DE102014215366A1

DE102014215366A1 - Instandsetzungsverfahren für CFK-Hohlprofile

Info

Publication number: DE102014215366A1
Application number: DE102014215366.2A
Authority: DE
Inventors: Nathanael Sutter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kunststoffreparaturprofil zur Verwendung bei der Instandsetzung von Hohlprofilkonstruktionen, vorzugsweise mit einem Injektionsklebeverfahren, wobei an einem endseitigen Montageabschnitt des Reparaturprofils wenigstens zwei nebeneinander angeordnete, expandierbare Dichtungen vorgesehen sind, die um den Außenmantel des Kunststoffprofils herum angebracht sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kunststoffprofil mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Verbindung solcher Profile mit einer Hohlprofilanordnung gemäß den Merkmalen von Anspruch 9. Die vorliegende Erfindung betrifft daher insbesondere ein entsprechend ausgebildetes Kunststoffreparaturprofil zur Verwendung bei der Instandsetzung, vorzugsweise mit einem Injektionsklebeverfahren einer Hohlprofilanordnung, wobei an einem endseitigen Montageabschnitt des Reparaturprofils wenigstens zwei nebeneinander angeordnete, expandierbare Dichtungen vorgesehen sind, die um den Außenmantel des Kunststoffprofils herum angebracht sind.
Als Hohlprofil im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle komplexe Profilgeometrieen von den einfachen Grundformen „rund”, „quadratisch”, „rechteckig”, sowie davon abweichende (umfangsgeschlossene) Formen wie zum Beispiel oval zu verstehen und solche Profile, die endseitig über einen solchen umfangsgeschlossenen Abschnitt verfügen. Bekanntermaßen lassen sich solche Profile, insbesondere mit einem abgesetzten Ende herstellen, um diese dann endseitig ineinander zu stecken.
Solche Konstruktionsprofile werden zunehmend aus Faserverbundwerkstoff im Fahrzeug- und Flugzeugbau eingesetzt. Allgemein besteht im Fahrzeugbau ein Bestreben danach, leichte jedoch hochfeste Profile einzusetzen, die den zu erwartenden Belastungen standhalten. Ein wesentliches Problem besteht darin solche Profile mit ausreichender Festigkeit miteinander zu verbinden, wenn diese zum Beispiel im Rahmen einer Instandsetzung zusammengesteckt werden. Es kommt immer wieder vor, dass Profile an unterschiedlichen Stellen, insbesondere an tragenden Stellen einer Konstruktion, beschädigt werden und ausgebessert, somit miteinander verbunden werden müssen. Aus der EP 0 561 800 B1 ist zum Beispiel ein Verfahren bekannt, bei dem ein beschädigter Längsträger an seiner Verbindungsstelle zu einem Knotenelement von diesem getrennt und durch einen neuen Träger ersetzt wird. Der neue Träger wird durch Schrauben, die sowohl den Flansch des Knotenelements als auch den neuen Träger durchsetzen, über eine eingesetzte Mutterplatte am Knotenblech befestigt. Solche bekannten Verbindungslösungen bieten allerdings vor allem bei Aluminiumlegierungen und Metallprofilen Vorteile, da hiermit eine Verbindung über Schmelzschweißen mit einem Festigkeitsabfall in der Schweißzone vermieden werden kann. Im Fahrzeugbau werden zunehmend Konstruktionen mittels komplexer Verbundprofile hergestellt oder ausgebildet, die es sicher und dauerhaft miteinander zu verbinden gilt.
Da zunehmend Verbundwerkstoffe wie z. B. kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) für besagte Profile im Fahrzeugbau eingesetzt werden, lassen sich die im Stand der Technik bekannten Verbindungsmethoden für andere Materialien nicht ohne weiteres auf Verbundwerkstoffe übertragen.
Ein weiteres im Stand der Technik bekanntes Verbindungsverfahren betrifft das Injektionskleben von CFK-Hohlprofilbauteilen. Hierbei werden Dichtungen oder Dichtelemente verwendet, um unerwünschtem Klebstoffaustritt beim Injektionskleben zu verhindern. Bei diesem Instandsetzungsverfahren wird das beschädigte Hohlprofil im zu reparierenden Bereich aufgetrennt und anschließend ein Reparaturprofil in das Hohlprofil eingeschoben. Das Reparaturprofil weist einen endseitigen Montageabschnitt mit Dichtungen auf, vorzugsweise zwei Dichtungen, die den Raum zum Einspritzen von Klebstoff begrenzen und die zu verklebenden Verbindungsflächen seitlich in axialer Einsteckrichtung und zum Profilinneren hin abdichten. Der zwischen den Dichtungen liegende Raum wird dann mit Klebstoff über eine Injektionsöffnung gefüllt, typischerweise mit einer Klebstoffdicke, die in etwa dem Dickenmaß der komprimierten Dichtung entspricht. Typischerweise können so Verklebungen in einem Bereich von 1,5 mm Klebstoffdicken erzielt werden.
Es bestehen jedoch eine Reihe praktischer Probleme und Nachteile bei dem im Stand der Technik bekannten Injektionsklebeverfahren. Unter anderem sind die folgenden Nachteile zu nennen:

– die Klebstoffdicke hängt ab von der Dichtungsauswahl;
– hohe Injektionsdrücke beim Injizieren des Klebstoffs führen immer wieder zu dem Versagen der Dichtungen;
– das mechanische Zusammenspiel und die Wirkungsweise der Dichtungen beim Zusammenfügen der Bauteilen, wird von der Toleranzkette zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser der beteiligten Profile und der Toleranz der Dichtung mitbestimmt;
– beim Zusammenstecken der Profile kann es vorkommen, dass die Dichtungen zu sehr an der Gegendichtfläche anliegen, dass ein einfaches Zusammenstecken ohne Beschädigung oder Verschiebung der Dichtungen nicht oder schwer möglich ist;
– ferner können sich die Dichtungen beim Zusammenschieben auch verschieben, so dass der eigentlich für den Klebstoff vorgesehene Injektionsraum nicht mehr der bestimmungsgemäß vorgesehene Raum ist und
– im Falle, dass das Einstecken und Zusammenschieben einfacher gestaltet wird (z. B. durch eine geringere Anpresskraft der Dichtungen an die Innenfläche des Profils entsprechend einer kleineren Auslegung von Profil und Dichtungsmaße) die Dichtungen nicht ausreichend Dichtwirkung entfaltet und beim Injizieren verschoben werden.

Ferner ist zu berücksichtigen, dass auch Montagen vor Ort an schwer zugänglichen Stellen durchgeführt werden müssen und die oben genannten Umstände die Montage und Instandsetzung erheblich erschweren. Eine mangelhafte Verklebung führt zu einem Folgeschaden, der wiederum kosten- und arbeitsintensiv beseitigt werden muss.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein einfaches, zuverlässiges und universelles Verfahren zur Verbindung von Hohlprofilen bereitzustellen. Die Erfindung soll insbesondere Anwendung bei duroplastischen Profilmaterialien finden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Kunststoffprofil mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren zur Verbindung solcher Profile gemäß den Merkmalen von Anspruch 9.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es dabei, zwei zueinander beabstandete Dichtungen am Außenmantel auf dem betroffenen Montageabschnitt des Reparaturprofils vorzusehen, die von einer Montageposition mit einem Ausgangsvolumen in eine dichtende Position (Dichtposition) mit einem vergrößerten Volumen überführt werden können. Auf diese Weise besteht beim Zusammenstecken zunächst ein ausreichender Handlingsabstand zwischen der Dichtungsfläche und der Innenwand des Hohlprofils in welches das Reparaturprofil eingesteckt wird, während nach dem Überführen, vorzugsweise Expandieren der Dichtungen in ihre Dichtposition, die Dichtungen mit einer Dichtfläche in Anlage mit deiner Gegendichtfläche an der Innenwand des zu reparierenden Hohlprofils gebracht werden. Im einfachsten Fall stellt die Innenwand des zu reparierenden Hohlprofils der betroffenen Profilanordnung die Gegendichtfläche dar.
Erfindungsgemäß wird demnach ein Kunststoffprofil zur Verwendung bei der Instandsetzung einer Hohlprofilanordnung vorgeschlagen, wobei an einem endseitigen Montageabschnitt des Kunststoffprofils vorzugsweise zwei nebeneinander angeordnete, expandierbare Dichtungen vorgesehen sind, die um den Außenmantel des Kunststoffprofils herum angebracht sind.
Mit Vorteil werden die Dichtungen dabei in einem vordefinierten Abstand radial umlaufend am Außenmantel vollständig anliegend angebracht. Zwischen den Dichtungen befindet sich der später für die Klebstoffinjektion vorgesehene Klebeabschnitt und die Verbindungsfläche, die zur Verklebung mit der Innenwand des zu reparierenden Hohlprofils vorgesehen ist.
Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für Kunststoffprofile, die aus einem duroplastischen Werkstoff hergestellt sind oder eine überwiegend duroplastische Basis aufweisen.
Das erfindungsgemäße Kunststoffprofil (Reparaturprofil) ist bevorzugt als ein Hohlprofil mit einem endseitigen (abgesetzten) Montageabschnitt zur Einsteckmontage in ein korrespondierendes Profil mit im Wesentlichen gleicher (etwas vergrößerter) Querschnittsform ausgebildet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die expandierbaren Dichtungen als wäremexpandierbare Dichtungen ausgebildet, die mittels Eintrag von einer bestimmten Wärmeenergie von einem für eine Einsteckmontage vorgesehenem Ausgangsvolumen V_a in ein zur Abdichtung mit der Hohlprofilanordnung vergrößertes und abdichtendes Volumen V_d expandiert werden können. Weiter bevorzugt ist es, wenn sich abhängig vom Wärmeeintrag (entweder Wärmemenge, Temperatur und/oder Eintragsdauer) die Volumenzunahme definiert einstellen lässt.
Weiter bevorzugt ist es, wenn ein expandierbares Dichtungsmaterial verwendet wird, das auch Klebeeigenschaften aufweist und nach der Expansion mit der Innenfläche des korrespondierenden Hohlprofils eine Klebeverbindung eingeht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen so ausgebildet, dass die Expansion zum Volumen V_d vorzusgweise eine Ausdehnungskomponente in radialer Richtung aufweist, mindestens aber eine Ausdehnungskomponente in radialer Richtung, um in einen mit der Innenfläche des korrespondierenden Hohlprofils abdichtenden Zustand überführt zu werden. So können zum Beispiel im Ausgangszustand in Radialrichtung flache Dichtungen verwendet werden, so dass die für das Zusammenstecken notwendigen Spaltmaße zwischen dem Außenmantel des Reparaturprofils (Kunststoffprofils) und den Innenmaßen des zu reparierenden Hohlprofils klein gehalten werden können. Dies bringt auch den Vorteil, dass mit ggf. dünneren Klebstoffdicken, sofern dies gewünscht oder erforderlich ist, gearbeitet werden kann.
Erfindungsgemäß ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform weiter vorgesehen Mittel zur Zuführung von Energie an oder in die expandierbaren Dichtungen vorzusehen. So können zum Beispiel die Mittel zur Zuführung von elektrischer Energie ausgestaltet sein. Hierzu eignet sich das Anbringen oder Einbetten eines elektrisch bestrombarer Drahtes, der einen für die gewünschte Expansion erforderlichen ohmschen Widerstand aufweist, um mittels Stromdurchfluss elektrisch erwärmt und expandiert zu werden.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen zueinander beabstandet am Außenumfang des Kunststoffprofils angeordnet, um bestimmungsgemäß (nach der Expansion) zwischen den Dichtungen und den korrespondierenden Verklebeflächen einen für eine spätere Klebstoffinjektion vorgesehenen Aufnahmeraum für Klebstoff bereitzustellen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines wie zuvor erläuterten Kunststoffprofils mit bzw. an einer Hohlprofilanordnung mit wenigstens den folgenden Schritten:

– Einstecken des Kunststoffprofils mit seinem Montageabschnitt in ein dafür vorgesehenes Ende der Hohlprofilanordnung, derart dass die beiden expandierbaren Dichtungen vollständig innerhalb der Hohlprofilanordnung angeordnet sind und
– Expandieren der Dichtungen mittels gezieltem Energieeintrag von ihrem Montagevolumen V_a in ein abdichtendes Volumen V_a, derart, dass die expandierten Dichtungen radial dichtend an der Innenwand der Hohlprofilanordnung anliegen.

Mit Vorteil wir ein klebender Dichtstoff verwendet, so dass hierdurch bereits eine Klebeverbindung zwischen den Bauteilen geschaffen wird.
In einem weiteren Schritt kann in den Aufnahmeraum zwischen den beiden Dichtungen und den Wandflächen der korrespondierenden Profile mittels Injektionstechnik eine Klebstoff eingebracht werden, vorzugsweise unter einem definierten Prozessdruck zwischen 2–10 bar, weiter bevorzugt zwischen 4–8 bar.
Sobald der Klebstoff ausgehärtet ist, besteht zwischen den Profilen eine stabile Klebeverbindung.
Mit Vorteil wird die Injektion über eine Injektionsöffnung durchgeführt, wobei der Klebstoff in den Bereich zwischen die Dichtungen injiziert wird, dergestalt, dass die Dichtungen einen seitlichen Klebstoffaustrag aus dem Bereich zwischen den Dichtungen verhindern.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht zweier miteinander zu verbindender Hohlprofile, wobei das vordere Hohlprofil eine beispielhafte Ausgestaltung eines Profils gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und
2 eine schematische Schnittansicht durch die in 1 zusammengesteckten Hohlprofile, wobei die beiden dargestellten Dichtungen in ihrem expandierten Zustand sind.
Die 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Ansicht eines Kunststoffprofils 1 zur Verwendung bei der Instandsetzung des Hohlprofils 3 einer Hohlprofilanordnung 2. Das Hohlprofil 3 weist einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken bzw. Kanten auf. Das Kunststoffprofil 1 dient als Reparaturprofil und ist dazu bestimmt mit seinem endseitigen Montageabschnitt 10 in das Hohlprofil 3 eingeschoben zu werden. Am Montageabschnitt 10 des Kunststoffprofils 1 sind zwei nebeneinander angeordnete, expandierbare Dichtungen 20a, 20b vorgesehen, die um den Außenmantel 11 des Kunststoffprofils 1 herum angebracht sind.
Die expandierbaren Dichtungen 20a, 20b sind als wäremexpandierbare Dichtungen ausgebildet und sind vollständig umlaufend um den Außenmantel 11 des Kunststoffprofils 1 (an diesem anliegend) befestigt. Die Dichtungen 20a, 20b weisen ferner einen Widerstandsdraht 21 auf, der im Inneren der Dichtungen verläuft und durch beide Dichtungen hindurch geführt wird. Der Widerstandsdraht 21 ist mit einer Stromquelle 30 verbunden, um den Widerstandsdraht 21 zu bestromen und demzufolge auf die Aktivierungstemperatur für das wäremexpandierende Dichtungsmaterial zu erhitzen. Der Strom, der ohmsche Widerstand und die Aktivierzunsgtemperatur des Dichtungsmaterials sind auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustellen. Alternativ kann auch ein Material verwendet werden, welches sich z. B. durch eine chemische Reaktion aktivieren lässt, die durch einen Aktivator aktivierbar ist. In einer alternativen Ausführungsform kann demnach ein geeignetes Mittel 21 zur Zuführung von Energie an oder in die expandierbare Dichtungen 20a, 20b vorgesehen werden.
Als Folge der Temperaturerhöhung und/oder der Aktivierung der Dichtungen durch das Bestromen des Widerstandsdrahtes werden die Dichtungen 20a, 20b von ihrem in 1 gezeigten Ausgangsvolumen V_a in das zur Abdichtung mit dem Hohlprofil 3 vergrößerten Volumen V_d expandiert, wie dies beispielhaft in der 2 gezeigt wird.
Wie in 2 ebenfalls ersichtlich befindet sich zwischen den Dichtungen 20a, 20b und den Wandungen der beiden Profile 1, 3 ein Aufnahmeraum 23 für eine Klebstoffinjektion. Der Aufnahmeraum wird von den jeweiligen Verbindungsflächen 22 begrenzt. Über eine Injektionsöffnung 24 wird ein Klebstoff 25 in den Bereich zwischen die Dichtungen 20a, 20b zur Ausbildung einer Klebeverbindung mit den jeweiligen Verbindungsflächen 22 injiziert. Die Dichtungen 20a, 20b verhindern einen seitlichen Klebstoffaustrag aus dem Aufnahmeraum 23. In der 2 ist der untere Bereich lediglich zur vereinfachten Darstellung des Aufnahmeraums 23 noch nicht mit Klebstoff 25 gefüllt dargestellt. Es wird jedoch so viel Klebstoff 25 injiziert, bis der Aufnahmeraum 23 vollständig mit Klebstoff 25 befüllt ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. So können zum Beispiel auch Verbindungsprofile oder Verbindungsadapter zum Verbinden zweier Profile bereitgestellt werden, die an beiden Enden über wie oben beschriebenen Montageabschnitte mit jeweils zwei Dichtungen verfügen. Es ist ferner eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0561800 B1 [0003]

Claims

Kunststoffprofil (1) zur Verwendung bei der Instandsetzung einer Hohlprofilanordnung (2), wobei an einem endseitigen Montageabschnitt (10) des Kunststoffprofils (1) wenigstens zwei nebeneinander angeordnete, expandierbare Dichtungen (20a, 20b) vorgesehen sind, die um den Außenmantel (11) des Kunststoffprofils (1) herum angebracht sind.
Kunststoffprofil (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffprofil aus einem duroplastischen Werkstoff hergestellt ist oder eine überwiegend duroplastische Basis aufweist.
Kunststoffprofil (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffprofil (1) als ein Hohlprofil ausgebildet ist und der endseitige Montageabschnitt (10) zur Einsteckmontage in ein korrespondierendes Profil (3) einer Hohlprofilanordnung (2) ausgebildet ist.
Kunststoffprofil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die expandierbaren Dichtungen (20a, 20b) als wäremexpandierbare Dichtungen ausgebildet sind, die mittels Eintrag von einer bestimmten Wärmeenergie von einem für eine Einsteckmontage vorgesehenem Ausgangsvolumen V_a in ein zur Abdichtung mit der Hohlprofilanordnung (2) vergrößertes und abdichtendes Volumen V_d expandiert werden können.
Kunststoffprofil (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion zum Volumen V_d mindestens eine Ausdehnungskomponente in radialer Richtung aufweist.
Kunststoffprofil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Mittel (21) zur Zuführung von Energie an oder in die expandierbare Dichtungen (20a, 20b) vorgesehen ist.
Kunststoffprofil (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (21) zur Zuführung von Energie ein elektrisch bestrombarer Draht darstellt, welcher einen für die gewünschte Expansion erforderlichen ohmschen Widerstand aufweist, um mittels Stromdurchfluss elektrisch erwärmt und expandiert zu werden.
Kunststoffprofil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (20a, 20b) zueinander beabstandet am Außenumfang des Kunststoffprofils (1) angeordnet sind, um so zwischen den Dichtungen (20a, 20b) ein für eine spätere Klebstoffinjektion vorgesehene Verbindungsfläche (22) bereitzustellen.
Verfahren zur Verbindung eines Kunststoffprofils (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1–8 an einer Hohlprofilanordnung (2) mit wenigstens den folgenden Schritten: a. Einstecken des Kunststoffprofils (1) mit seinem Montageabschnitt (10) in ein dafür vorgesehenes Ende der Hohlprofilanordnung (2), derart dass die beiden Dichtungen vollständig innerhalb der Hohlprofilanordnung angeordnet sind und b. Expandieren der Dichtungen (20a, 20b) mittels gezieltem Energieeintrag von ihrem Montagevolumen V_a in ein abdichtendes Volumen V_a, derart, dass die expandierten Dichtungen (20a, 20b) radial dichtend an der Innenwand der Hohlprofilanordnung (2) anliegen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt b) über eine Injektionsöffnung ein Klebstoff in den Bereich zwischen die Dichtungen (20a, 20b) zur Ausbildung einer Klebeverbindung mit der Innenwand der Hohlprofilanordnung (2) injiziert wird, dergestalt, dass die Dichtungen (20a, 20b) einen Klebstoffaustrag aus dem Bereich zwischen den Dichtungen (20a, 20b)