DE102015210965A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes mit einem Verbindungselement - Google Patents
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- Standing Axle, Rod, Or Tube Structures Coupled By Welding, Adhesion, Or Deposition (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes umfassend eine Befestigungsstruktur (18), umfassend wenigstens eine Bauteillage (20, 22) und ein thermoplastisches Verbindungselement (12), aufweisend einen Kopf (14) und einen Schaft (16), wobei das Verbindungselement (12) unter Rotation und Druck in die Befestigungsstruktur (18) eingetrieben wird, so dass der Schaft (16) die Befestigungsstruktur durchdringt, wobei das Verbindungselement (12) nach Durchdringen der Befestigungsstruktur an einer Matrize (24) unter Reibung erweicht und umgeformt wird, die entgegen der Eintreibrichtung an der Befestigungsstruktur (18) angelegt wird, so dass sich eine über die radiale Ausdehnung des Schaftes (16) hinaus erstreckende Verdickung (26) ergibt, wobei die Befestigungsstruktur zwischen Kopf (14) und Verdickung (26) formschlüssig gehalten wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes umfassend eine Befestigungsstruktur und ein thermoplastisches Verbindungselement.
- Die
DE 10 2013 209 634 A1 betrifft ein Befestigungselement für ein Faserverbundbauteil. Dieses Befestigungselement umfasst einen thermoplastischen Kunststoffbereich. Aus dem thermoplastischen Befestigungselement wird durch Warmumformen, insbesondere durch Heißstemmen, eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Faserverbundwerkstoff hergestellt. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilverbindung anzugeben, sowie ein Befestigungselement.
- In bekannter Weise umfasst die Befestigungsstruktur wenigstens eine Bauteillage, in welcher das Verbindungselement fixiert wird. Das Verbindungselement weist einen Kopf und einen Schaft auf.
- Gemäß der Erfindung wird das Verbindungselement unter Rotation und Vortrieb in die Befestigungsstruktur eingetrieben, so dass der Schaft die Befestigungsstruktur durchdringt. Nach Durchdringen der Befestigungsstruktur wird das Verbindungselement unter Reibung an einer Matrize erweicht und umgeformt.
- Die Matrize wird dazu entgegen der Eintreibrichtung an die Befestigungsstruktur angelegt. Durch die derartige Einbringung der Reibungsenergie wird das Verbindungselement lokal erweicht und umgeformt, so dass sich eine über die radiale Ausdehnung des Schaftes hinaus erstreckende Verdickung ergibt. Die Matrize wird nach einer Erstarrungsdauer des Thermoplasts von der Verbindungsstelle wieder entfernt. Das Verbindungselement ist so formschlüssig an der Befestigungsstruktur befestigt.
- Die Verwendung der Reibeenergie zum Erweichen des Verbindungselements hat den Vorteil, dass rein mechanisch angetriebene Setzanlagen verwendet werden. Entsprechende Matrizen und Antriebswerkzeuge weisen daher einen niedrigen Komplexitätsgrad auf.
- Vorzugsweise ist zur Verbindung ein Schaft mit einer Spitze, insbesondere einer Dornspitze, vorgesehen. So wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens, bei welchem wenigstens eine Bauteillage aus thermoplastbasiertem Werkstoff gebildet ist, so gestaltet, dass das Verbindungselement unter Rotation und Druck eine nicht vorgelochte Bauteillage durch Reibung erwärmt. Auf diese Weise kann das Verbindungselement die Bauteillage fließlochformend durchdringen. Somit kann in einem Arbeitsschritt das Lochformen und Verbinden des Verbindungselements mit der Befestigungsstruktur erfolgen.
- So kann ein Verbindungselement eine vorgelochte Metallplatte mit einer Bauteillage aus thermoplastbasiertem Werkstoff verbinden.
- Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung mit einer Befestigungsstruktur, die wenigstens zwei Bauteillagen aus thermoplastbasiertem Werkstoff aufweist, eingesetzt werden. Auf diese Weise kann nicht nur das Verbindungselement mit der Befestigungsstruktur, sondern auch die Bauteillagen der Befestigungsstruktur miteinander gefügt werden.
- Dieses Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn die Bauteillagen aus faserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff oder Faser-Kunststoff-Verbunden mit thermoplastischer Matrix gebildet sind. Durch das Fließlochformen wird ein schonender Eintreibvorgang ermöglicht, der eine Verletzung der Fasern vermeidet.
- In vorteilhafter Weise kann die Matrize erwärmt beziehungsweise beheizt werden, was eine Reduzierung von Taktzeiten zur Folge hat.
- Zur Unterstützung des Lochform-Vorgangs kann vorgesehen sein, dass die Befestigungsstruktur zusätzlich durch ein Heizelement vorgewärmt wird. Eine weitere Durchdringungshilfe kann gegeben sein, wenn die Befestigungsstruktur mit Ultraschall, Induktion, Infrarot oder Heißgas angeregt wird.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein thermoplastisches Verbindungselement, das einen Kopf und einen gewindelosen Schaft, der insbesondere in einer Spitze endet, aufweist. Vorzugsweise weist der Schaft eine Schmelztemperatur von mehr als 340 °C, wodurch ein fließlochformendes Durchdringen herkömmlicher Faserverbund-Werkstoffe ermöglicht wird.
- Mit einem Verbindungselement mit einer solchen Schmelztemperatur kann eine Verbindung mit den gängigsten thermoplastischen Faserverbund-Kunststoff-Werkstoffen hergestellt werden. Durch die entsprechend hoch gewählte Schmelztemperatur kann gewährleistet werden, dass das Verbindungselement das Erweichen der Befestigungsstruktur ermöglicht ohne selbst erweicht und umgeformt zu werden. Die zum Erweichen des Verbindungselements verwendete Matrize hat eine gegenüber dem Verbindungselement höhere Schmelztemperatur.
- Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Verbindungselement selbst faserverstärkt, insbesondere kurzfaserverstärkt, ist.
- In einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese eine Bauteilverbindung umfassend eine Befestigungsstruktur mit wenigstens einer Bauteillage aus thermoplastbasiertem Werkstoff, wobei die Befestigungsstruktur von einem thermoplastischen Verbindungselement durchsetzt ist, das mit seinem einen Antrieb aufweisenden Kopf am oberen Ende der Befestigungsstruktur anliegt und an seinem unteren Ende eine Erweiterung gebildet ist, die an der dem Kopf gegenüberliegenden Fläche der Befestigungsstruktur anliegt.
- Insbesondere ist die Befestigungsstruktur aus wenigstens zwei Bauteillagen aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, wobei die Bauteillage mit der höchsten Schmelztemperatur eine geringere Schmelztemperatur aufweist als das thermoplastische Verbindungselement.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
- In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
-
1 einen Zustand während des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens, und -
2 eine erfindungsgemäß hergestellte Bauteilverbindung. -
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei welchem ein Verbindungselement12 umfassend einen Kopf14 und einen Schaft16 in eine Befestigungsstruktur18 eingebracht wird. Die Befestigungsstruktur18 umfasst zwei Materiallagen20 ,22 , die aus einem thermoplastischen Faserverbund-Kunststoff hergestellt sind. Das Verbindungselement12 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Werkzeugs unter Rotation und Vortrieb in die Befestigungsstruktur18 eingebracht. Der Schaft16 endet in einer Spitze, die für eine fließlochformende Durchdringung der Materiallagen20 ,22 sorgt. An der in Eintreibrichtung gegenüberliegenden Seite der Befestigungsstruktur18 ist eine Matrize24 angelegt, gegen welche das Verbindungselement12 während des Verbindungsvorgangs verfahren wird. Während des Fügeverfahrens wird die Befestigungsstruktur18 zwischen einem nicht dargestellten Niederhalter und der Matrize24 geklemmt. - Die Matrize
24 weist eine Formausnehmung auf, die in diesem Ausführungsbeispiel kalottenartig dargestellt ist. Das Andrücken des Verbindungselements12 unter Rotation und Druck an die Matrize24 führt dazu, dass Reibungsenergie zur lokalen Erwärmung des Schafts16 , insbesondere der Spitze, bereitgestellt wird. Diese ist so hoch, dass der Schaft16 teilweise aufschmilzt, wonach die Schmelze den durch die Matrize24 gebildeten Hohlraum ausfüllt. Nach vollständigem Erweichen des in die Matrize24 eingeführten Schaftteils wird die Rotation des Verbindungselements12 eingestellt. Das erweichte und umgeformte Material des thermoplastischen Verbindungselements12 erstarrt im Anschluss daran in Form einer Verdickung und legt das Verbindungselement12 formschlüssig am Bauteilverbund18 fest. -
2 zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte Bauteilverbindung28 umfassend zwei aufeinanderliegende thermoplastische Faserverbund-Kunststofflagen20 ,22 , die über ein thermoplastisches Verbindungselement12 zwischen Kopf14 und Verdickung26 zusammengehalten werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013209634 A1 [0002]
Claims (13)
- Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes umfassend eine Befestigungsstruktur (
18 ), umfassend wenigstens eine Bauteillage (20 ,22 ) und ein thermoplastisches Verbindungselement (12 ), aufweisend einen Kopf (14 ) und einen Schaft (16 ), wobei das Verbindungselement (12 ) unter Rotation und Druck in die Befestigungsstruktur (18 ) eingetrieben wird, so dass der Schaft (16 ) die Befestigungsstruktur durchdringt, wobei das Verbindungselement (12 ) nach Durchdringen der Befestigungsstruktur an einer Matrize (24 ) unter Reibung erweicht und umgeformt wird, die entgegen der Eintreibrichtung an der Befestigungsstruktur (18 ) angelegt wird, so dass sich eine über die radiale Ausdehnung des Schaftes (16 ) hinaus erstreckende Verdickung (26 ) ergibt, wobei die Befestigungsstruktur zwischen Kopf (14 ) und Verdickung (26 ) formschlüssig gehalten wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (
18 ) aus Bauteillagen (20 ,22 ) aus thermoplastischem Kunststoff gebildet ist, wobei das unter Rotation und Druck in den Bauteilverbund (18 ) eingetriebene Verbindungselement (12 ) den thermoplastischen Kunststoff unter Reibungswärme aufschmilzt und so fließlochformend die Befestigungsstruktur (18 ) durchdringt. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bauteillage (
20 ,22 ) aus faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff gebildet ist. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (
18 ) wenigstens zwei Bauteillagen (20 ,22 ) umfasst. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (
18 ) während des Durchdringens beheizt wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (
18 ) während des Durchdringens mit Ultraschall angeregt wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize auch zusätzlich beheizt beziehungsweise erwärmt werden kann.
- Verbindungselement (
12 ) aus einem thermoplastischen Werkstoff umfassend einen Antrieb aufweisenden Kopf (14 ) und einen gewindelosen Schaft (16 ). - Verbindungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (
16 ) eine Schmelztemperatur von mehr als 340°C aufweist. - Verbindungselement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (
12 ) an seinem dem Kopf (14 ) abgewandten Schaftende eine Spitze aufweist. - Verbindungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (
12 ) kurzfaserverstärkt ist. - Bauteilverbindung (
28 ) umfassend eine Befestigungsstruktur (18 ) mit wenigstens einer Bauteillage (20 ,22 ), wobei die Befestigungsstruktur (18 ) von einem thermoplastischen Verbindungselement (12 ) durchsetzt ist, das mit seinem einen Antrieb aufweisenden Kopf (14 ) an einer ersten Fläche der Befestigungsstruktur (18 ) anliegt und an seinem dem Kopf (14 ) abgewandten Ende eine Erweiterung (26 ) bildet, die an der dem Kopf (14 ) gegenüberliegenden Fläche der Befestigungsstruktur (18 ) anliegt. - Bauteilverbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (
16 ) des thermoplastischen Verbindungselements (12 ) eine höhere Schmelztemperatur hat als die Bauteillage (20 ,22 ) der Befestigungsstruktur (18 ) mit der höchsten Schmelztemperatur.
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