DE102015112679A1

DE102015112679A1 - Verfahren zum fügen von werkstücken

Info

Publication number: DE102015112679A1
Application number: DE102015112679.6A
Authority: DE
Inventors: Yongqiang Li; Blair E. Carlson; Jorge F. Arinez; Saul S. Lee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2016-02-11
Also published as: US20160038993A1; CN105370678B; US9381563B2; CN105370678A

Abstract

Ein Verfahren kann verwendet werden, um Werkstücke mithilfe eines Verbindungselements zu fügen. Das Verbindungselement umfasst einen ersten Kopf und einen Schaft, der sich von dem ersten Kopf weg entlang einer Verbindungselementachse erstreckt. Das Fügeverfahren umfasst die folgenden Schritte: (a) Rotieren eines Verbindungselements um eine Verbindungselementachse; (b) Bewegen des Verbindungselements in Richtung des ersten Werkstückes und des zweiten Werkstückes, während das Verbindungselement um die Verbindungselementachse rotiert, sodass das Verbindungselement die Temperatur in dem ersten und dem zweiten Werkstück erhöht, um das erste und das zweite Werkstück entlang der Verbindungselementachse zu erweichen und zu durchstoßen; und (c) Vorrücken des Verbindungselements nach dem Durchstoßen des ersten und des zweiten Werkstückes durch das erste und das zweite Werkstück hindurch und in Richtung eines offenen Hohlraumes eines Presswerkzeuges, während das Verbindungselement um die Verbindungselementachse rotiert, sodass der Schaft teilweise im Inneren des offenen Hohlraumes angeordnet ist, um einen zweiten Kopf zu bilden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei Werkstücken.
HINTERGRUND
Während eines Fertigungsprozesses ist es gelegentlich notwendig, Werkstücke aneinanderzufügen. Beispielsweise müssen bei der Fahrzeugfertigung viele Werkstücke aneinandergefügt werden, um die Fahrzeugkarosserie wie auch andere Teile des Fahrzeuges zu montieren. Werkstücke können mithilfe verschiedener Verfahren aneinandergefügt werden. Es können z. B. Kleber zwischen Werkstücken angeordnet werden, um sie zu fügen. Alternativ kann Schweißen verwendet werden, um Werkstücke aneinanderzufügen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verbindungselement kann verwendet werden, um Werkstücke aneinanderzukoppeln. Um die strukturelle Integrität des Verbindungselements beizubehalten, ist es zweckmäßig, die Korrosion in dem Verbindungselement zu minimieren. Hierzu kann ein polymeres Verbindungselement verwendet werden, um Werkstücke aneinanderzufügen. Beispielsweise können zumindest zwei Werkstücke wie z. B. kohlefaserverstärkte thermoplastische Polymer(CFRTP, vom engl. carbon-fiber reinforced thermoplastic polymer)-Platten mit einem polymeren Verbindungselement unter Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens gefügt werden.
Das vorliegend offenbarte Fügeverfahren bringt mit sich, dass ein Verbindungselement um eine Verbindungselementachse rotiert wird. Das Verbindungselement kann ganz oder teilweise aus einem polymeren Material hergestellt sein und umfasst einen ersten Kopf und einen Schaft, der sich von dem ersten Kopf weg entlang der Verbindungselementachse erstreckt. Unabhängig von den spezifischen verwendeten Materialien ist die Erweichungstemperatur des Materials, welches das Verbindungselement bildet, höher als die Erweichungstemperaturen der Materialien, welche das erste und das zweite Werkstück bilden. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Erweichungstemperatur” die Temperatur, bei der ein Material weich wird. Das Fügeverfahren umfasst ferner, dass das Verbindungselement in Richtung des ersten und des zweiten Werkstückes bewegt wird, während das Verbindungselement um die Verbindungselementachse rotiert. Wenn das Verbindungselement rotiert und durch das erste und das zweite Werkstück hindurch vorrückt, erzeugt es eine Reibung in den Werkstücken, die bewirkt, dass eine Temperatur in dem ersten und dem zweiten Werkstück steigt. Dieser Temperaturanstieg ist hinreichend hoch, um die Werkstückes zu erweichen, um dadurch zuzulassen, dass das Verbindungselement die Werkstücke durchstößt, während es sich linear bewegt. Das Verbindungselement wird nach dem Durchstoßen des ersten und des zweiten Werkstückes kontinuierlich durch das erste und das zweite Werkstück hindurch und in Richtung eines offenen Hohlraumes eines Presswerkzeuges vorgerückt, während das Verbindungselement weiterhin um die Verbindungselementachse rotiert. Aufgrund seines linearen Vorrückens in Richtung des Presswerkzeuges ist der Schaft des Verbindungselements schließlich teilweise in dem offenen Hohlraum des Presswerkzeuges angeordnet. Die Rotation und die lineare Bewegung des Verbindungselements bewirken, dass der Schaft reibungstechnisch in das Presswerkzeug eingreift. Infolgedessen steigt die Temperatur in dem Schaft und erweicht dadurch den Schaft. Daher nimmt ein Abschnitt des Schaftes die Form des offenen Hohlraumes des Presswerkzeuges an und bildet einen zweiten Kopf. Der zweite Kopf (zusammen mit dem ersten Kopf) des Verbindungselements kann das erste und das zweite Werkstück einklemmen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können das erste und das zweite Werkstück mithilfe eines weiteren Verbindungselements gefügt werden. Dieses Verbindungselement ist aus einem Polymer hergestellt und umfasst einen Kopf und einen Schaft, der sich von dem Kopf weg entlang einer Verbindungselementachse erstreckt. Der Schaft definiert ein erstes Schaftende und ein zweites Schaftende, das dem ersten Schaftende entgegengesetzt ist. Der Kopf ist an dem ersten Schaftende mit dem Schaft gekoppelt. Ferner umfasst das Verbindungselement einen Anker, der an dem zweiten Schaftende mit dem Schaft gekoppelt ist. Der Anker weist eine im Wesentlichen verjüngte Form auf. Das Fügeverfahren umfasst die folgenden Schritte: (a) Rotieren eines Verbindungselements um eine erste Verbindungselementachse; (b) Vorrücken des Verbindungselements durch das erste Werkstück hindurch und in das zweite Werkstück hinein, während das Verbindungselement um die Verbindungselementachse rotiert, sodass das Verbindungselement die Temperatur in dem ersten und dem zweiten Werkstück erhöht, um das erste und das zweite Werkstück zu erweichen und zu durchstoßen; und (c) weiteres Rotieren und Vorrücken des Verbindungselements in Richtung des zweiten Werkstückes entlang der Verbindungselementachse, bis der Anker zumindest teilweise im Inneren des zweiten Werkstückes angeordnet ist, aber bevor der Anker vollständig durch das zweite Werkstück hindurch gelangt.
Die oben stehenden Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Lehren auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische, auseinandergezogene, seitliche Querschnittsansicht einer Fügeanordnung, die ein Verbindungselement, zwei Werkstücke und ein Presswerkzeug umfasst, wobei das Verbindungselement außerhalb der Werkstücke gezeigt ist;
2 ist eine schematische, seitliche Querschnittsansicht der Fügeanordnung von 1, wobei das Verbindungselement die zwei Werkstücke koppelt;
3 ist eine schematische, seitliche Querschnittsansicht eines Presswerkzeuges der Fügeanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine schematische, seitliche Querschnittsansicht eines Presswerkzeuges der Fügeanordnung gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine schematische Vorderansicht eines Verbindungselements der Fügeanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine schematische Querschnitts-Draufsicht des in 5 gezeigten Verbindungselements;
7 ist eine schematische perspektivische Darstellung des in 5 gezeigten Verbindungselements;
8 ist eine schematische geöffnete Darstellung des Schaftes des in 7 gezeigten Verbindungselements;
9 ist eine schematische, auseinandergezogene, seitliche Querschnittsansicht einer Fügeanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei das Verbindungselement einen Anker außerhalb der Werkstücke umfasst;
10 ist eine schematische, seitliche Querschnittsansicht der Fügeanordnung von 9, wobei das Verbindungselement die zwei Werkstücke koppelt;
11 ist eine schematische, seitliche Querschnittsansicht eines Verbindungselements gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
12 ist eine schematische Vorderansicht einer Werkzeuganordnung, die ein Verbindungselement hält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern, in den verschiedenen Fig. durchweg gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, und beginnend mit den 1 und 2 kann eine Fügeanordnung 100 verwendet werden, um zumindest zwei Werkstücke 104A, 104B oder andere geeignete Komponenten zu fügen. Die Fügeanordnung 100 umfasst ein Verbindungselement 102, ein erstes Werkstück 104A, ein zweites Werkstück 104B und ein Presswerkzeug 106. Das Verbindungselement 102 kann ganz oder teilweise aus einem polymeren Material wie z. B einem kohlefaserverstärkten thermoplastischen Polymer (CFRTP) hergestellt sein, um eine Korrosion zu minimieren. Demzufolge kann das Verbindungselement 102 als ein polymeres Verbindungselement bezeichnet werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Verbindungselement 102 ganz oder teilweise aus einem ultrahochmolekularen Polyethylen (UHMWPE, vom engl. ultra-high-molecular-weight polyethylene), einem Polyetheretherketon (PEEK) oder einem anderen geeigneten Polymer hergestellt sein. Alternativ kann das Verbindungselement 102 ganz oder teilweise aus einem metallischen Material wie z. B. einer Aluminiumlegierung hergestellt sein.
Unabhängig von dem spezifischen verwendeten Material umfasst das Verbindungselement 102 einen Kopf 114 und einen Schaft 116, der mit dem Kopf 114 gekoppelt ist. In der vorliegenden Offenbarung wird der Kopf 114 als der erste Kopf bezeichnet, da das Verbindungselement 102 letztendlich einen weiteren Kopf umfasst, wie unten stehend im Detail erörtert. Überdies weist der Kopf 114 eine Breite (d. h. die Kopfbreite HW) auf und definiert eine erste oder obere Kopfoberfläche 122 und eine zweite oder untere Kopfoberfläche 124, die der ersten Kopfoberfläche 122 entgegengesetzt ist. Die erste Kopfoberfläche 122 kann eine im Wesentlichen flache Form oder eine gewölbte Form aufweisen, wie gezeigt. Außerdem umfasst der erste Kopf 114 zumindest eine seitliche Oberfläche 123, welche die erste Kopfoberfläche 122 und die zweite Kopfoberfläche 124 miteinander verbindet. Die erste Kopfoberfläche 122 kann eine im Wesentlichen konvexe Form aufweisen, um das Einklemmen des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B zu erleichtern. Das Verbindungselement 102 definiert einen Kopfhohlraum 126, der sich entlang der zweiten Kopfoberfläche 124 erstreckt. Der Kopfhohlraum 126 ist ausgestaltet, geformt und dimensioniert, um ein erweichtes Material von dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B aufzunehmen, und kann eine kreisringförmige Form aufweisen. Ferner kann der Kopfhohlraum 126 um den Schaft 116 herum eingerichtet sein.
Der Schaft 116 ist an der zweiten Kopfoberfläche 124 mit dem Kopf 114 gekoppelt und erstreckt sich entlang einer Verbindungselementachse F. Des Weiteren definiert der Schaft 116 ein erstes Schaftende 118 und ein zweites Schaftende 120, das dem ersten Schaftende 118 entgegengesetzt ist. Der Kopf 114 ist an dem ersten Schaftende 118 mit dem Schaft 116 gekoppelt. Der Schaft 116 weist eine Breite (d. h. eine Schaftbreite SW) auf, die kleiner ist als die Kopfbreite HW.
Das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B können als Platten ausgestaltet sein und können eine im Wesentlichen ebene Form aufweisen. Es wird allerdings in Erwägung gezogen, dass das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B andere geeignete Formen aufweisen können. Das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B können aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Gemäß einer Ausführungsform kann jedes von dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B ganz oder teilweise aus CFRTP hergestellt sein. Es ist jedoch vorstellbar, dass das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B ganz oder teilweise aus anderen Materialien wie z. B. anderen polymeren Materialien (z. B. einem Duroplast) oder einem metallischen Material (z. B. einer Magnesiumlegierung) hergestellt sein können. Unabhängig von den spezifischen verwendeten Materialien ist die/der Erweichungstemperatur oder -punkt der Materialien, die das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bilden, niedriger als die Erweichungstemperatur des Materials, welches das Verbindungselement 102 bildet. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Erweichungstemperatur” die Temperatur, bei der ein Material weich wird. Die Erweichungstemperatur kann z. B. mithilfe des Vicat-Verfahrens ermittelt werden.
In der vorliegenden Offenbarung wird das Material, welches das Verbindungselement 102 bildet, als das erste Material bezeichnet. Das Material, welches das erste Werkstück 104A bildet, wird als das zweite Material bezeichnet. Das Material, welches das zweite Werkstück 104B bildet, wird als das dritte Material bezeichnet. Ferner wird die Erweichungstemperatur des ersten Materials als die erste Erweichungstemperatur bezeichnet. Die Erweichungstemperatur des zweiten Materials wird als die zweite Erweichungstemperatur bezeichnet, und die Erweichungstemperatur des dritten Materials wird als die dritte Erweichungstemperatur bezeichnet. In der Fügeanordnung 100 ist die erste Erweichungstemperatur (d. h. die Erweichungstemperatur des Verbindungselements 102) höher als die zweite Erweichungstemperatur (d. h. die Erweichungstemperatur des ersten Werkstückes 104A) und die dritte Erweichungstemperatur (d. h. die Erweichungstemperatur des zweiten Werkstückes 104B), um zuzulassen, dass das Verbindungselement 102 das erste Werkstück 104A und das zweite Werkstück 104B durchstößt, wie unten stehend im Detail erörtert. Die zweite und die dritte Erweichungstemperatur (d. h. die Erweichungstemperatur des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B) können gleich oder verschieden sein. Das zweite und das dritte Material (d. h. die Materialien, welche das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bilden) können eine Schmelz- oder Erweichungstemperatur aufweisen, die in einem Bereich zwischen fünfzig (50) Grad Celsius und dreihundertdreißig (330) Grad Celsius liegt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Schmelz- oder Erweichungstemperatur des ersten und des zweiten Materials etwa zweihundert (200) Grad Celsius betragen.
Die Fügeanordnung 100 umfasst ferner ein Presswerkzeug 106, welches aus einem im Wesentlichen steifen Material wie z. B. einem Metall hergestellt ist. In der vorliegenden Offenbarung wird das Material, welches das Presswerkzeug 106 bildet, als ein viertes Material bezeichnet, und dieses Material weist eine Schmelztemperatur auf, die höher ist als vierhundert (400) Grad Celsius. Das Presswerkzeug 106 ist ganz oder teilweise aus einem Material hergestellt, welches eine Erweichungstemperatur aufweist, die deutlich höher ist als die Erweichungstemperatur der Materialien, welche das Verbindungselement 102, das erste Werkstück 104A und das zweite Werkstück 104B bilden. Das Presswerkzeug 106 umfasst einen Presswerkzeugkörper 108 und definiert einen offenen Hohlraum 110, der sich in den Presswerkzeugkörper 108 hinein erstreckt. Der Presswerkzeugkörper 108 weist eine innere Presswerkzeugoberfläche 112 auf, die den offenen Hohlraum 110 definiert. Der offene Hohlraum 110 ist ausgestaltet, geformt und dimensioniert, um das zweite Ende 120 des Schaftes 116 in einen zweiten Kopf 125 umzuformen, wenn der Schaft 116 bei vorbestimmten Rotations- und linearen Translationsgeschwindigkeiten in den offenen Hohlraum 110 gepresst wird, wie unten stehend im Detail erörtert. In der abgebildeten Ausführungsform weist der offene Hohlraum 110 eine Hohlraumbreite OW auf. Die Hohlraumbreite OW ist größer als die Schaftbreite SW, um zuzulassen, dass der Schaft 116 von dem offenen Hohlraum 110 aufgenommen wird. Das Presswerkzeug 106 kann ferner einen Vorsprung 128 umfassen, der sich von dem Presswerkzeugkörper 108 weg erstreckt. Der Vorsprung 128 kann eine im Wesentlichen verjüngte oder spitze Form aufweisen und ist an dem Zentrum C des offenen Hohlraumes 110 angeordnet. Das Zentrum C des offenen Hohlraumes 110 befindet sich in der Mitte der Hohlraumbreite OW. In der Fügeanordnung 100 ist die Verbindungselementachse F mit dem Zentrum C des offenen Hohlraumes 110 im Wesentlichen ausgerichtet (und schneidet dieses).
Mit Bezugnahme auf 1 betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei Werkstücken (d. h. des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B) mithilfe des Verbindungselements 102. Wie oben stehend erörtert, können das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B CFRTP-Platten sein. Zuerst wird das erste Werkstück 104A bezüglich des zweiten Werkstückes 104B bewegt, um das erste Werkstück 104A zumindest teilweise über dem zweiten Werkstück 104B zu positionieren, wie in 1 gezeigt. Ferner werden das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B in Richtung des Presswerkzeuges 106 bewegt, um sie zumindest teilweise über dem Presswerkzeug 106 zu positionieren, während das erste Werkstück 104A zumindest teilweise über dem zweiten Werkstück 104B angeordnet bleibt, wie in 1 gezeigt. Das Verbindungselement 102 wird in Richtung des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B bewegt, um es über dem Presswerkzeug 106, dem ersten Werkstück 104A und dem zweiten Werkstück 104B zu positionieren, wie in 1 gezeigt. An dieser Verbindungsstelle sollte die Verbindungselementachse F, die sich entlang des Schaftes 116 erstreckt, das erste Werkstück 104A, das zweite Werkstück 104B, das Zentrum C des offenen Hohlraumes 110 und den Vorsprung 128 schneiden.
Nach dem Positionieren des Verbindungselements 102 über dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B wird das Verbindungselement 102 um die Verbindungselementachse F in der durch den Pfeil R angezeigten Richtung rotiert. Wenngleich 1 eine spezielle Rotationsrichtung R zeigt, ist vorstellbar, dass das Verbindungselement 102 in der entgegengesetzten Rotationsrichtung um die Verbindungselementachse F rotiert werden kann. Es kann ein Motor oder irgendein geeigneter Aktuator verwendet werden, um das Verbindungselement 102 um die Verbindungselementachse F zu rotieren. Gemäß einer Ausführungsform wird das Verbindungselement 102 mit dreitausend (3000) Umdrehungen pro Minute (U/min) rotiert, um zuzulassen, dass das Verbindungselement 102 das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B durchdringt, wie unten stehend im Detail erörtert. Das Verbindungselement 102 wird auch linear entlang der Verbindungselementachse F in Richtung des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B bewegt, während das Verbindungselement 102 um die Verbindungselementachse F rotiert. Insbesondere wird das Verbindungselement 102 in der durch den Pfeil V angezeigten Richtung in Richtung des ersten Werkstückes 104A und des zweiten Werkstückes 104B vorgerückt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Verbindungselement 102 mit sechzig (60) Millimetern (mm) pro Minute linear bewegt werden, um das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B zu durchstoßen. Die Rotation und die lineare Bewegung des Verbindungselements 102 können gleichzeitig oder sequenziell begonnen werden.
Das Verbindungselement 102 wird kontinuierlich durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch vorgerückt und rotiert. Aufgrund seiner Rotation und linearen Bewegung durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch erhöht das Verbindungselement 102 die Temperatur des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B und erweicht dadurch das Material des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B, das entlang der Verbindungselementachse F angeordnet ist (oder bringt es sogar zum Schmelzen). Demzufolge erhöhen die Rotation und Translation des Verbindungselements 102 die Temperatur des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B zumindest über die Erweichungstemperatur der Materialien hinaus, welche das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bilden. Durch sein/e fortgesetzte/s Vorrücken und Rotation durchstößt das Verbindungselement 102 das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B entlang der Verbindungselementachse F. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass Löcher in dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B vorgeformt (z. B. vorgebohrt) werden können, bevor das Verbindungselement 102 durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch bewegt wird. Wenn das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B z. B. ganz oder teilweise aus einem Metall oder einem Duroplast-Verbundwerkstoff hergestellt sind, kann es zweckdienlich sein, Löcher in dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B vorzubohren, bevor das Verbindungselement 102 durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch bewegt wird. Unabhängig von den spezifischen verwendeten Materialien ist die Erweichungstemperatur des Materials, welches das Verbindungselement 102 bildet, höher als die Erweichungstemperaturen der Materialien, welche das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bilden, um zuzulassen, dass das Verbindungselement 102 seine Steifheit beibehält, während es ohne vorgebohrte Löcher rotiert und durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch gelangt. Außerdem ist die Schmelztemperatur des Materials, welches das Verbindungselement 102 bildet, höher als die Schmelztemperatur der Materialien, welche das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bilden, um zuzulassen, dass das Verbindungselement 102 durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch gelangt, ohne seine geometrischen Abmessungen im Wesentlichen zu verlieren. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Erweichungstemperatur der Materialien, welche das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bilden, in einem Bereich zwischen fünfzig (50) Grad Celsius und dreihundertdreißig (330) Grad Celsius liegen, und die Erweichungstemperatur des Materials, welches das Verbindungselement 102 bildet, kann in einem Bereich zwischen zweihundert (200) und dreihundertfünfundsiebzig (375) Grad Celsius liegen.
Nach dem Durchstoßen des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B wird das Verbindungselement 102 kontinuierlich linear in Richtung des Presswerkzeuges 106 vorgerückt, während das Verbindungselement 102 um die Verbindungselementachse F rotiert. Insbesondere wird das Verbindungselement 102 linear in Richtung des offenen Hohlraumes 110 bewegt, um einen Teil des Schaftes 116 im Inneren des offenen Hohlraumes 110 zu positionieren. In der in 1 abgebildeten Ausführungsform wird das Verbindungselement 102 in Richtung des offenen Hohlraumes 110 bewegt, sodass das zweite Schaftende 120 mit dem Vorsprung 128 in Kontakt gelangt und reibungstechnisch in diesen eingreift. Die Spannungskonzentration in dem zweiten Schaftende 120, die durch die spitze Form des Vorsprunges 128 verursacht wird, hilft dem Presswerkzeug 106 dabei, den zweiten Kopf 125 zu bilden. Da der Schaft 116 somit teilweise in dem offenen Hohlraum 110 angeordnet ist, während das Verbindungselement 102 rotiert und sich mit Gewalt in Richtung des Presswerkzeuges 106 bewegt, wird ein Abschnitt des Schaftes 116 weich und nimmt die Form des offenen Hohlraumes 110 an, um den zweiten Kopf 125 zu bilden. Da die Reibung zwischen dem Presswerkzeug 106 und dem Schaft 116 das Bilden des zweiten Kopfes 125 unterstützt, wird das Presswerkzeug 106 als Reibformwerkzeug bezeichnet. Die Temperatur des Schaftes 116 (insbesondere der Abschnitte um das zweite Schaftende 120 herum) steigt, während das Verbindungselement 102 rotiert und in den offenen Hohlraum 110 vorgerückt wird. An dieser Verbindungsstelle steigt die Temperatur eines Teiles des Schaftes 116 über die Erweichungstemperatur des Materials hinaus, welches das Verbindungselement 102 bildet, um zuzulassen, dass das zweite Schaftende 120 weich wird und die Form des offenen Hohlraumes 110 annimmt. Allerdings erweicht oder schmilzt das Presswerkzeug 106 nicht, während Reibung zwischen dem Schaft 116 und der inneren Oberfläche 112 erzeugt wird. Um zu verhindern, dass das Presswerkzeug 106 schmilzt (oder erweicht), während das Verbindungselement 102 Kraft auf die innere Presswerkzeugoberfläche 112 anwendet, kann die Schmelztemperatur des Materials, welches das Presswerkzeug 106 bildet, z. B. höher sein als vierhundert (400) Grad Celsius. Es ist auch wünschenswert, das Presswerkzeug 106 aus einem im Wesentlichen steifen Material herzustellen, um Verschleiß nach übermäßigem Gebrauch zu minimieren.
Mit Bezugnahme auf 2 weist der zweite Kopf 125 eine Breite DW auf, die gleich oder im Wesentlichen gleich der Hohlraumbreite OW des offenen Hohlraumes 110 ist. Demzufolge ist die Breite DW des zweiten Kopfes 125 größer als die Breite SW des Schaftes 116. Die Form und die Größe des ersten Kopfes 114 und des zweiten Kopfes 125 des Verbindungselements 102 helfen, das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B einzuklemmen. Im Speziellen kann der zweite Kopf 125 eine im Wesentlichen konvexe Form aufweisen, um eine wünschenswerte Tragfähigkeit für die befestigte Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B zu erbringen. Um diese konvexe Form zu bilden, weist der offene Hohlraum 110 (1) eine im Wesentlichen konkave Form auf, mit Ausnahme seines Zentrums, welches den Vorsprung 128 aufweist. Der offene Hohlraum 110 kann jedoch auch andere geeignete Formen aufweisen. Beispielsweise kann der offene Hohlraum 110 anstelle des Vorsprunges 128 einen Schlitz 111 definieren, der sich entlang des Zentrums C des offenen Hohlraumes 110 in den Presswerkzeugkörper 108 hinein erstreckt, wie in 3 gezeigt. Die innere Wand 113, welche den Schlitz 111 definiert, kann im Wesentlichen parallel oder unter einem kleinen Winkel von ungleich Null zu der Verbindungselementachse F stehen, wie angezeigt, um das Ausrücken des Presswerkzeuges 106 und des zweiten Kopfes 125 nach Beenden des Fügens zu erleichtern. Der Schlitz 111 steht in Verbindung mit dem offenen Hohlraum 110 und kann in das Presswerkzeug 106 eingebaut sein, wenn relativ weniger Material (verglichen mit der vorhergehenden Ausführungsform) erweicht (oder sogar zum Schmelzen gebracht) werden soll, um den zweiten Kopf 125 zu bilden. Alternativ muss das Presswerkzeug 106 nicht unbedingt den Vorsprung 128 oder den Schlitz 111 umfassen, wie in 4 gezeigt.
Mit Bezugnahme auf die 5–8 kann ein anderes Verbindungselement 202 verwendet werden, um das erste Werkstück 104A an das zweite Werkstück 104B zu koppeln. Das Verbindungselement 202 ist dem oben beschriebenen Verbindungselement 102 ähnlich. Der Kürze halber werden nachfolgend nur die Merkmale des Verbindungselements 202 im Detail erörtert, welche von den Merkmalen des Verbindungselements 102 verschieden sind. Das Verbindungselement 202 umfasst einen ersten Kopf 214 und einen Schaft 216, der sich von dem ersten Kopf 214 weg erstreckt. Wie bei dem Verbindungselement 102 definiert der erste Kopf 214 eine erste oder obere Kopfoberfläche 222 und eine zweite oder untere Kopfoberfläche 224, die der ersten Kopfoberfläche 222 entgegengesetzt ist. Die erste Kopfoberfläche 222 kann eine im Wesentlichen flache Form oder eine gewölbte Form aufweisen, wie gezeigt. Außerdem umfasst der erste Kopf 214 zumindest eine seitliche Oberfläche 223, welche die erste Kopfoberfläche 222 und die zweite Kopfoberfläche 224 miteinander verbindet. Das Verbindungselement 202 definiert einen Kopfhohlraum 226, der sich entlang der zweiten Kopfoberfläche 224 erstreckt. Der Kopfhohlraum 226 ist ausgestaltet, geformt und dimensioniert, um erweichtes oder geschmolzenes Material von dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B aufzunehmen.
Der Schaft 216 definiert ein erstes Schaftende 218 und ein zweites Schaftende 220, das dem ersten Schaftende 218 entgegengesetzt ist. Wie in 6 gezeigt, weist der Schaft 216 einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf. Dieser im Wesentlichen dreieckige Querschnitt ist durch drei flache Oberflächen 230 und drei abgerundete Ecken 232, welche die drei flachen Oberflächen 230 miteinander verbinden, definiert. Die drei flachen Oberflächen 230 lassen zu, dass erweichtes oder geschmolzenes Material von dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B in Richtung des Kopfhohlraumes 226 fließt, während das Verbindungselement 202 rotiert und durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch vorrückt. Die abgerundeten Ecken 232 unterstützen beim Erweichen des Materials, welches das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bildet, wenn das Verbindungselement 202 durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch vorgerückt wird.
Der Schaft 216 umfasst ferner eine Vielzahl von nicht verbundenen Gewindeabschnitten 234, die entlang des Schaftes 216 angeordnet sind. In der abgebildeten Ausführungsform erstreckt sich jeder Gewindeabschnitt 234 von dem zweiten Schaftende 220 weg in Richtung des ersten Schaftendes 218. Es wird darauf hingewiesen, dass der Gewindeabschnitt 234 von dem zweiten Schaftende 220 stammt und nicht unbedingt die gesamte Schaftlänge zwischen dem ersten und dem zweiten Schaftende 218 und 220 bedeckt. In der abgebildeten Ausführungsform erstreckt sich jedoch keiner der Gewindeabschnitte 234 entlang des gesamten Umfanges des Schaftes 216. Jeder Gewindeabschnitt 234 ist entlang einer der abgerundeten Ecken 234 des Schaftes 216 angeordnet. Überdies, wie in 8 gezeigt, sind die Gewinde 236 in den Gewindeabschnitten 234 im Wesentlichen auf dem gleichen Niveau L (d. h. der gleichen Höhe) eingerichtet, um zu verhindern, dass das Verbindungselement 202 aus dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B herausgeschraubt wird.
Mit Bezugnahme auf die 9 und 10 kann ein anderes Verbindungselement 302 verwendet werden, um das erste Werkstück 104A an das zweite Werkstück 104B zu koppeln. Der Kürze halber werden nachfolgend nur die Merkmale des Verbindungselements 302 im Detail erörtert, welche von den Merkmalen des Verbindungselements 102 und des Verbindungselements 202 verschieden sind. Das Verbindungselement 302 umfasst einen Kopf 314 und einen Schaft 316, der mit dem Kopf 314 gekoppelt ist. Der Kopf 314 ist an dem ersten Schaftende 318 mit dem Schaft 316 gekoppelt. Ferner definiert der Kopf 314 einen Kopfhohlraum 326, der ausgestaltet, geformt und dimensioniert ist, um erweichtes oder geschmolzenes Material von dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B aufzunehmen. Das Verbindungselement 302 umfasst auch einen Anker 315, der an dem zweiten Schaftende 320 mit dem Schaft 316 gekoppelt ist. In der abgebildeten Ausführungsform weist der Anker 315 eine im Wesentlichen verjüngte oder spitze Form auf. Unabhängig von der Form ist der Anker 315 ausgestaltet, um die gesamte Dicke des ersten Werkstückes 104A zu durchqueren und in dem zweiten Werkstück 104B eingebettet zu sein, um das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B aneinanderzukoppeln.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch ein Verfahren zum Fügen des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B mithilfe des Verbindungselements 302. Zuerst wird das erste Werkstück 104A bezüglich des zweiten Werkstückes 104B bewegt, um das erste Werkstück 104A zumindest teilweise über dem zweiten Werkstück 104B zu positionieren, wie in 9 gezeigt. Das Verbindungselement 302 wird in Richtung des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B bewegt, um es über dem ersten Werkstück 104A und dem zweiten Werkstück 104B zu positionieren, wie in 9 gezeigt. An dieser Verbindungsstelle sollte die Verbindungselementachse F, die sich entlang des Schaftes 316 erstreckt, das erste Werkstück 104A und das zweite Werkstück 104B schneiden.
Nach dem Positionieren des Verbindungselements 302 über dem ersten und dem zweiten Werkstück 104A, 104B wird das Verbindungselement 302 um die Verbindungselementachse F in der durch den Pfeil R angezeigten Richtung rotiert. Es kann ein Motor oder irgendein geeigneter Aktuator verwendet werden, um das Verbindungselement 302 um die Verbindungselementachse F zu rotieren. Das Verbindungselement 302 wird auch linear entlang der Verbindungselementachse F in Richtung des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B bewegt, während das Verbindungselement 302 um die Verbindungselementachse F rotiert. Insbesondere wird das Verbindungselement 302 in der durch den Pfeil V angezeigten Richtung in Richtung des ersten Werkstückes 104A und des zweiten Werkstückes 104B vorgerückt.
Das Verbindungselement 302 wird kontinuierlich durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch vorgerückt und rotiert. Aufgrund seiner Rotation und linearen Bewegung durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch erhöht das Verbindungselement 302 die Temperatur des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B und erweicht dadurch das Material des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B, das entlang der Verbindungselementachse F angeordnet ist (d. h. das erweichte oder geschmolzene Material M) (oder bringt es sogar zum Schmelzen). Demzufolge erhöhen die Rotation und Translation des Verbindungselements 302 die Temperatur des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B zumindest über die Erweichungstemperatur des Materials hinaus, welches das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bildet. Durch sein/e fortgesetzte/s lineares Vorrücken und Rotation durchstößt das Verbindungselement 302 das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B entlang der Verbindungselementachse F. Unabhängig von den spezifischen eingesetzten Materialien ist die Erweichungstemperatur des Materials, welches das Verbindungselement 302 bildet, höher als die Erweichungstemperatur der Materialien, welche das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B bilden, um zuzulassen, dass das Verbindungselement 302 seine Steifheit beibehält, während es rotiert und durch das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B hindurch gelangt.
Das Verbindungselement 302 wird kontinuierlich rotiert und linear in Richtung des zweiten Werkstückes 104B entlang der Verbindungselementachse F vorgerückt, bis der Anker 315 zumindest teilweise im Inneren des zweiten Werkstückes 104B angeordnet ist, aber bevor der Anker 315 vollständig außerhalb des zweiten Werkstückes 104B angeordnet ist. Anders ausgedrückt wird das Verbindungselement 302 kontinuierlich rotiert und entlang der Verbindungselementachse F vorgerückt, bis der Anker 315 zumindest teilweise im Inneren des zweiten Werkstückes 104B angeordnet ist, aber bevor der Anker 315 vollständig durch das zweite Werkstück 104B hindurch gelangt. In der abgebildeten Ausführungsform wird das Verbindungselement 302 kontinuierlich rotiert und linear in Richtung des zweiten Werkstückes 104B vorgerückt, bis der Anker 315 vollständig im Inneren des zweiten Werkstückes 104B angeordnet ist und kein Abschnitt des Ankers 315 im Inneren des ersten Werkstückes 104A angeordnet ist. Das erweichte Material M des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B um den Schaft 316 herum hilft dabei, den Anker 315 an dem zweiten Werkstück 104A zu befestigen. Ferner ist das erweichte Material M in dem Kopfhohlraum 326 eingefangen, um dadurch das Verbindungselement 302 an dem ersten Werkstück 104A zu befestigen.
Mit Bezugnahme auf 11 kann ein anderes Verbindungselement 402 verwendet werden, um das erste Werkstück 104A an das zweite Werkstück 104B zu koppeln. Der Kürze halber werden nachfolgend nur die Merkmale des Verbindungselements 402 im Detail erörtert, welche von den Merkmalen der Verbindungselemente 102, 202 und 302 verschieden sind. Das Verbindungselement 402 umfasst einen Kopf 414, einen Schaft 416, der mit dem Kopf 414 gekoppelt ist, und einen Anker 415, der mit dem Schaft 416 gekoppelt ist. Außerdem umfasst das Verbindungselement 402 eine Säule 417, die mit dem Kopf 414 gekoppelt ist. Die Säule 417 erstreckt sich von dem Kopf 414 von dem Schaft 416 weg und kann ganz oder teilweise aus einem polymeren Material wie z. B. einem Carbon-Verbundwerkstoff oder einem metallischen Material hergestellt sein. Die Säule 417 kann als ein Bolzen ausgestaltet sein und kann verwendet werden, um andere Objekte wie elektrische Leitungen oder andere Komponenten an dem Verbindungselement 402 anzubringen. Die Säule 417 kann an den Kopf 414 geformt sein. Die Säule 417 kann sich außerhalb des ersten und des zweiten Werkstückes 104A, 104B befinden, sobald das Verbindungselement 402 an das erste und das zweite Werkstück 104A, 104B gekoppelt ist. Das Verbindungselement 402 ist oft an einem Werkstück angebracht. Wenngleich es auch verwendet werden kann, um zumindest zwei Werkstücke aneinanderzufügen, kann das Verbindungselement 402 zum Anbringen von Teilen, die von der Säule getragen werden, an einem Werkstück verwendet werden. Alle der in dieser Offenbarung beschriebenen Verbindungselemente können die Säule 417 umfassen.
Mit Bezugnahme auf 12 kann eine Werkzeuganordnung 500 verwendet werden, um dabei zu helfen, das Verbindungselement 202 (oder ein beliebiges anderes Verbindungselement) mit dem Presswerkzeug 106 auszurichten. Die Werkzeuganordnung 500 umfasst einen Halter 502 wie z. B. einen Roboterarm oder ein C-Handwerkzeug, welcher ausgestaltet ist, um das Verbindungselement 202 und einen Aktuator 504 zu halten und entlang einer Werkzeugachse T auszurichten. Der Aktuator 504 kann ein Servomotor sein, der ausgestaltet ist, um das Verbindungselement 202 um die Werkzeugachse T zu rotieren. Ferner kann der Aktuator 504 das Verbindungselement 202 linear entlang der Werkzeugachse T in Richtung des offenen Hohlraumes 110 des Presswerkzeuges 106 und von diesem weg bewegen. Die Werkzeugachse T ist mit dem Presswerkzeug 106 im Wesentlichen ausgerichtet und schneidet das Zentrum C des offenen Hohlraumes 110. Es ist zweckdienlich, das Verbindungselement 202 mit dem Presswerkzeug 106 auszurichten, um die Wirksamkeit des Verbindungselements 202 zu maximieren. Das Verbindungselement 202 (oder ein beliebiges anderes Verbindungselement) wird als Teil der Werkzeuganordnung 500 betrachtet. Die Werkzeuganordnung 500 kann auch in der Lage sein, das Presswerkzeug 106 zu erwärmen, um das Bilden des zweiten Kopfes 125 (2) zu erleichtern.
Während die besten Arten, die Lehren auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Offenbarung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen zur praktischen Umsetzung der Lehren innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche erkennen.

Claims

Fügeverfahren, umfassend, dass: ein Verbindungselement um eine Verbindungselementachse rotiert wird, wobei das Verbindungselement einen ersten Kopf und einen Schaft umfasst, der sich von dem ersten Kopf weg entlang der Verbindungselementachse erstreckt; das Verbindungselement in Richtung eines ersten Werkstückes und eines zweiten Werkstückes bewegt wird, während das Verbindungselement um die Verbindungselementachse rotiert, sodass das Verbindungselement eine Temperatur in dem ersten und dem zweiten Werkstück erhöht, um das erste und das zweite Werkstück entlang der Verbindungselementachse zu erweichen und zu durchstoßen; und das Verbindungselement nach dem Durchstoßen des ersten und des zweiten Werkstückes durch das erste und das zweite Werkstück hindurch und in Richtung eines offenen Hohlraumes eines Presswerkzeuges vorgerückt wird, während das Verbindungselement um die Verbindungselementachse rotiert, sodass der Schaft teilweise im Inneren des offenen Hohlraumes angeordnet ist, um einen zweiten Kopf zu bilden; und wobei das erste Werkstück aus einem ersten Material hergestellt ist, das zweite Werkstück aus einem zweiten Material hergestellt ist und das Verbindungselement aus einem dritten Material hergestellt ist, wobei das erste Material eine erste Erweichungstemperatur aufweist, das zweite Material eine zweite Erweichungstemperatur aufweist, das dritte Material eine dritte Erweichungstemperatur aufweist und die dritte Erweichungstemperatur höher ist als die erste und die zweite Erweichungstemperatur.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass das erste Werkstück bezüglich des zweiten Werkstückes bewegt wird, sodass das erste Werkstück zumindest teilweise über dem zweiten Werkstück angeordnet ist, bevor das Verbindungselement in Richtung des ersten und des zweiten Werkstückes bewegt wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass das erste und das zweite Werkstück in Richtung eines Presswerkzeuges bewegt werden, sodass das erste und das zweite Werkstück zumindest teilweise über dem Presswerkzeug angeordnet sind, während das erste Werkstück zumindest teilweise über dem zweiten Werkstück angeordnet bleibt.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei jedes von dem ersten und dem zweiten Material eine Erweichungstemperatur aufweist, die in einem Bereich zwischen 50 Grad Celsius und 330 Grad Celsius liegt.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei jedes von dem ersten und dem zweiten Material ein kohlefaserverstärktes thermoplastisches Polymer ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 5, wobei das dritte Material ein polymeres Material ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei das Presswerkzeug aus einem vierten Material hergestellt ist und das vierte Material eine Schmelztemperatur aufweist, die höher ist als 400 Grad Celsius.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei jedes von dem ersten und dem zweiten Material eine Magnesiumlegierung ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 8, wobei das dritte Material eine Aluminiumlegierung ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei der offene Hohlraum eine konkave Form aufweist.