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Die Erfindung betrifft eine Bauteil-Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein stiftförmiges Verbindungselement zur Verbindung zumindest zweier Bauteile sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilverbindungsanordnung.
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Bei im Automobilbereich verwendeten Leichtbaustrukturen ist der Einsatz von Faserverbundkunststoff-Bauteilen bekannt. Die Verbindung eines Faserverbundkunststoff-Bauteils mit einem Fügepartner, etwa einem Stahl- oder Aluminium-Blechteil oder einem anderen Faserverbundkunststoff-Bauteil, erfolgt beispielhaft durch ein Reibnagel- oder Nietverfahren, bei dem das faserverbundkunststoff-Bauteil mit dem Fügepartner mit Hilfe eines stiftförmigen Verbindungselementes verbunden werden.
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Aus der
DE 10 2011 001 522 A1 ist eine gattungsgemäße Bauteil-Verbindungsanordnung bekannt, in der zwei Bauteile mittels eines stiftförmigen Verbindungselementes miteinander verbunden sind. Der Schaft des Verbindungselementes wird in einem Fügevorgang unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung in die beiden Bauteile eingetrieben. Die Bauteilverbindung ergibt sich dabei durch Reibungswärme und lokale Verformung der Bauteil-Werkstoffe.
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In der obigen
DE 10 2011 001 522 A1 ragt die Schaftspitze des Verbindungselements im eingetriebenen Zustand auf der von der Fügerichtung abgewandten Seite der Bauteil-Verbindung mit einem Überstand heraus. Die Schaftspitze wird anschließend in einem fertigungstechnisch aufwendigen weiteren Verformungsschritt radial ausgeweitet. Auf diese Weise erfolgt auf der in der Fügerichtung abgewandten Unterseite der Bauteil-Verbindung eine Hinterschnittbildung, die in einer betriebssicheren Bauteilverbindung resultiert.
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Aus der
DE 10 2009 013 200 A1 ist der Einsatz einer Baugruppe aus gefügten Bauelementen im Fahrzeug- oder Karosseriebau bekannt, in der die Bauelemente durch Verbindungsmittel gefügt sind. In einer ersten Bauelement-Verbindung ist eine mechanische Verbindungstechnik angewendet, während in einer zweiten Bauelement-Verbindung eine stoffschlüssige Fügetechnik appliziert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bauteil-Verbindungsanordnung sowie ein stiftförmiges Verbindungselement für eine solche Bauteil-Verbindungsanordnung bereitzustellen, bei der in prozesstechnisch einfacher Weise eine betriebssichere sowie einwandfreie Verbindungsfestigkeit gewährleistet ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass im obigen Stand der Technik die Schaftspitze des stiftförmigen Verbindungselements die beiden miteinander gefügten Bauteile vollständig bis zu der, von der Fügerichtung abgewandten Bauteil-Unterseite durchsetzen muss. Das heißt dass mit diesem Stand der Technik keine Bauteilverbindung realisierbar ist, bei der die Schaftspitze des stiftförmigen Verbindungselementes unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke in den Bauteilen eingetrieben ist, die sich zwischen der Schaftspitze des Verbindungselementes und der von der Fügerichtung abgewandten Bauteil-Seite erstreckt. Vor diesem Hintergrund weist der Schaft des Verbindungselementes gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 einen Grundkörper und zumindest ein Spreizsegment auf, die beide eine, mit einem expandierfähigen Material gefüllte Kavität begrenzen.
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Das Spreizsegment sowie das expandierfähige Material sind so ausgelegt, dass das Spreizsegment erst nach erfolgtem Eintreiben unter Expansion des expandierfähigen Materials sich radial abspreizt. Auf diese Weise wird das in die Bauteile eingetriebene Verbindungselement quer zur Fügerichtung radial nach außen ausgeweitet, wodurch die Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Fügepartnern wesentlich gesteigert ist.
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Bevorzugt kann das expandierfähige Material thermisch aktivierbar sein, so dass es bei Erzeugung der Reibungswärme während des Fügevorgangs expandiert. Beispielhaft kann in die Kavität eine thermisch aktivierbare Ausgangskomponente eines Schaumwerkstoffes eingefüllt sein. Beispielhaft kann durch Zusatz von expandierfähigen Mikrohohlkugeln eine Expansion um das 40-fache erreicht werden. Zusätzlich können Hohlräume in das Verbindungselement eingebracht sein, in welche aufgeschmolzenes Matrixmaterial eindringen kann, was zu einer zusätzlichen Verfestigung führt.
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Die Reibungswärme wird während des Fügevorgangs an der Verbindungselement-Oberfläche erzeugt und durch Wärmeleitung über das Material des Spreizsegmentes bis in die Kavität zeitverzögert übertragen. Die Verbindungselement-Geometrie sowie das expandierfähige Material ist dabei so ausgelegt, dass deren thermische Aktivierung im Wesentlichen zeitlich erst nach dem Eintreiben des Verbindungselementes in die beiden Bauteile durch die Wärmeleitung der Reibungswärme erfolgt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch eine externe Wärmequelle vorgesehen sein, die die thermische Aktivierung des Materials zumindest unterstützt.
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Nachfolgend werden weitere Erfindungsaspekte beschrieben, die in erster Linie die Geometrie des Verbindungselementes betreffen: So kann der Grundkörper mit Bezug auf eine Verbindungselement-Längsachse radial innen und das Spreizsegment unter Zwischenlage der Kavität radial außen ausgebildet sein. Der Grundkörper kann bei dem, nach dem Eintreiben erfolgenden Abspreiz- oder Expandier-Prozessschritt als ein Widerlager dienen, gegen das sich das Spreizsegment sowie das expandierfähige Material unter Aufbau einer radial nach außen gerichteten Spreizkraft abstützt.
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Im Hinblick auf einen prozesstechnisch einfachen Fügevorgang kann das Verbindungselement einen ausgeweiteten Elementkopf sowie an der gegenüberliegenden Schaftseite eine Schaftspitze aufweisen. Sowohl der ausgeweitete Elementkopf als auch die Schaftspitze können im Hinblick auf einen prozesssicheren Fügevorgang beide am Schaft-Grundkörper angeformt sein.
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Eine prozesstechnisch einwandfreie Ausweitung des Spreizsegmentes ist von großer Bedeutung für die Verbindungsfestigkeit der Bauteilverbindung. Zur Steigerung der Prozesssicherheit kann die zwischen dem Spreizsegment und dem Grundkörper gebildete Kavität einen in Richtung auf eine Schaftspitze offenen Querschnitt aufweisen, das heißt die Kavität ist in Richtung auf die Schaftspitze offen gestaltet. Der offene Querschnitt der Kavität kann radial nach außen durch eine freie Spreizkante des Spreizsegmentes begrenzt sein.
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Zur weiteren Steigerung der Prozesssicherheit beim Fügevorgang ist es von Vorteil, wenn das Spreizsegment gegenüber der Schaftspitze um einen Längsversatz zurückgesetzt ist. Das heißt, dass die Schaftspitze das Spreizsegment um den Längsversatz in Fügerichtung überragt.
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Der Schaft-Grundkörper des Verbindungselementes ist im Hinblick auf eine ausreichend große Steifigkeit aus einem Vollmaterial gefertigt. Der Grundkörper kann einen, dem Elementkopf zugewandten querschnittsgrößeren Schaftabschnitt aufweisen, der dem weiteren Verlauf in Richtung auf die Schaftspitze an einem stufenartigen Übergang in einen querschnittskleineren Schaftabschnitt übergeht. Der querschnittsgrößere Schaftabschnitt kann in einer konkreten technischen Umsetzung des Verbindungselementes am stufenartigen Übergang mit dem Spreizsegment in Richtung auf die Schaftspitze verlängert sein, und zwar um ein vorgegebenes Überlappmaß, um beim Expansions-Schritt eine einwandfreie Hinterschnittbildung zu gewährleisten. In einem unverformten Fertigungszustand des Verbindungselementes kann dessen Schaft-Außenquerschnitt am querschnittsgroßen Schaftabschnitt und am querschnittskleinen Schaftabschnitt durchgängig konstant sein, um einen weitgehend leichtgängigen Fügeschritt zu gewährleisten, bei dem das Verbindungselement hinterschnittfrei unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung in die Bauteile eingetrieben werden kann.
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In einer technischen Umsetzung des Verbindungselementes können eine Mehrzahl von Spreizsegmenten vorgesehen sein. Diese können im Hinblick auf eine einwandfreie Verbindungsfestigkeit bevorzugt gleichmäßig umfangsverteilt mit zwischengeordneten freien Längsschlitzen um den Schaft-Grundkörper angeordnet sein.
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In einer fertigungstechnisch einfachen Ausführung können die Spreizsegmente insbesondere in einem spanabhebenden Bearbeitungsschritt, zum Beispiel einem Frässchritt, gebildet werden. Bei einem solchen Bearbeitungsschritt können in einem Verbindungselement-Rohkörper ein um die Verbindungselement-Längsachse rotationssymmetrisch verlaufender Ringspalt eingebracht werden, der als Kavität dient. Der Ringspalt ist radial innen vom Schaft-Grundkörper begrenzt und radial außen von einem Hülsenabschnitt begrenzt, der in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt unter Bildung der Spreizsegmente mit den Längsschlitzen versehen werden kann.
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In einer alternativen Fertigungsvariante kann die Kavität in einem spanabhebenden Bearbeitungsschritt nicht durch einen Ringspalt, sondern vielmehr durch zumindest eine linear verlaufende Quernut ausgeführt werden. Diese kann mit Abstand zur Verbindungselement-Längsachse verlaufen und radial innen durch den Grundkörper sowie radial außen durch das Spreizelement begrenzt sein. In einer speziellen Ausführungsvariante können zwei solcher Quernuten in das Verbindungselement eingebracht sein, die einander mit Bezug auf die Verbindungselement-Längsachse spiegelbildlich bzw. diametral gegenüberliegen. Alternativ dazu können auch vier Quernuten in das Verbindungselement eingebracht werden, von denen die umfangsseitig benachbarten Quernuten jeweils zueinander um 90° gedreht sind, und zwar unter Bildung eines im Querschnitt rechteckförmigen Grundkörpers.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer teilweisen Seitenschnittdarstellung eine Bauteil-Verbindungsanordnung;
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2 bis 5 jeweils Ansichten, die die Prozessschritte zur Herstellung der in der 1 gezeigten Bauteil-Verbindungsanordnung veranschaulichen; und
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6 und 7 jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele des in den 1 bis 5 gezeigten Verbindungselementes.
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In der 1 ist eine Bauteil-Verbindungsanordnung gezeigt, bei der rein exemplarisch als Fügepartner ein Stahl- oder Aluminiumblechteil 1 mit einem Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 verbunden sind, und zwar mittels eines stiftförmigen Verbindungselementes 5, das in einem später anhand der 2 bis 5 beschriebenen Reibschweißvorgang in die beiden Bauteile 1, 3 eingetrieben ist. Das stiftförmige Verbindungselement 5 weist einen mit Bezug auf eine Verbindungselement-Längsachse L radial ausgeweiteten Elementkopf 7 auf, der in der 1 in Anlageverbindung mit einem Öffnungsrandbereich einer im Blechteil 1 befindlichen Vorbohrung 9 ist. An den Elementkopf 7 schließt sich ein Elementschaft 11 an, der mit Radialabstand durch die Vorbohrung 9 des Blechteils 1 geführt ist und in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben ist.
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Der Elementschaft 11 weist erfindungsgemäß einen um die Längsachse L rotationssymmetrischen, zylindrischen Grundkörper 13 auf, an dem später beschriebene Spreizsegmente 15 angeordnet sind. Der Grundkörper 13 ist mit einem dem Elementkopf 7 zugewandten durchmessergrößeren Schaftabschnitt 17 (2) ausgebildet, der an einem stufenartigen Übergang 19 (2) in einen, einer Schaftspitze 21 zugewandten durchmesserkleineren Schaftabschnitt 23 (2) übergeht. Der durchmessergrößere Schaftabschnitt 17 ist in Richtung auf die Schaftspitze 21 mit den bereits erwähnten Spreizsegmenten 15 verlängert, und zwar um ein Überlappmaß Δx1 (2).
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Gemäß den Figuren ist zwischen den radial äußeren Spreizsegmenten 15 und dem radial inneren Grundkörper 13 eine Kavität 25 bereitgestellt, die mit einem expandierfähigen Material 27 gefüllt ist. In der 1 ist bei fertiggestellter Bauteil-Verbindungsanordnung das Material 27 expandiert, wodurch die Spreizsegmente 15 radial nach außen abgespreizt sind und auf diese Weise unter Aufbau von quergerichteten Spreizkräften FS (4) gegen das angrenzende Material des Faserverbundkunststoff-Bauteils 3 drücken.
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Das in der 1 gezeigte Verbindungselement 5 durchsetzt das Faserverbundkunststoff-Bauteil nicht vollständig bis zur, dem Elementkopf 7 abgewandten Bauteil-Seite 29, sondern ist vielmehr unter Aufrechterhaltung einer sich zwischen der Verbindungselement-Spitze 21 und der Bauteil-Seite 29 erstreckenden Restbodendicke r eingetrieben.
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So wird zunächst gemäß der 2 unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung F, n das Verbindungselement 5 in einer Fügerichtung in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben. In der 2 ist das Verbindungselement 5 im noch unverformten Fertigungszustand gezeigt. Demzufolge ist der Schaft-Außendurchmesser dA am durchmessergroßen Schaftabschnitt 17 und am durchmessekleinen Schaftabschnitt 23 durchgängig konstant, um einen einwandfreien Fügevorgang zu gewährleisten. Zudem ist in der Kavität 25 zwischen den radial äußeren Spreizsegmenten und dem radial inneren Grundkörper 13 eine Ausgangskomponente des expandierfähigen Materials 27 eingefüllt. Die Ausgangskomponente ist thermisch aktivierbar ausgelegt. Wie aus der 2 weiter hervorgeht, weist die Kavität 25 in Richtung auf die Schaftspitze 21 einen ringförmig offenen Querschnitt 31 auf, der radial außen durch eine freie Spreizkante 33 der Spreizsegmente 15 begrenzt ist. Die Spreizkanten 33 der in der 2 gezeigten Spreizsegmente 15 sind um einen Längsversatz Δx2 gegenüber der Schaftspitze 21 zurückgesetzt.
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Nachfolgend ist anhand der 2 bis 4 ein zweistufiges Reibschweißverfahren zur Herstellung der in 1 gezeigten Bauteilverbindung beschrieben. So wird in einem Fügeschritt (2 und 3) das Verbindungselement 5 durch Druck- und Rotationsbeaufschlagung in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben. Die Bauteilverbindung ergibt sich dabei durch Reibungswärme und durch lokale Verformung des Matrixmaterials 35 im Faserverbundkunststoff-Bauteil 3.
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In der 3 ist ein Prozesszustand gezeigt, der sich unmittelbar nach erfolgtem Fügeschritt einstellt. Demzufolge ist das Verbindungselement 5 vollständig in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben. Die beim Fügeschritt erzeugte Reibungswärme ist jedoch noch nicht bis zum expandierfähigen Material 27 übertragen, wodurch noch keine thermische Aktivierung des Materials 27 erfolgt ist. Die thermische Aktivierung des expandierfähigen Materials 27 erfolgt erst zeitverzögert nach dem Fügevorgang, wie es in der 4 angedeutet ist, in einem prozesstechnisch nachgelagerten Expandierschritt. Im Expandierschritt ist die Reibungswärme durch Wärmeleitung bis in das expandierfähige Material 27 übertragen, so dass eine thermische Aktivierung des Materials 27 stattfindet. Demzufolge werden die beiden Spreizsegmente 15 unter Expansion des expandierfähigen Materials 27 radial nach außen abgespreizt, und zwar unter Aufbau der quer nach außen gerichteten Spreizkräfte FS.
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In der 5 ist eine Schnittdarstellung des Verbindungselementes 5 entlang der Schnittebene A-A aus der 2 gezeigt, und zwar ohne expandierfähigem Material 27, das heißt mit nicht gefüllter Kavität 25. Die Kavität 25 ist in der 5 als ein rotationssymmetrisch um die Längsachse L verlaufender Ringspalt ausgebildet. Dieser kann beispielhaft mittels eines Frässchrittes in das Verbindungselement 5 eingebracht werden. Dadurch ergibt sich radial außen ein Hülsenabschnitt, in den unter Bildung der vier Spreizsegmente 15 Längsschlitze 37 eingefräst werden.
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In den 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele des Verbindungselementes gezeigt. So sind in der 5 anstelle eines umlaufenden Ringspaltes insgesamt vier Quernuten 39 eingebracht, die jeweils mit Abstand zur Längsachse L linear verlaufen. Die Quernuten sind radial innen durch den Grundkörper 13 begrenzt und radial außen durch jeweils ein Spreizsegment 15 begrenzt. Die jeweils benachbarten Quernuten 39 sind zueinander um 90° gedreht, wodurch sich ein im Querschnitt rechteckförmiger Grundkörper 13 ergibt. In der 7 sind nicht vier Quernuten 39 sondern nur zwei Quernuten in das Verbindungselement 5 eingebracht. Die beiden Quernuten 39 liegen einander mit Bezug auf die Längsachse L spiegelbildlich und diametral gegenüber, und zwar unter Bildung von zwei einander gegenüberliegenden Spreizsegmenten 15.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011001522 A1 [0003, 0004]
- DE 102009013200 A1 [0005]
