DE102014214901A1 - Verfahren zum Verbinden von faserverstärkten Verbundbauteilen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundbauteilanordnung, insbesondere eine faserverstärkte Verbundbauteilanordnung aus zwei miteinander zu verbindenden Verbundbauteilen, wobei wenigstens eines der Verbundbauteile an seinem Randbereich der Verbindungsabschnitte eine Rastgeometrie zum Verrasten mit einem in der Lage korrespondierenden Randbereich des zweiten Verbundbauteils aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbundbauteilanordnung sowie ein Verfahren zum Verbinden einer solchen Verbundbauteilanordnung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine faserverstärkte Verbundbauteilanordnung aus zwei miteinander zu verbindenden Verbundbauteilen, wobei wenigstens eines der Verbundbauteile an seinem Randbereich der Verbindungsfläche eine Rastgeometrie zum Verrasten mit einem in der Lage korrespondierenden Randbereich des zweiten Verbundbauteils aufweist. Die Erfindung kann ferner auf Verbundbauteile mit metallischen Strukturen Anwendung finden.
  • Die DE102005039500A1 beschäftigt sich zum Beispiel mit Verbindungen von Komponenten aus Kunststoff zur Herstellung von Verbundbauteilen. Solche Verbindungen sind in manchen Fällen problematisch. Beispielsweise stellt das Verbinden von Komponenten aus Faserkunststoffverbunden (FKV) mit metallischen Strukturen und auch untereinander aufgrund der Inhomogenität des Werkstoffs und seines spröden Materialverhaltens eine besondere Herausforderung dar. In dem Faserkunststoffverbund erbringen die Fasern den Großteil der Steifigkeit und Festigkeit des Werkstoffs. Die Hauptaufgaben der Matrix bestehen darin, die äußeren Kräfte in die Fasern zu übertragen sowie die Lage der Fasern und die äußere Gestalt des Bauteils zu sichern. Um die äußeren Kräfte in die FKV-Struktur zu übertragen bedarf es großflächiger Krafteinleitungen. Hierfür eignet sich als Fügeverbindung insbesondere das Kleben. Insbesondere sind solche Klebeverbindungen geeignet, die auf Schub belastbar sind. Ein direktes Verschrauben oder Vernieten von FKV-Strukturen ist ebenfalls möglich, führt jedoch häufig zu lokalen Spannungskonzentrationen und auch zur Schwächung des durchbohrten Bereichs, wenn beispielsweise eine vorhandene Laminatstruktur lokal geschädigt wird.
  • Um großflächig Kräfte in FKV-Strukturen einzuleiten, werden heute zum Beispiel im Fahrzeugbau sogenannte metallische Inserts verwendet. Dies sind meist sehr komplexe Guss- und Frästeile, die in ein Laminat eingebettet sind.
  • Solche Maßnahmen dienen jedoch dazu die Festigkeit der Verbundbauteile als solche zu Erhöhen. Es besteht ein Bedarf danach Verbundbauteile miteinander an geeigneten Flanschflächen oder Verbindungsflächen miteinander zu verbinden. Hierzu eignet sich besonders die Verklebung benachbarter Bauteile mit einem geeigneten Klebstoff. Allerdings ist es notwendig die miteinander verklebten Bauteile über einen ausreichend langen Zeitraum in ihrer relativen Lage zu halten oder zu fixieren. Dies geschieht vorzugsweise über eine Zeitspanne bis ein definierter Aushärtungsgrad oder die nahezu vollständige Aushärtung des Klebstoffes erfolgt ist.
  • Die Positionierung der Klebeflansche bzw. Verbindungsflächen zueinander erfolgt im Stand der Technik üblicherweise mittels mechanischer Heftpunkte, wie zum Beispiel das lokale Anbringen von Stanznieten oder Blindnieten. Nachteilig ist hierbei die Belastung durch Kraft- und Spannungsspitzen beim Erzeugen der Heftpunkte und Borlöcher. der Faserverbundbauteile und die mit der Heftung einhergehende Schwächung oder Durchtrennung der Fasern im Verbundbauteil.
  • Im Stand der Technik sind weitere Verfahren bekannt bei denen zum Beispiel metallische Verbindungselemente zum Herstellen der Verbindung eingesetzt werden. Von Nachteil ist hier unter anderem, dass die Zugänglichkeit zur Anbringung der Verbindungselemente nicht immer gewährleistet ist und dadurch praktische Probleme, je nach Form der zu verbindenden Bauteile auftreten.
  • Ein weiterer Nachteil ist darin begründet, dass zusätzliche Fügelemente oder Bauteile benötigt werden, die zu einer Gewichtserhöhung des gesamten Erzeugnisses, wie zum Beispiel einem Fahrzeug führen und bei der Herstellung auch zusätzliche Kosten verursachen.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine verbesserte und universell verwendbare Verbindungsanordnung sowie ein verbessertes Verfahren zum Verbinden von Verbundbauteilen bereitzustellen, das insbesondere eine lokale Schwächung des Materials reduziert oder gänzlich vermeidet und welches für eine Vielzahl von Werkstoff- und Bauteilpaarungen einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruch 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst, Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es eine vorzugsweise faserverstärkte Verbundbauteilanordnung aus zwei miteinander zu verbindenden Kunststoffverbundbauteilen herzustellen, wobei wenigstens eines der Verbundbauteile an seinem Randbereich der Verbindungsfläche eine Rastgeometrie zum Verrasten mit einem in der Lage korrespondierenden Randbereich des zweiten Verbundbauteils aufweist. Erfindungsgemäß wird durch das Integrieren von Rastelementen an den Bauteilkanten oder an den Randbereichen der miteinander zu verbindenden Verbindungsflächen der Verbundbauteile eine entsprechend geeignete, vorzugsweise elastisch verformbare Rastgeometrie vorgesehen, so dass die Bauteile nach dem Aufbringen des Klebers in eine miteinander verrastete Verbindung gebracht werden können, um eine stabilen Aushärteposition zu erreichen. Auf diese Weise kann auf mechanische Heftpunkte oder Nieten verzichtet werden. Ferner bleiben die miteinander verklebten Klebeflansche bzw. Verbindungsflächen unbeschädigt, da keine Bohrungen oder andere die Fasern unterbrechende Maßnahmen zur Fixierung der Bauteile notwendig sind. Die endgültige Festigkeit wird durch den Klebstoff erzielt.
  • Anders ausgedrückt besteht die Hauptaufgabe des Klebstoffes darin, die auftretenden äußeren Kräfte in die Bauteile zu übertragen bzw. die Bauteile miteinander mechanisch zu verbinden. Um die auftretenden äußeren Kräfte in die Faserverbundstruktur zu übertragen bedarf es großflächiger Krafteinleitungen über die flächigen Klebeverbindungen. Die Hauptaufgabe der Rastelemente besteht darin, bei der Herstellung der Klebeverbindung der Verbundbauteile eine Lagepositionierung sicherzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird demnach eine Verbundbauteilanordnung umfassend zwei miteinander zu verbindenden Verbundbauteilen vorgeschlagen, wobei das eine Verbundbauteil mit einer Verbindungsfläche ausgebildet ist zur Verbindung mit einer vorzugsweise komplementären Verbindungsfläche des anderen Verbundbauteils, wobei das erste Verbundbauteil an einem Randbereich der Verbindungsfläche eine Rastgeometrie aufweist, zum Verrasten mit einem korrespondierenden Randbereich an der Verbindungsfläche des zweiten Verbundbauteils.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungsflächen als im Wesentlichen flächige Verbindungsflächen zum Auftrag eines Klebstoffes ausgebildet.
  • Es ist ferner erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rastgeometrie als eine partiell oder vollständig umlaufende Rastgeometrie entlang der Außenkante oder entlang der Kante an der Klebefläche des Verbundbauteils ausgebildet ist. Es ist demnach möglich entlang einer definierten Kante oder entlang des gesamten Randbereiches eine durchgängige Rastkontur oder Rastgeometrie vorzusehen. Alternativ hierzu können auch entlang definierter partieller Abschnitte im Kantenbereich einzelne oder mehrere Rastkonturen oder Rastgeometrieen vorgesehen werden. Letztere kann auch dadurch realisiert werden, dass eine Rastgeometrie an mehreren Stellen unterbrochen wird und dadurch Rastkonturabschnitte segmentweise gebildet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Rastgeometrie auch aus einer Vielzahl von einzelnen gleichartigen oder unterschiedlichen Rastelementen ausgebildet sein, die zum Beispiel an diversen Positionen entlang der Klebekante oder der Kante entlang einer Klebefläche angeordnet sind.
  • Das Erzeugen der Rastgeometrie kann auf unterschiedliche Art- und Weise erfolgen. So ist es erfindungsgemäß zum Beispiel vorgesehen im Kunststoffspritzgussverfahren hergestellte Rasthaken bei der Herstellung der Fasergelege in diese randseitig vor dem Füllen der Form einzulegen oder einzubetten. Alternativ ist es denkbar, dass die Rastgeometrie oder die Rasthaken unmittelbar als Reinharzbereich erzeugt werden indem diese direkt bei der Harzinjektion in die Form mit gegossen werden. Nach dem Aushärten der Faserverbundbauteile können diese dann mit einem entsprechenden Bauteilpartner zusammen geclipst werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Rastgeometrie und/oder eine oder mehrere der Rastelemente des ersten oder alternativ auch beider Verbundbauteile einen Hinterschnitt oder eine Einstecköffnung zum Einbringen eines jeweiligen Kantenabschnittes des anderen Verbundbauteils auf.
  • Je nach Ausgestaltung der Rastgeometrie des einen Verbundbauteils der Verbindungsanordnung wird die andere damit zu verbindenden Randkontur entsprechend ausgebildet. So kann zum Beispiel an der zur Rastkontur vorgesehenen Gegenkontur eine Rastnut vorgesehen sein in die eine Rastnase der Rastkontur eintaucht, während der Randbereich des zweiten Verbundbauteils der Gegenkontur ein Stück weit in die Einstecköffnung der Rastkontur eintaucht.
  • In einer allgemeineren Formulierung dieses erfindungsgemäßen Aspektes, kann demnach das zweite Verbundbauteil an seinem zur Verbindung vorgesehenen Randbereich eine zur Rastgeometrie des ersten bzw. anderen Verbundbauteils komplementäre oder geeignet ausgebildete Gegenrastgeometrie aufweisen oder Gegenrastelemente ausbilden.
  • Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Rastgeometrie oder die Rastelemente und/oder die Gegenrastgeometrie oder Gegenrastelemente bestimmungsgemäß elastisch verformbar ausgebildet sind, so dass sich die jeweilige Geometrie beim Zusammenrasten aus ihrer Ausgangsposition elastisch verformen kann oder können. Auf diese Weise können die beteiligten elastischen Elemente geeignet aus ihrer Ausgangsposition verformt werden und ggf. nach dem vollständigen Zusammenrasten in ihre Ausgangsposition zurückfedern.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Rastelemente und/oder die Gegenrastelemente oder Teile davon als Rasthaken ausgebildet sein.
  • Die Verbundbauteile können ferner als faserverstärkte Verbundbauteile vorzugsweise als CFK-Verbundbauteile hergestellt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer wie zuvor beschriebenen Verbundbauteilanordnung mit wenigstens den folgenden Schritten:
    – Aufbringen eines Klebstoffes auf wenigstens eine Verbindungsfläche eines der Verbundbauteile;
    – Zusammenrasten der Verbundbauteile an ihren jeweils gegenüberliegenden bzw. korrespondierenden Rastgeometrien und
    – Aushärten des Klebstoffs.
  • Es können auch mehr als zwei Verbundbauteile erfindungsgemäß mittels einer Rastgeometrie gemäß dem oben erläuterten Verfahren geeignet verrastet werden. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbundbauteilanordnung aus zwei Verbundbauteilen;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbundbauteilanordnung aus zwei Verbundbauteilen, und
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbundbauteilanordnung aus zwei Verbundbauteilen.
  • In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verbundbauteilanordnung 1 gezeigt. Die Verbundbauteilanordnung 1 umfasst zwei miteinander zu verbindenden faserverstärkte Verbundbauteile 10, 20. Das eine Verbundbauteil 10 ist beispielhaft als eine Deckschale (Oberschale) mit einem umlaufenden Verbindungsabschnitt 17, der an seiner nach unten gerichteten Seite eine Verbindungsfläche 11 ausbildet zur Verbindung mit einer Verbindungsfläche 21 des unteren Verbundbauteils 20. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen weisen die Verbundbauteile 10, 20 eine jeweils ähnliche Form auf. Die beiden Verbundbauteile können selbstverständlich aber eine voneinander unterschiedliche Form haben. Das erste Verbundbauteil 10 weist an seinem Randbereich 12 des Verbindungsabschnittes 17 eine Rastgeometrie 13 auf, zum Verrasten mit dem in der Lage korrespondierenden Randbereich 22, ausgebildet an dem Verbindungsabschnitt 27, welcher an seiner Oberseite eine Verbindungsfläche 21 des zweiten Verbundbauteils 20 aufweist. Die beiden Verbindungsflächen dienen der Verklebung und Verbindung der beiden Verbundbauteile miteinander. Die Verbindungsflächen 11, 21 sind hier als flächige Verbindungsflächen zum Auftrag eines Klebstoffes zur klebenden Verbindung ausgebildet.
  • Die in 1 gezeigte Rastgeometrie 13 stellt nur eine prinzipielle und schematische Lösung einer Rastkontur dar, um die beiden Verbundbauteile miteinander zu verrasten. Vorliegend wurde eine vollständig umlaufende Rastgeometrie entlang der Außenkante 14 des Verbundbauteils 10 ausgebildet.
  • In den Ausführungsformen gemäß den 2 bis 4 weist auch das zweite Verbundbauteil 20 an seinem Randbereich 22 eine zur Rastgeometrie 13 komplementäre oder geeignet ausgebildete Gegenrastgeometrie 23 auf.
  • Alternativ zu den Ausführungen der 1 bis 3 könnte die gezeigte Rastgeometrie 13 auch aus einer Vielzahl von einzelnen wie in 4 gezeigten Rastelementen 15 ausgebildet sein. Die Rastelemente 15 in 4 sind als Rasthaken mit einer im Hinterschnitt 16 ausgeformten Rastnut 19 ausgebildet, wobei am Gegenrastmittel 23 eine korrespondierende Rastrippe 29 zum Eingriff in die Rastnut 19 vorgesehen ist.
  • Die in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich von der Ausführungsform der 1 lediglich durch eine andere Ausgestaltung der Rastgeometrie 13 und dem Umstand, dass eine Gegenrastgeometrie 23 auch am zweiten Bauteil 20 vorgesehen ist. Je nach Form und Gestaltung der Bauteile kann jedoch wie im ersten Ausführungsbeispiel gezeigt auf ein Gegenrastmittel verzichtet werden, wodurch eine möglichst einfache und kostengünstige Lösung gegeben ist. in der 3 besteht das Gegenrastmittel aus einer stirnseitig an der Kante angebrachten Rippe.
  • In allen hier gezeigten Ausführungsformen der 1 bis 4 weist die Rastgeometrie 13 einen Hinterschnitt 16 (siehe hierzu insbesondere 4) zum Einbringen eines jeweiligen Kantenabschnittes 26 des Verbundbauteils 20 für das Zusammenrasten der beiden Verbundbauteile 10, 20 auf.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
  • 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
    • DE 102005039500 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verbundbauteilanordnung (1) umfassend zwei miteinander zu verbindende Verbundbauteile (10, 20), wobei das eine Verbundbauteil (10) einen Verbindungsabschnitt (17) mit einer Verbindungsfläche (11) zur Verbindung mit einer Verbindungsfläche (21) des anderen Verbundbauteils (20) aufweist, wobei das eine Verbundbauteil (10) an einem Randbereich (12) des Verbindungsabschnitts (17) eine Rastgeometrie (13) ausbildet, zum Verrasten mit einem Randbereich (22) an einem Verbindungsabschnitt (27) des anderen Verbundbauteils (20).
  2. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen (11, 21) als flächige Verbindungsflächen zum Auftrag eines Klebstoffes zur klebenden Verbindung ausgebildet sind.
  3. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastgeometrie (13) als eine partiell oder vollständig umlaufende Rastgeometrie entlang der Außenkante (14) des Verbundbauteils (10) ausgebildet ist.
  4. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastgeometrie (13) aus einer Vielzahl von einzelnen Rastelementen (15) ausgebildet ist.
  5. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastgeometrie (13) und/oder eine oder mehrere der Rastelemente (15) einen Hinterschnitt (16) zum Einbringen eines jeweiligen Kantenabschnittes (26) des Verbundbauteils (20) für das Zusammenrasten der beiden Verbundbauteile (10, 20) aufweisen.
  6. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verbundbauteil (20) an einem Randbereich (22) eine zur Rastgeometrie (13) komplementäre oder geeignet ausgebildete Gegenrastgeometrie (23) oder Gegenrastelemente (25) aufweist.
  7. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastgeometrie (13) oder Rastelemente (15) und/oder die Gegenrastgeometrie (23) oder Gegenrastelemente (25) bestimmungsgemäß elastisch verformbar ausgebildet sind, so dass sich die jeweilige Geometrie beim Zusammenrasten aus ihrer Ausgangsposition elastisch verformen kann oder können.
  8. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastelemente (15) und/oder die Gegenrastelemente (25) als Rasthaken ausgebildet sind.
  9. Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundbauteile als faserverstärkte Verbundbauteile vorzugsweise CFK-Verbundbauteile hergestellt sind.
  10. Verfahren zum Verbinden einer Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit wenigstens den folgenden Schritten: a. Aufbringen eines Klebstoffes auf wenigstens eine Verbindungsfläche (11, 21) eines der Verbundbauteils (10, 20); b. Zusammenrasten der Verbundbauteile (10, 20) an ihren korrespondierenden Rastgeometrien (13, 23) und c. Aushärten des Klebstoffs.
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Citations (1)

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DE102005039500A1 (de) 2005-08-20 2007-02-22 Volkswagen Ag Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen

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