DE102014217485B4

DE102014217485B4 - Verfahren zur Auslegung einer Blindnietverbindung

Info

Publication number: DE102014217485B4
Application number: DE102014217485.6A
Authority: DE
Inventors: Julia Wagner; Maximilian Wilhelm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2021-01-21
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: DE102014217485A1

Abstract

Verfahren zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile (10, 20), für die Verbindung von Faserverbundbauteilen durch Bestimmung der Eignung einer Dornbruchblindniete (30) mit einer definierten Dornbruchkraft FDBfür einen bestimmten Zugkopfdurchmesser Dzmit den folgenden Schritten:a) Ermitteln der Dornbruchkraft FDBder Dornbruchblindniete (30) für den Zugkopfdurchmesser Dz;b) Ermitteln der Durchzugskraft FDZder zu verbindenden Verbundbauteile (10, 20) in Bezug auf den Zugkopfdurchmesser Dz;c) Durchführen eines relativen Größenvergleichs der Durchzugskraft FDZund der Dornbruchkraft FDB, undd) Bestimmen der Eignung der Dornbruchblindniete (30) für die Verwendung zur Herstellung einer Nietverbindung der Verbundbauteile (10, 20) in Abhängigkeit vom Ergebnis aus Schritt c).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Merkmalen von Patentanspruch 10. Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile, insbesondere für die Verbindung von Faserverbundbauteilen durch Bestimmung der Eignung einer Dornbruchblindniete mit einer definierten Dornbruchkraft F_DB für einen bestimmten Zugkopfdurchmesser D_z, insbesondere durch relativen Größenvergleich der Durchzugskraft F_DZ und der Dornbruchkraft F_DB.
Es ist bekannt, dass mit Hilfe von Blindnieten oder Einnietmuttern Bauteile unterschiedlicher Materialien unlösbar oder lösbar verbunden werden können. Der besondere Vorteil der Blindniete ist, dass diese an nur einseitig zugänglichen Positionen an einem Bauteil sozusagen „blind“ eingesetzt werden kann.
Die mit einer Blindniete hergestellte Verbindungsmethode wird Blindnietverfahren genannt und erfährt durch den Flugzeug- und Fahrzeugbau eine bis heute zunehmende Bedeutung. Die Vielzahl von Blindnietausführungen, wie Senk-, Flachkopf-, Einnietmuttern, Einnietbolzen und andere Formen, ermöglichen eine umfangreiche Anwendungsvielfalt. Voraussetzung für eine dauerhafte und sichere Verbindung ist, dass das Niet-Material, der Durchmesser und die Länge auf den Werkstoff sowie die zu verbindenden Teile aufeinander abgestimmt sind. Beim Blindnieten erfolgt der Fügevorgang von nur einer (im Regelfall der äußeren) Seite des zu fügenden Bauteils aus. Der Blindnietkopf wird durch die Bohrung eingeführt, durch Druck auf den Kopf werden die zu verbindenden Bauteile aufeinander oder aneinander gedrückt, anschließend wird der am Kopf herausragende Dorn mit einer Blindnietzange oder einem Niet-Setzwerkzeug herausgezogen. Das führt zu einer Stauchung und somit zu einer Aufweitung des Niets hinter der Bohrung. In der ersten Phase verkürzt die Stauchung den hohlen Nietkörper, wodurch sich der Durchmesser vergrößert. Zum Ende der ersten Phase des Nietvorgangs ist die Bohrung vollkommen durch den Niet ausgefüllt. Erst wenn sich der Blindniet nicht weiter im Lochdurchmesser ausdehnen kann, bildet sich hinter der Bohrung eine nennenswerte Aufweitung. Am Ende des Vorgangs reißt dann der Dorn an der Sollbruchstelle bei Übersteigen der Dornbruchkraft innerhalb des Nietkörpers ab.
Bekannt sind solche Nieten als Dornbruchblindnieten, die mit der entsprechenden Verarbeitungstechnik verarbeitet werden können. Aus der DE 20102898 U1 ist zum Beispiel eine Dornbruchblindniete mit einer mit einem Kopf versehenen Hülse und einem mit einem Kopf versehenen Dorn mit einer Sollbruchstelle bekannt. Dornbruchblindnieten werden typischerweise mittels Kenngrößen für ihre Eigenschaften definiert. So werden Dornbruchblindnieten unter anderem durch den Nenndurchmesser, die Scherkraft, die Kopfzugkraft, die Dornauspresskraft und die Dornbruchkraft charakterisiert. Die Scher- und Kopfzugkräfte sind jedoch abhängig vom zugeordneten Bohrungsdurchmesser, den Bauteildicken und den Bauteilfestigkeiten der zu verbindenden Bauteile. Die Dornauspresskraft ist ein Maß für den Festsitz der Hülsen auf dem Blindnietdorn im Anlieferungszustand.
Ein System aus Blindniet und Verarbeitungsgerät garantiert jedoch nicht ohne Weiteres eine gleichbleibend hohe Verbindungseigenschaft und höchste Prozesssicherheit, da es auch auf die Materialeigenschaften und die korrekte Auslegung ankommt. Vor allem in der Fahrzeugindustrie werden für anspruchsvolle Verbindungsaufgaben Verarbeitungsgeräte eingesetzt.
Nachteilig ist dabei, dass die Auslegung und Auswahl der Eignung einer Blindniete für eine bestimmte Materialkombination typischerweise zunächst mittels praktischer Versuchsmethoden ermittelt werden. Mit Hilfe von Schliffbildern und Makroschliffen wird eine Beurteilung der Nietverbindung vorgenommen, was einen weiteren Nachteil mit sich bringt, da es sich um zerstörende Prüfmaßnahmen handelt. Nach dem „trial and error“-Verfahren nähert sich der Anwender so dem gewünschten Verbindungsergebnis. Der aufgezeigte Testprozess ist zeit- und kostenintensiv und hängt ferner vom individuellen Fachwissen und der Erfahrung des Anwenders ab. Die in der Fahrzeugindustrie erforderliche hohe Prozesssicherheit kann mit solchen Methoden nicht gewährleistet werden.
Die DE 202007016577 U1 betrifft einen Kraft-Weg-Aufnehmer für Magazin-Druckluftgeräte für Nietgeräte. Solche aus dem Stand der Technik bekannten Kraft-Weg-Aufnehmer werden für die Prozessüberwachung bei Nietgeräten für das Setzen von Dornbruchnieten oder Blindnietmuttern in diversen Bauteilen verwendet. Sie bestehen typischerweise aus einer Druckmessdose für die Kraftmessung und einem Wegsensor für die Wegmessung. Die Messung der Kraft in Abhängigkeit zu dem Weg erlaubt eine Aussage über die Qualität der Umformung des Niets im Bauteil. Einflussgrößen, wie Toleranzen in den Bauteilbohrungen und Materialstärken sowie den Werkstofffestigkeiten der Niete, beeinflussen jedoch teilweise stark das Messergebnis. Ferner handelt es sich bei solchen Lösungen um rein konstruktive Sonderlösungen, die für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden müssen.
Weiterhin lassen sich solche Überwachungslösungen nicht ohne Weiteres bei Verbund- oder Faserverbundwerkstoffen und Weiterentwicklungen einsetzen, die zunehmend im Fahrzeugbau und anderen technischen Applikationen Anwendung finden. Bei der Auslegung der Blindnietverbindung, insbesondere bei neuen Verbundmaterialien, muss daher der oben beschriebene Test- und Versuchsaufwand regelmäßig wieder in Kauf genommen werden.
Die DE 11 2005 001 735 T5 beschreibt ein System zum Setzen eines Blindniets und zum Auswerten der Akzeptierbarkeit der Setzung des Niets.
Aus der DE 10 2012 022 622 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Setzversuchen mit Blindnieten bekannt.
G. Catalanotti, P.P. Camanho, P. Ghys, A.T. Marques „FASTENER PULL-THROUGH FAILURE IN GFRP LAMINATES“, 18TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS, ICC JEJU, KOREA, 22. August 2011, S. 1 bis 6, beschreibt eine experimentelle und eine numerische Untersuchung eines Durchzug-Versuchs durch glasfaserverstärkte Kunststofflaminate.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile, insbesondere Faserverbundbauteile bereitzustellen, welches universell und kostengünstig einsetzbar ist und aufwendige Tests vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es dabei, die beiden Kenngrößen „Dornbruchkraft“ einerseits und die „Versagenskraft“ der Verbundbauteile andererseits als relative Bezugsgrößen zueinander im Verfahren zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile einfließen zu lassen. Die Dornbruchkraft stellt eine wesentliche Kenngröße einer Blindniete dar. Ist die Dornbruchkraft zu niedrig für die Verbindungsaufgabe, so reißt der Dorn zu früh ab. Ist andererseits die Dornbruchkraft zu hoch, so kann es zu Materialbeschädigungen aufgrund zu hoher Kräfte kommen.
Ferner stellt die Versagenskraft bei Elementdurchzug in Dickenrichtung nach der Norm ASTM D 7332 eine wichtige Kenngröße der zu verbindenden Bauteile, wie Verbundbauteile und Verbundlaminate, dar. Dieses Testverfahren wurde entwickelt, um Befestigungsdurchziehwiderstandsdaten für Tragwerksplanung, Forschung und Entwicklung zu erhalten. Das Bestimmungsverfahren nach der Norm ASTM D 7332 wird demnach verwendet, um den Durchziehwiderstand für eine Vielzahl von Verbundlaminatdicken, Befestigungsdurchmesser und Befestigungstypen zu bewerten.
Erfindungsgemäß wird demnach ein Verfahren zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile, insbesondere für die Verbindung von Faserverbundbauteilen durch Bestimmung der Eignung einer Dornbruchblindniete mit einer definierten Dornbruchkraft F_DB für einen bestimmten Zugkopfdurchmesser D_z mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:

a) Ermitteln der Dornbruchkraft F_DB der Dornbruchblindniete für den Zugkopfdurchmesser D_z;
b) Ermitteln der Durchzugskraft F_DZ der zu verbindenden Verbundbauteile in Bezug auf den Zugkopfdurchmesser D_z;
c) Durchführen eines relativen Größenvergleichs der Durchzugskraft F_DZ und der Dornbruchkraft F_DB, und
d) Bestimmen der Eignung der Dornbruchblindniete für die Verwendung zur Herstellung einer Nietverbindung der Verbundbauteile in Abhängigkeit vom Ergebnis aus Schritt c).

Durch diese verfahrensgemäße Lösung können aufwendige Versuchsreihen und zerstörende Materialprüfungen auf einfache Weise vermieden werden und es kann zuverlässig vor Herstellung der Nietverbindung die Eignung der Dornbruchblindniete für die Herstellung einer Nietverbindung der betroffenen Verbundbauteile getroffen werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Eignung der Dornbruchblindniete in dem oben genannten Schritt d) durch eine duale Bestimmung nach „geeignet“ oder „ungeeignet“. Anders ausgedrückt, wird im Schritt d) eine Selektion nach „i.o. = in Ordnung“ beziehungsweise nach „n.i.O. = nicht in Ordnung“ vorgenommen.
Es ist weiter erfindungsgemäß vorgesehen, dass beim Schritt d) die Eignung dadurch festgestellt wird, dass die Durchzugskraft F_DZ größer ist als die Dornbruchkraft F_DB der Dornbruchblindniete. Liegt nämlich die Durchzugskraft F_DZ unterhalb der Dornbruchkraft F_DB der Dornbruchblindniete, kann ohne weitere Prüfung und Tests aus dem Ergebnis in Verfahrensschritt c) und d) geschlussfolgert werden, dass es bei einer Blindnietverbindung zu einer Verbindung mit fehlerhafter Schließkopfausprägung kommt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Ermittlung der Durchzugskraft F_DZ nach einer standardisierten Norm erfolgt. Weiter von Vorteil ist es, wenn hierzu ein Datenspeicher bereitgestellt wird, in dem bereits ermittelte Werte gespeichert werden und für andere Materialkombinationen, Lochdurchmesser bzw. Blindnietkopfdurchmesser und dergleichen der Schritt a) vereinfacht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ermittlung der Durchzugskraft F_DZ nach der Norm ASTM D 7332 erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Schritt d) die Eignung dadurch festgestellt, dass die Durchzugskraft F_DZ mindestens X % (z. B.10 %, 12 %, usw.) größer ist als die Dornbruchkraft F_DB. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Durchzugskraft F_DZ nicht nahezu der Dornbruchkraft F_DB entspricht, sondern sich ausreichend weit unterscheidet, um eine entsprechende Prozesssicherheit beim Nieten auch unter Einbeziehung der auftretenden Form- und Lagetoleranzen zu gewährleisten. Der Wert X kann demnach geeignet vorbestimmt werden. Weiter vorteilhaft ist es, wenn ein Parameter Y eingeführt wird, der die maximale Abweichung der Durchzugskraft F_DZ und der Dornbruchkraft F_DB aufgrund der auftretenden systembedingten Toleranzen berücksichtigt bzw. widerspiegelt. Können die Werte demnach in einem Intervall von z. B. 3 % schwanken, würde man mit Vorteil den Wert X so auswählen, dass er ausreichend oberhalb des Wertes von 3 % definiert wird, z. B. bei 4 %. Die Werte X und Y können, wenn auch nicht explizit hier als Einzelwerte offenbart, alle technisch sinnvolle Werte annehmen.
Es ist weiter für die Verbindung von unterschiedlichen Verbundmaterialien vorgesehen, dass die Schritte b) und c) jeweils für die unterschiedlichen Verbundmaterialien der zu fügenden Verbundbauteile für beide Verbundmaterialen erfolgen. Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in diesem Fall ferner beim Schritt d) die Eignung dadurch festgestellt wird, dass für beide Materialien die ermittelte Durchzugskraft F_DZ größer ist als die Dornbruchkraft F_DB.
Die Durchführung des Verfahrensschrittes a) erfolgt bevorzugt mittels einer Kopfzugprüfung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile, insbesondere für die Verbindung von Faserverbundbauteilen durch Bestimmung der Eignung einer Dornbruchblindniete mit einer definierten Dornbruchkraft F_DB für einen bestimmten Zugkopfdurchmesser D_z mit einem Ermittlungsmodul zum manuellen oder automatischen Ermitteln der Dornbruchkraft F_DB der Dornbruchblindniete für den Zugkopfdurchmesser D_z und mit einer Ermittlungs- und/oder Testvorrichtung zum manuellen oder automatischen Ermitteln der Durchzugskraft F_DZ der zu verbindenden Verbundbauteile in Bezug auf den Zugkopfdurchmesser D_z sowie einem Vergleichsoperator, welcher die ermittelten Daten der Durchzugskraft F_DZ und der Dornbruchkraft F_DB zur Durchführung eines relativen Größenvergleichs verwendet und das Ergebnis an ein Ausgabemodul ausgibt.
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 zeigt:

1 ein Ablaufdiagramm, welches die Prozessschritte eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt und
2 eine schematische Ansicht zweier Faserverbundbauteile mit einer Blindniete.

In der 1 wird ein Ablaufdiagramm gezeigt, welches die Prozessschritte a) bis d) eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist vorgesehen zur Auslegung einer Blindnietverbindung für zwei Faserverbundbauteile 10, 20 gemäß 2, bestehend aus dem gleichen Verbundmaterial.
Zunächst erfolgt die Bestimmung eines Zugkopfdurchmesser D_z, der für einen Lochdurchmesser für die Dornbruchblindniete 30 bestimmt wird.
Anschließend erfolgt im Schritt a) die Ermittlung der Dornbruchkraft F_DB der Dornbruchblindniete 30 für den ermittelten Zugkopfdurchmesser D_z. In einem nachfolgenden Schritt b) erfolgt die Ermittlung der Durchzugskraft F_DZ der zu verbindenden Verbundbauteile 10, 20 in Bezug auf den Zugkopfdurchmesser D_z. Die beiden ermittelten Kraftwerte werden dann im Schritt c) verglichen, und zwar mittels eines relativen Größenvergleichs der Durchzugskraft F_DZ und der Dornbruchkraft F_DB.
Das Ergebnis aus Schritt c) „Durchzugskraft F_DZ größer oder kleiner Dornbruchkraft F_DB“ dient der abschließenden Bestimmung der Eignung der Dornbruchblindniete 30 für die Verwendung zur Herstellung einer Nietverbindung der Verbundbauteile 10, 20. Die Eignung wird dadurch festgestellt, dass die Durchzugskraft F_DZ größer ist als die Dornbruchkraft F_DB.
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.

Claims

Verfahren zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile (10, 20), für die Verbindung von Faserverbundbauteilen durch Bestimmung der Eignung einer Dornbruchblindniete (30) mit einer definierten Dornbruchkraft F_DB für einen bestimmten Zugkopfdurchmesser D_z mit den folgenden Schritten: a) Ermitteln der Dornbruchkraft F_DB der Dornbruchblindniete (30) für den Zugkopfdurchmesser D_z; b) Ermitteln der Durchzugskraft F_DZ der zu verbindenden Verbundbauteile (10, 20) in Bezug auf den Zugkopfdurchmesser D_z; c) Durchführen eines relativen Größenvergleichs der Durchzugskraft F_DZ und der Dornbruchkraft F_DB, und d) Bestimmen der Eignung der Dornbruchblindniete (30) für die Verwendung zur Herstellung einer Nietverbindung der Verbundbauteile (10, 20) in Abhängigkeit vom Ergebnis aus Schritt c).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Eignung der Dornbruchblindniete (30) in Schritt d) eine duale Bestimmung nach „geeignet“ oder „ungeeignet“ darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt d) die Eignung dadurch festgestellt wird, dass die Durchzugskraft F_DZ größer ist als die Dornbruchkraft F_DB.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Durchzugskraft F_DZ nach einer standardisierten Norm erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Durchzugskraft F_DZ nach der Norm ASTM D 7332 erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt d) die Eignung dadurch festgestellt wird, dass die Durchzugskraft F_DZ mindestens 10 % größer ist als die Dornbruchkraft FDB.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) und c) bei unterschiedlichen Verbundmaterialien der zu fügenden Verbundbauteile (10, 20) für beide Verbundmaterialen erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt d) die Eignung dadurch festgestellt wird, dass für beide Materialien die ermittelte Durchzugskraft F_DZ größer ist als die Dornbruchkraft F_DB.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) mittels einer Kopfzugprüfung erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Auslegung einer Blindnietverbindung für Verbundbauteile (10, 20), für die Verbindung von Faserverbundbauteilen durch Bestimmung der Eignung einer Dornbruchblindniete (30) mit einer definierten Dornbruchkraft F_DB für einen bestimmten Zugkopfdurchmesser D_z, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, mit: einem Ermittlungsmodul (2) zum manuellen oder automatischen Ermitteln der Dornbruchkraft F_DB der Dornbruchblindniete (30) für den Zugkopfdurchmesser D_z, einer Ermittlungs- und/oder Testvorrichtung zum manuellen oder automatischen Ermitteln der Durchzugskraft F_DZ der zu verbindenden Verbundbauteile (10, 20) in Bezug auf den Zugkopfdurchmesser D_z ; einem Vergleichsoperator (4), welcher die ermittelten Daten Durchzugskraft F_DZ und Dornbruchkraft F_DB, zur Durchführung eines relativen Größenvergleichs verwendet und das Ergebnis an ein Ausgabemodul ausgibt.