dem Kunststoff durch ein Spritzgussverfahren seitlich eingebettet worden sein. Die Metallhülse 3 ist innenseitig glatt (weist also z. B. kein Innengewinde auf) und mag beispielsweise aus Stahl oder – für ein besonders geringes Gewicht – aus Aluminium bestehen.
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Das Kunststoffvolumen 2 mag beispielsweise aus Thermoplast oder Duroplast bestehen, welcher für eine erhöhte Steifigkeit mit Füllmaterial wie Fasern oder Mahlgut versetzt sein mag. Das Kunststoffvolumen 2 mag einstückig oder mehrstückig hergestellt worden sein.
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Das Kunststoffvolumen 2 und damit auch die Verbindungsvorrichtung 1 weisen im Querschnitt eine Doppel-T-Form auf, und zwar mit einem ersten, „oberen” Querbereich 4, einem zweiten, „unteren” Querbereich 5 und einem diese mittig verbindenden Mittelbereich 6. Die Querbereiche 4, 5 mögen z. B. in Form einer Scheibe vorliegen, der Mittelbereich 6 z. B. in Form eines Hohlzylinders.
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Die Metallhülse 3 geht durch das Kunststoffvolumen 2 hindurch und liegt an beiden Seiten bündig an einer Oberfläche des oberen Querbereichs 4 bzw. des unteren Querbereichs 5 an. Die Metallhülse 3 stellt also eine Durchführung durch das Kunststoffvolumen 2 dar und verläuft längs durch den Mittelbereich 6.
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht die nun an einem FVK-Bauteil B eines Kraftfahrzeugs F angebrachte Verbindungsvorrichtung 1. Sie wird mittels der beiden Querbereiche 4, 5 formschlüssig an dem FVK-Bauteil B gehalten. Durch die Metallhülse 3 ist hier eine Schraube S geführt, und zwar durch Einführen an der Seite des oberen Querbereichs 4. Die Schraube S ragt aus dem unteren Querbereich 5 und ist dort mit einer Mutter M verschraubt. Die Schraube S mag beispielsweise mit einem anderen Teil des Kraftfahrzeugs F formschlüssig und ggf. kraftschlüssig verbunden sein, z. B. mit einem Gestell.
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Explosionsansicht von zwei separat vorgefertigten Teilen der Verbindungsvorrichtung 1 aus 1. Während die Verbindungsvorrichtung 1 grundsätzlich auch einen einstückig – z. B. mittels eines Spritzgussverfahrens – hergestellten Kunststoffkörper 2 aufweisen kann, ist die Verbindungsvorrichtung 1 hier zunächst zweistückig zusammengesetzt. Dies erleichtert eine Einbringung in das FVK-Bauteil B.
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Die Verbindungsvorrichtung 1 ist hier aus einem ersten Teil 7 und einem zweiten Teil 8 zusammengesetzt. Das erste Teil 7 umfasst den oberen Querbereich 4 sowie einen daran anschließenden Abschnitt des Mittelbereichs 6, welcher bis zu dem unteren Querbereich 5 reicht und eine innere Lage 9 des Mittelbereichs 6 darstellt. Das zweite Teil 8 umfasst den unteren Querbereich 5 sowie eine äußere Lage 10 des Mittelbereichs 6. Die innere Lage 9 passt also spielfrei oder mit nur geringem Spiel in die äußere Lage 10.
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4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht die zwei separat vorgefertigten Teile 7 und 8 aus 3 in Bezug auf eine mögliche Verbindungsart, nämlich eine Verklebung. Zur Verklebung dieser beiden Teile 7, 8 wird auf mögliche Kontaktflächen mindestens eine Lage L1, L2 Klebstoff K aufgebracht. Diese kann auch auf Bereich angebracht werden, welche das FVK-Bauteil B kontaktieren. Beispielweise mag zunächst das zweite Teil 8 mit seiner äußeren Lage 10 in eine Aussparung des FVK-Bauteils B eingesetzt werden und daran mittels der Lage L2 an Klebstoff K verklebt werden. Folgend wird das erste Teil 7 in das zweite Teil 8 eingeführt und damit durch die Lage L1 an Klebstoff K verklebt. Die Lage L1 an Klebstoff K verklebt das erste Teil 7 auch mit dem FVK-Bauteil B.
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5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht die zwei separat vorgefertigten Teile 7, 8 aus 3 in Bezug auf eine weitere mögliche Verbindungsart, nämlich eine thermisch stoffschlüssige Verbindung durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen. Dazu mag z. B. ein Ultraschallkopf U auf den oberen Querbereich 4 aufgelegt und aktiviert werden, wenn der erste Teil 7 in den zweiten Teil 8 eingeschoben wird, wie durch den Pfeil angedeutet (wobei auch der umgekehrte Fall möglich ist). Der aktivierte Ultraschallkopf U bewirkt ein Aufschmelzen zumindest eines Teilbereichs der Kontaktfläche des ersten Teils 7 zu dem zweiten Teil 8 und damit eine einstückige stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Teil 8. Zumindest der erste Teil 7 weist als Kunststoff Thermoplast auf.
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Allgemein können das erste Teil 7 und das zweite Teil 8 aus einem gleichem oder aus unterschiedlichem Material bestehen. Gleiches Material verbessert eine z. B. stoffschlüssige und/oder thermisch induzierte Verbindung, unterschiedliches Material erlaubt eine höhere Gestaltungsfreiheit, z. B. durch eine Variation mechanischer Eigenschaften.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Allgemein kann unter ”ein”, ”eine” usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von ”mindestens ein” oder ”ein oder mehrere” usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z. B. durch den Ausdruck ”genau ein” usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindungsvorrichtung
- 2
- Kunststoffvolumen
- 3
- Metallhülse
- 4
- oberer Querbereich
- 5
- unterer Querbereich
- 6
- Mittelbereich
- 7
- erster Teil der Verbindungsvorrichtung
- 8
- zweiter Teil der Verbindungsvorrichtung
- 9
- innere Lage des Mittelbereichs
- 10
- äußere Lage des Mittelbereichs
- B
- FVK-Bauteil
- F
- Kraftfahrzeug
- K
- Klebstoff
- L1
- Lage aus Klebstoff
- L2
- Lage aus Klebstoff
- M
- Mutter
- S
- Schraube
- U
- Ultraschallkopf
