DE102014215141A1

DE102014215141A1 - Mechanisches Fügen von Faserverbundbauteilen mittels eines Klettverschlusses

Info

Publication number: DE102014215141A1
Application number: DE102014215141.4A
Authority: DE
Inventors: Julia Wagner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2016-02-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine vorzugsweise faserverstärkte Verbundbauteilanordnung aus zwei miteinander zu verklebenden Verbundbauteilen, wobei die beiden Verbundbauteile im Bereich ihrer Verbindungsflächen (Klebeflächen) eingebettete Klettverschlusselemente aufweisen, zum gegenseitigen mechanischen Verhaken.

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 die beiden Verbundbauteile im oder benachbart zum Bereich ihrer Verbindungsflächen (Klebeflächen) eingebettete Klettverschlusselemente aufweisen, zum gegenseitigen mechanischen Verhaken und Fixieren.
Die DE 10 2005 039 500 A1 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 metallische Fügelemente oder Bauteile, wie Stanznieten oder Blindnieten benötigt werden, die auch 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 9 gelöst.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es eine vorzugsweise faserverstärkte Verbundbauteilanordnung aus zwei (oder auch mehreren) miteinander zu verbindenden Kunststoffverbundbauteilen bzw. Faserverbundbauteile herzustellen, wobei die zu verbindenden Verbundbauteile im Bereich ihrer Verbindungsflächen eingebettete Klettverschlusselemente aufweisen, die ausgebildet sind zum gegenseitigen mechanischen Verhaken. Erfindungsgemäß wird durch das Integrieren von Klettverschlusselementen in das Laminat an den miteinander zu verbindenden Verbindungsflächen der Verbundbauteile eine entsprechend geeignete Fixierlösung bereitgestellt, so dass die Bauteile in eine miteinander verhakte und damit mechanisch fixierte Verbindung gebracht werden können, um eine stabilen Aushärteposition für den auf die Verbindungsflächen aufgebrachten Klebstoff 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 Klettverschlusselemente besteht darin, bei der Herstellung der Klebeverbindung der Verbundbauteile eine Lagepositionierung sicherzustellen.
Erfindungsgemäß wird demnach eine Verbundbauteilanordnung umfassend zwei miteinander zu verbindenden Verbundbauteile 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 definierten Bereich an oder innerhalb der jeweiligen Verbindungsfläche mit Klettverschlusselementen zum Verhaken mit einem korrespondierenden Klettverschlussbereich an oder benachbart der Verbindungsfläche des zweiten Verbundbauteils ausgestattet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungsflächen als im Wesentlichen flächige Verbindungsflächen zum Auftrag eines Klebstoffes ausgebildet, wobei die Klettverschlusselemente an geeigneten Positionen benachbart dazu angeordnet sind.
Es ist ferner erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einen Klettverschlusselemente als schlaufenartige Klettverschlusselemente ausgebildet sind und die anderen korrespondierenden Klettverschlusselemente als widerhakenartige Klettverschlusselemente Verhaken mit den schlaufenartigen Klettverschlusselementen ausgebildet zum.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die im Bereich der Verbindungsflächen vorgesehenen Klettverschlusselemente von jeweils einer in das jeweilige Verbundbauteil in einer oberen Lage eingebetteten Klettverschlusstextil herausstehen. Es ist weiter vorteilhaft, wenn das jeweilige Klettverschlusstextil zumindest teilweise in die Harzlage eingebettet wird.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung stehen die Klettverschlusselemente jeweils nur mit eine vorzugsweise minimalen effektiven Länge L aus der Oberfläche der jeweiligen Verbindungsfläche hervorstehen, die circa 50% der Dicke einer aufzubringenden Klebstoffschicht entspricht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das richtige Abstandsmaß zwischen den beiden korrespondierenden Verbindungsflächen eingehalten und die richtige Klebstoffmenge verwendet werden können.
Erfindungsgemäß kann demnach auch vorgesehen werden, dass die für den Klebstoff vorgesehenen Verbindungsflächen gegenüber dem oder den Bereichen mit den Klettverschlusselementen des betroffenen Verbundbauteils in ihrer relativen Lage in der Höhe erhöht bzw. abgestuft ausgebildet sind, so dass hierdurch ein entsprechendes Füllvolumen für Klebstoff vorhanden ist und auch ein Raum in den die Haken und Schlaufen der Klettverschlusselemente hineinragen können.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die zur klebenden Verbindung vorgesehenen Verbindungsflächen mit ihrer Oberflächenform im Wesentlichen korrespondierend zueinander ausgebildet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Verbundbauteile als faserverstärkte Verbundbauteile vorzugsweise als CFK-Verbundbauteile in der Laminiertechnik unter Verwendung von Fasermaterial und Harz hergestellt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Verfahren zum Herstellen einer wie zuvor beschriebenen Verbundbauteilanordnung oder eines der beiden Verbundbauteil, das mit den wenigstens folgenden Verfahrensschritten erzeugt wird:

– Bereitstellen eines Grundlaminates aus Fasermaterial oder einer Fasermaterialkombination (wie z. B. Kohlenstoff und/oder Glasfasern);
– Aufbringen von Klettverschlusselementen oder eines Klettverschlusstextils aufweisend Klettverschlusselemente an den für die Verbindung bestimmten Positionen auf dem Grundlaminat, und
– Infiltrieren und Aushärten eines Harzes zur Herstellung des laminierten Verbundbauteils derart, dass die Klettverschlusselemente zu mindestens teilweise aus der Oberfläche aus dem jeweiligen Verbundbauteil hervorstehen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ferner vorgesehen werden, dass vor dem Infiltrieren des Harzes an geeigneten Positionen mechanische und/oder chemische Barrieren (z. B. auf der Bauteiloberfläche oder auch im verwendeten Werkzeug) vorgesehen werden, um sicherzustellen, dass beim Infiltrieren eingebrachtes Harz die Klettverschlusselemente bestimmungsgemäß nur teilweise, jedenfalls nicht vollständig überdeckt. Durch geeignete Auslegung solcher Barrieren kann die effektive Länge der Schlaufen und Haken, die nach der Aushärtung aus dem Laminat hervorstehen sollen, bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Klettverschlusselemente auch aus einer Vielzahl von einzelnen gleichartigen oder unterschiedlichen Klettverschlusselementen ausgebildet sein.
Es können auch mehr als zwei Verbundbauteile erfindungsgemäß mittels Klettverschlusselemente geeignet verbunden werden, um diese miteinander zu verkleben. 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 Ausführungsbeispiel eines ersten Verbundbauteils einer erfindungsgemäßen Verbundbauteilanordnung;
2 ein Ausführungsbeispiel eines zweiten (zur 1 korrespondierenden) Verbundbauteils einer erfindungsgemäßen Verbundbauteilanordnung und
3 eine Verbundbauteilanordnung aus den beiden Verbundbauteilen nach den 1 und 2.
In den 1 bis 3 sind ein Ausführungsbeispiel einer Verbundbauteilanordnung 1 aus zwei miteinander zu verklebenden Verbundbauteilen 10, 20 dargestellt und zwar aus einem ersten Verbundbauteil 10 (siehe 1) und einem Verbundbauteil 20 (siehe 2). Das eine Verbundbauteil 10 ist beispielhaft als ein CFK-Faserverbundkörper mit einem Verbindungsabschnitt 17 dargestellt, der an seiner nach oben gerichteten Seite eine Verbindungsfläche 11 zur Verbindung mit einer Verbindungsfläche 21 des anderen Verbundbauteils 20 ausbildet. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen weisen die Verbundbauteile 10, 20 nur beispielhaft eine jeweils ähnliche Form auf. Die beiden Verbundbauteile können selbstverständlich aber eine voneinander unterschiedliche Form haben. Das in 1 gezeigte Verbundbauteil 10 weist benachbart zum Bereich der für die Verklebung vorgesehenen Verbindungsfläche 11 Klettverschlusselemente 13a auf, zum mechanischen Verhaken mit korrespondierend angebrachten Klettverschlusselementen 13b des in 2 dargestellten Verbundbauteils 20. Die Klettverschlusselemente 13a sind als schlaufenartige Klettverschlusselemente ausgebildet, während die Klettverschlusselemente 13b als hakenartige bzw. widerhakenartige Klettverschlusselemente geformt sind.
Die lageweise aufgebauten CFK-Verbundbauteile weisen im bzw. benachbart zum Bereich der Verbindungsflächen 11, 21 eingebettete Klettverschlusselemente 13a, 13b in der Form eines Klettverschlusstextil auf, wobei die Klettverschlusselemente 13a, 13b jeweils aus der Oberfläche hervorstehen.
Die gezeigten Verbundbauteile wurden gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt, mit den folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines Grundlaminates aus Fasermaterial mit einem lageweisen Aufbau;
– Aufbringen des Klettverschlusstextils 13 mit Klettverschlusselementen 13a, 13b an den in den Figuren gezeigten Positionen auf dem Grundlaminat in einer oberen Lage, und
– Infiltrieren sowie anschließendes Aushärten eines Harzes zur Herstellung des laminierten Verbundbauteils 10, 20 derart, dass die Klettverschlusselemente 13a, 13b, wie dargestellt zu mindestens teilweise aus der Oberfläche des Verbundbauteils 10, 20 hervorstehen.

Auf diese Weise wird ein Basisteil des Klettverschlusstextils 13 zumindest teilweise in die Harzlage eingebettet und die Klettverschlusselemente 13a, 13b ragen jeweils nur mit einer effektiven Länge L aus der Oberfläche hervor, die circa 50% der Dicke einer aufzubringenden Klebstoffschicht entspricht. Ist zum Beispiel beabsichtigt eine Klebstoffschicht von ca. 1,0 mm (im Applikationszustand) aufzubringen, so ragen die Klettverschlusselemente 13a, 13b mit einer maximalen effektiven Länge L von ca. 0,5 mm hervor. Je nach Geometrie der wirksamen Eingriffsabschnitte der Klettverschlusselemente 13a, 13b erhöht sich die effektiven Länge L um den wirksamen Überlapp beim Verhaken.
Es ist ferner in 1 und 2 gezeigt, dass die für den Klebstoff 30 vorgesehenen Verbindungsfläche 11 gegenüber dem Bereich mit den Klettverschlusselementen 13a in seiner relativen Höhenlage mit einer Stufe 12 ausgebildet sind. Die Stufe kann alternativ entfallen oder nur an einer der beiden Verbundbauteile 10, 20 angeordnet sein.
In der 3 ist die Verbundbauteilanordnung 1 aus den beiden Verbundbauteilen 10, 20 nach den 1 und 2 schematisch im verbundenen Zustand gezeigt. Das beschriebene Verfahren kann dahingehend erweitert werden, dass neben den Klettverschlusselementen zur zusätzlichen Stabilisierung ferner zusätzliche mechanische Verbindungselemente zum Fügen der Verbundbauteile verwendet werden.
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
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005039500 A1 [0002]

Claims

Verbundbauteilanordnung (1) umfassend zwei miteinander zu verklebende 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) im oder benachbart zum Bereich der Verbindungsfläche (11) Klettverschlusselemente (13a) aufweist, zum mechanischen Verhaken mit korrespondierend angebrachten Klettverschlusselementen (13b) des anderen Verbundbauteils (20).
Verbundbauteilanordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klettverschlusselemente (13a) als schlaufenartige Klettverschlusselemente ausgebildet sind und die Klettverschlusselemente (13b) als widerhakenartige Klettverschlusselemente (13b) ausgebildet zum Verhaken mit den Klettverschlusselemente (13a) ausgebildet sind.
Verbundbauteilanordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich der Verbindungsflächen (11, 21) vorgesehenen Klettverschlusselemente (13a, 13b) von jeweils einer in das jeweilige Verbundbauteil (10, 20) in einer oberen Lage eingebetteten Klettverschlusstextil (13) herausstehen.
Verbundbauteilanordnung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Klettverschlusstextil (13) zumindest teilweise in eine Harzlage eingebettet ist.
Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klettverschlusselemente (13a, 13b) jeweils nur mit eine effektiven Länge (L) aus der Oberfläche der jeweiligen Verbindungsfläche (11, 21) hervorstehen, die circa 50% der Dicke einer aufzubringenden Klebstoffschicht entspricht.
Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für Klebstoff vorgesehenen Verbindungsflächen (11, 21) gegenüber dem oder den Bereichen mit den Klettverschlusselementen (13a, 13b) des jeweils betroffenen Verbundbauteils (10, 20) in ihrer relativen Lage in der Höhe erhöht bzw. abgestuft ausgebildet sind.
Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verbindung jeweils korrespondierenden Verbindungsflächen (11, 21) als im wesentliche in der Oberflächenform korrespondierende Verbindungsflächen ausgebildet sind.
Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundbauteile als faserverstärkte Verbundbauteile vorzugsweise CFK-Verbundbauteile hergestellt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Verbundbauteilanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jedes Verbundbauteil (10, 20) mit den wenigstens folgenden Schritten erzeugt wird: a. Bereitstellen eines Grundlaminates aus Fasermaterial oder einer Fasermaterialkombination; b. Aufbringen von Klettverschlusselementen (13a, 13b) oder eines Klettverschlusstextils (13) mit Klettverschlusselementen (13a, 13b) an den für die Verbindung bestimmten Positionen auf dem Grundlaminat, und c. Infiltrieren und Aushärten eines Harzes zur Herstellung eines laminierten Verbundbauteils (10, 20) derart, dass die Klettverschlusselemente (13a, 13b) zu mindestens teilweise aus der Oberfläche aus dem jeweiligen Verbundbauteil (10, 20) hervorstehen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem infiltrieren des Harzes an geeigneten Positionen mechanische und/oder chemische Barrieren vorgesehen werden, um sicherzustellen, dass beim Infiltrieren eingebrachtes Harz die Klettverschlusselemente (13a, 13b) nicht vollständig überdeckt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Klettverschlusselementen (13a, 13b) ferner zusätzliche mechanische Verbindungselemente zum Fügen der Verbundbauteile (10, 20) verwendet werden.