DE102016122563A1

DE102016122563A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Einbringung von Pins zur translaminaren Verstärkung eines Bauteils aus duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen mit und ohne Faserverstärkung

Info

Publication number: DE102016122563A1
Application number: DE102016122563.0A
Authority: DE
Inventors: Julian Hoffmann
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Einbringung von Pins zur translaminaren Verstärkung von duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen mit und ohne Faserverstärkung. Unter Pin im Sinne der Erfindung werden kurze, dünne Stäbe oder Stifte mit einer beliebigen Querschnittsform, aus beliebigem Material und mit einer beliebigen Oberflächenstruktur verstanden.Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine ausreichend wirtschaftliche, extrem flexible sowie ein in der Anschaffung als auch im Einsatz kostengünstige Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Einbringung von Pins in duroplastische und thermoplastische Kunststoffe mit und ohne Faserverstärkung zu ermöglichen.Die an dieser Stelle beschriebene Erfindung beinhaltet ein System zur Einbringung von Pins zur translaminaren Verstärkung von duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen mit und ohne Faserverstärkung. Der grundlegende Aufbau der Erfindung besteht aus einer Sonotrode mit fest installierten vertikalen Stiften, einer oberen Führung mit Hohlnadeln, einer unteren Führung in Form eines Magazins sowie einer Rückführeinheit.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Einbringung von Pins zur translaminaren Verstärkung eines Bauteils aus duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen mit und ohne Faserverstärkung. Unter Pin im Sinne der Erfindung werden kurze, dünne Stäbe oder Stifte mit einer beliebigen Querschnittsform, aus beliebigem Material und mit einer beliebigen Oberflächenstruktur verstanden.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) besitzen aufgrund ihres mikrostrukturellen Aufbaus aus lasttragenden Faserwerkstoffen und der formgebenden Matrix sehr gute mechanische Eigenschaften in der Laminatebene. Ein anderes Bild zeigt sich, wenn eine Struktur aus FKV senkrecht zur Laminatebene belastet wird. Vor allem Stoß- oder Schlag-Belastungen führen aufgrund der geringen Schlagzähigkeit und der damit einhergehenden Anfälligkeit für Delaminationen sowie der geringen Schadenstoleranz häufig zu Problemen mit der Resttragfähigkeit. Aufgrund ihres typischen schichtweisen Aufbaus sind diese Werkstoffe ebenfalls anfällig für Delaminationen z.B. infolge interlaminarer Scherbeanspruchung. Diese nachteiligen Eigenschaften sind bereits lange bekannt, weshalb heute eine Reihe von Möglichkeiten bestehen, diesen Nachteilen entgegen zu wirken. Häufig angewendete Verfahren sind das Vernähen, Verweben oder das Verstricken von textilen Halbzeugen. Alle Verfahren haben dabei gemeinsam, Fasern in z-Richtung (senkrecht zur Laminatebene) einzubringen und somit die mechanischen Eigenschaften in diese Richtung sowie die Schlagzähigkeit einer Struktur zu verbessern.
In der Fertigung von Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen werden Bauteile sehr häufig aus vorimprägnierten duroplastischen bzw. thermoplastischen Halbzeugen aufgebaut. Die genannten Verfahren zur Verbesserung der oben genannten Eigenschaften sind für vorimprägnierte Halbzeuge jedoch ungeeignet. Die einzige und bereits bewährte Möglichkeit Schlagzähigkeit, Delaminationsverhalten und Schadenstoleranz zu verbessern, ist das sogenannte z-Pinning-Verfahren, bei dem anstatt einzelner Fäden dünne Nadeln in Dickenrichtung (Z-Richtung) in die Struktur eingebracht werden. Z-Pins sind nadelförmige, zumeist runde Stäbe mit Durchmessern von typischerweise 0,1 ... 1,0 mm. Sie bestehen vorzugsweise aus hochfesten und -steifen Materialien wie beispielsweise Titan, Stahl oder CFK (kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe). Zahlreiche Untersuchungen haben bereits gezeigt, dass das z-Pinning eine sehr effektive Methode darstellt, schlaggefährdete (impactgefährdete) Strukturen sowie die interlaminare Risszähigkeit von FKV-Bauteilen gezielt zu verstärken.
Weitere potentielle Einsatzmöglichkeiten liegen in der Anwendung von z-Pins zur Stärkung oder Substituierung von Niet-, Schweiß- oder Klebeverbindungen. Die Verwendung von Aluminium- oder Titannieten ist vor allem In der Luftfahrttechnik verbreitet. Die FKV-Struktur moderner Verkehrsflugzeuge wird heute üblicherweise nicht selten von einigen hunderttausend solcher Nieten zusammengehalten. Diese führen zwar zu einer Stärkung der Fügeverbindung, die benötigten Bohrungen verursachen der Luftfahrtindustrie dabei nicht nur hohe Kosten, sondern wirken sich auch negativ auf die Spannungsverteilung im Werkstoff aus. Die Belastungssituation von Niet- oder Klebverbindungen führt in der Fügeschicht häufig zu Mode-I- bzw. Mode-II-Rissöffnungsbeanspruchungen. Der Einsatz von z-Pins zur Stärkung von Klebverbindungen von Faser-Kunststoff-Verbunden liegt daher, aufgrund des zuvor beschriebenen positiven Einflusses auf die interlaminare Bruchzähigkeit, auf der Hand. Auch im Automobilbau, wo eine rasante Zunahme des Einsatzes von FKV-Werkstoffen prognostiziert wird und sich dadurch vermehrt mit der Frage der Impactsicherheit und der Verbindungsfestigkeit von beispielsweise Karosseriebauteilen auseinandergesetzt werden muss, eröffnen sich weitere Anwendungsfelder. Mit der Luftfahrt- sowie der Automobilindustrie bietet sich daher ein enormes Einsatzpotenzial. Die Voraussetzung für einen flächendeckenden Einsatz der z-Pin-Technologie ist neben dem bereits erbrachten Nachweis der Verbesserung der Impact- und Bruchfestigkeitseigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden durch z-Pins, vor allem die Schaffung der wirtschaftlichen Voraussetzungen z.B. durch die Entwicklung eines schnellen, kostengünstigen und automatisierbaren Einbringprozesses.
Für die Insertion von z-Pins in duroplastische Werkstoffe steht eine Reihe von Verfahren zur Verfügung. Dabei hat sich das sogenannte Ultraschall-Verfahren (UAZ - Ultrasoriically Assisted Z-fiber Process) durchgesetzt und kommt heute überwiegend zur Anwendung. Bei dem in US 5,589,015 B1 patentierten Verfahren ist das zu verpinnende Bauteil wie üblich aus Prepreg-Material aufgebaut. Noch vor der Aushärtung im Autoklaven wird eine sogenannte Preform - ein Schaumstoff, bestehend aus zwei Schäumen unterschiedlicher Dichte, in den die z-Pins in einem vorher definierten Muster und Abstand zueinander bereits eingebracht sind - an der zu verstärkenden Stelle des Bauteils platziert. Die Einbringung erfolgt mit Hilfe eines manuell oder automatisch geführten Ultraschallkopfes. Dieser wird mit einer hochfrequenten Schwingung angeregt und vollzieht gleichzeitig eine translatorische Bewegung in z-Richtung. Bei in Kontakt treten mit den Pins beginnt deren gegenüberliegendes Ende zu schwingen, wodurch der Werkstoff lokal erwärmt und damit aufgeweicht wird. Dies erleichtert die weitere Penetration des Bauteils durch die Pins. Im Anschluss an die Einbringung der z-Pins, muss das Bauteil tiefgefroren werden, um überstehende Pinenden sowie Schaumreste abscheren zu können. Erst im Anschluss kann das verstärkte Bauteil im Autoklaven ausgehärtet werden.
Z-Pins werden, trotz ihres nachweislich vorhandenen Potentials, Materialeigenschaften zu verbessern sowie Strukturgewicht und damit Kosten einzusparen, bisher nur in wenigen technischen Strukturen eingesetzt. Anwendung finden z-Pins heute beispielsweise in Crashzonenbereichen von Rennfahrzeugen, etwa im Überrollbügel oder in der Crashstruktur des Monocoques von Formel-1-Fahrzeugen sowie in der Luftfahrtbranche, vor allem im Bereich der Militärflugzeuge. Die Gründe für den zurzeit noch eingeschränkt stattfindenden Einsatz von z-Pins liegen neben den relativ hohen Kosten zur Beschaffung von z-Pin-Preforms vor allem im Fehlen eines leicht automatisierbaren und in den herkömmlichen Fertigungsprozess integrierbaren sowie kostengünstigen Einbringprozesses. In nahezu allen wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die sich mit dem z-Pinning beschäftigen, wird das zuvor beschriebene Ultraschall-Verfahren zur Einbringung der z-Pins in die verschiedenartigen Prüfkörper eingesetzt. Das aufwendige Entfernen von Pin- und Schaumresten stellt durch den zusätzlichen Zeit und Arbeitsaufwand jedoch einen erheblichen Nachteil des beschriebenen Verfahrens dar.
Die in den Preformschäumen enthaltenen Pins besitzen häufig standardisierte Längen von üblicherweise 10 mm oder 15 mm und sind damit oft um ein Vielfaches länger, als zur vollständigen Penetration des Bauteils notwendig wäre. Prinzipiell lässt sich jedoch mit dem beschriebenen Verfahren auch mit auf die Laminatdicke abgestimmten Pinlängen der Abscherprozess nicht umgehen, da der verwendete Trägerschaum auch nach vollständiger Kompaktierung eine vom Ausgangsmaterial abhängige Resthöhe besitzt. Die Folgen wären eine unvollständige Durchdringung des Pins durch das Laminat und ein ebenfalls auftretender, wenn auch kleinerer Pinüberstand an der Bauteiloberseite, der entfernt werden muss. Zwar gibt es vereinzelt Veröffentlichungen, in denen alternative Einbringverfahren untersucht wurden, jedoch konnte bisher keines dem z-Pinning-Verfahren zu einem Marktdurchbruch außerhalb der genannten Nischenanwendungen verhelfen, da die Umstellung des Einbringprozesses häufig nur durch eine Veränderung der Faserverbundhalbzeuge und/oder den Verzicht der Ultraschallanregung erreicht wurde.
Bereits 1989 ließ sich die Foster-Miller Inc. ein Verfahren patentieren ( US 4,808,461 B1 ), das große Ähnlichkeiten mit dem bereits beschriebenen Ultraschallverfahren besitzt. Die Basis für den vakuumunterstützten Verpinnprozess bilden, analog dem UAZ, Prepregwerkstoffe, welche vor dem Verpinnen auf herkömmliche Weise bis zur gewünschten Bauteildicke geschichtet werden. Preformschäume, welche die z-Pins in der gewünschten Anzahl und Anordnung enthalten, werden vor der Aushärtung an den gewünschten Stellen des Bauteils platziert und der gesamte Aufbau für die Aushärtung im Autoklaven in Vakuumfolie verpackt. Die bei der Aushärtung im Autoklaven herrschende erhöhte Temperatur bewirkt eine temporäre Erweichung des Matrixmaterials während der aufgebrachte Autoklavdruck für ein Zusammenfallen des komprimierbaren Preformschaums sorgt und die Pins auf diese Weise in das Laminat treibt. Das notwendige Abscheren von überstehenden Pin- und Schaumresten ist auch hierbei als Verfahrensnachteil anzusehen. Da die überschüssige Preform im Gegensatz zum UAZ-Verfahren erst nach dem Aushärteprozess entfernt wird, entfällt zwar das Einfrieren des Aufbaus als notwendiger Zwischenschritt, es besteht allerdings die Gefahr, die Oberfläche des fertigen Bauteils bzw. oberflächennahe Fasern zu beschädigen.
Da die Verwendung von Schaumpreforms zwar Handhabungsvorteile im Labormaßstab mit sich bringt, jedoch für die Fertigung von größeren Serien zu viel Aufwand bedeutet, gab es bereits einige Bestrebungen, auf diese zu verzichten und stattdessen beispielsweise wiederverwendbare Metallpreforms zum Einsatz zu bringen. Bei Boeing wurde ein Verfahren entwickelt, welches zwar Schaumpreforms einsetzt, den Kontakt von Schaum und Bauteil durch Einsatz eines gelochten Formunterteils jedoch vermeidet ( US 5,919,413 A ). Das Verpinnwerkzeug besteht aus einem verfahrbaren Kolben und einem Formwerkzeug, welches eine Reihe von Durchgangsbohrungen aufweist. In den Zwischenraum wird eine herkömmliche Schaumpreform eingelegt. Während der Aushärtung wird der Kolben in Richtung Formunterteil verfahren und der Schaum dadurch zusammengedrückt. Die Pins werden in die zugehörigen Löcher der Form getrieben und dringen in das darüber platzierte Laminat ein. Nach erfolgter Aushärtung müssen jedoch auch hier die überstehenden Pins in bekannter Weise abgeschert werden.
Methoden zum Verpinnen von Prepregs, die komplett ohne Preformschäume auskommen, wurden in der Vergangenheit mehrfach vorgestellt. Alle Verfahren haben dabei gemeinsam, dass sich die Pins in einer Formoberseite aus Metall, welche ein Raster aus gebohrten Durchgangslöchern enthält, befinden. In dem in US 8205654 B2 von Choi et al. vorgestellten Verfahren wird in diese Formoberseite eine zweite Metallplatte mit fest installierten Metallnadeln eingefädelt und der gesamte Aufbau anschließend für eine Autoklavaushärtung mit Vakuumfolie verpackt. Analog dem von der Foster Miller Inc. entwickelten vakuumunterstützen Einbringverfahren bewirkt die erhöhte Temperatur im Autoklaven eine temporäre Erweichung des Matrixmaterials und der aufgebrachte Druck schiebt die obere Platte in die Formoberseite und treibt auf diese Weise die Pins in das Laminat.
Ein ähnliches Verfahren wurde von Knaupp et al. entwickelt (Knaupp M., Scharr G.: Manufacturing process and performance of dry carbon fabries reinforced with rectangular and circular z-pins. Journal of Composite Materials, 2013, Vol. 48, pp. 2163-2172). Die Pins werden hierbei jedoch ohne Zuhilfenahme von Ultraschall oder erhöhter Temperatur mithilfe einer Nadel in den FKV-Werkstoff gedrückt, weshalb dieses Verfahren nicht für das z-Pinning von duroplastischen Prepregs bzw. thermoplastischen FKV -Strukturen geeignet ist. Im für die Seoul National University patentierten Verfahren erfolgt die Einbringung der Pins mithilfe von Ultraschall ( KR 101518138 B1 ). Zu diesem Zweck wird die gelochte Formoberseite sowohl mit z-Pins als auch mit sogenannten Push-Pins gefüllt, wobei die Push-Pins aus der Form herausragen. Dieses überstehende Ende wird mithilfe einer Ultraschallsonotrode angeregt und der Schall auf die z-Pins übertragen. Analog dem UAZ-Verfahren kann die Matrix des darunter liegenden FKV-Bauteils erweichen und der Pin in das Laminat eingebracht werden.
Sämtliche dargelegten Verfahren zur Einbringung von z-Pins in Faserverbundkunststoffe stellen eine ausreichende Lösung dar, um das z-Pinning im Labormaßstab betreiben zu können. Eine zufriedenstellende Lösung im Hinblick auf den Einsatz in der Serienproduktion existiert bisher jedoch nicht. Die Nachteile des aufgeführten Standes der Technik bestehen häufig in der aufwendigen Nachbereitung des Bauteils nach dem eigentlichen Verpinnprozess. Darüber hinaus sind viele Einbringverfahren auf den Einsatz für ein spezifisches FKV-Halbzeug beschränkt und lassen sich nicht auf die Anwendung an alternativen Matrixsystemen bzw. Verarbeitungsprozessen anpassen.
Darstellung der Erfindung
Um das z-Pinning nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich interessant zu machen, ist es notwendig auf einen Einbringprozess zurückgreifen zu können, welcher möglichst viele der nachfolgenden Anforderungen erfüllt
Schnelle Einbringung, kurze Taktzeiten
Anwendbar auf verschiedene Matrixsysteme (duroplastische, thermoplastische)
Anwendbar auf trockene und vorimprägnierte Halbzeuge
Geringe Fehleranfälligkeit
Geringe Anschaffungs- und laufende Kosten
Leichte Erlernbarkeit
Gute Automatisierbarkeit
Anwendbarkeit in der Einzelfertigung sowie In der Serienproduktion
Flexible Anwendung von unterschiedlichen Pinmaterialien und - geometrien
Reproduzierbarkeit des Prozesses.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine ausreichend wirtschaftliche, extrem flexible sowie ein in der Anschaffung als auch im Einsatz kostengünstige Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Einbringung von Pins in duroplastische und thermoplastische Kunststoffe mit und ohne Faserverstärkung zu ermöglichen.
Die an dieser Stelle beschriebene Erfindung beinhaltet ein System zur Einbringung von Pins zur translaminaren Verstärkung von duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen mit und ohne Faserverstärkung. Der grundlegende Aufbau der Erfindung besteht aus einer Sonotrode mit fest installierten vertikalen Stiften, einer oberen Führung mit Hohlnadeln, einer unteren Führung in Form eines Magazins sowie einer Rückführeinheit.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einbringung von Pins in ein Bauteil erfolgt unter Verwendung von Ultraschall und enthält eine Vorrichtung, welche eine untere Führung, in welcher die Pins angeordnet sind, und eine Anordnung mit mehreren mit dieser Anordnung verbundenen vertikalen Stiften zum Einbringen der Pins in das Bauteil, wobei sich die Stifte vor, während und nach Einbringen der Pins geschützt in einem Lager vertikal bewegen.
Dabei erfolgt die vertikale Bewegung der Stifte mechanisch (auch händisch), hydraulisch oder pneumatisch.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einbringung von Pins in ein Bauteil erfolgt unter Verwendung von Ultraschall und enthält eine untere Führung, in welcher die Pins angeordnet sind, und eine Anordnung mit mehreren mit dieser Anordnung verbundenen vertikalen Stiften, wobei die Stifte vor, während und nach Einbringen der Pins geschützt in einem Lager vertikal beweglich angeordnet sind.
Die Anordnung ist erfindungsgemäß eine Sonotrode, mit welcher die Stifte fest verbunden sind. Eine obere Führung ist zwischen der Sonotrode und der unteren Führung angeordnet. Die obere Führung weist mehrere matrixförmig angeordnete, durchgehende Lager für die Stifte auf.
In einer Ausführungsform bestehen die Lager aus vertikalen Bohrungen in der oberen Führung und aus sich an die Bohrungen anschließende, fest angeformten vertikalen Hohlnadeln. Die vertikalen Bohrungen korrespondieren mit den Stiften der Sonotrode.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Hohlnadeln an ihrem äußeren, der unteren Führung zugewandtem Ende mit einer Schäftung versehen.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen oberer Führung und Sonotrode mindestens ein Anschlagelement angeordnet. Sind mehrere Anschlagelemente angeordnet, können diese gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt angeordnet sein. Das oder die Anschlagelemente können sowohl mit der oberen Führung als auch mit der Sonotrode direkt verbunden sein. Dazu eignen sich die in dem Ausführungsbeispiel genannten Anordnungen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Anschlagelement ringförmig. Das oder die Anschlagelemente sind fest mit der oberen Führung oder der Sonotrode verbunden oder auswechselbar eingefügt oder vertikal verstellbar angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die obere Führung über mindestens eine Rückführeinheit mit der Sonotrode verbunden. Als Ausgestaltung können zwei oder mehr Rückführeinheiten angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Rückführeinheit mit einer mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Betätigungseinrichtung verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die obere Führung und die untere Führung lösbar miteinander verbunden. Dabei sind die Hohlnadeln der oberen Führung in vertikalen Bohrungen der unteren Führung gelagert und die vertikalen Bohrungen dienen gleichzeitig der Aufnahme der Pins.
In einer weiteren Ausführungsform sind die obere Führung und die untere Führung durch einen Klemm- oder Schraubverschluss oder durch eine Magnetanordnung lösbar miteinander verbunden. Andere, hier nicht aufgeführte, dem Fachmann aber naheliegende lösbare Verbindungen sind mit eingeschlossen.
Das hier beschriebene System macht es möglich, die Zahl der zusätzlichen Prozessschritte bei der Fertigung von z-Pin verstärkten FKV-Bauteilen auf ein Minimum zu reduzieren. Mit der Möglichkeit, das Arbeitsgerät sowohl händisch als auch automatisiert anzuwenden, bietet das System vielfältige Anwendungsmöglichkeiten vom Prototypenbau bis hin zur Serienfertigung. Die Anwendbarkeit beschränkt sich dabei nicht wie sonst üblich auf ein Matrixsystem. Die Erfindung lässt sich vielmehr flexibel für duroplastische sowie thermoplastische Kunststoffe anwenden. Eine Realisierung von unterschiedlichen Pinlängen, Pinabständen sowie Pinmustern lässt sich sehr leicht im Vorfeld des Prozesses über eine entsprechende Bestückung der unteren Führung erreichen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Verfahren bietet sich darüber hinaus die Möglichkeit, die Insertion der Pins bei Erreichen der gewünschten Eindringtiefe gezielt zu stoppen und so einen weiteren Freiheitsgrad im Rahmen der z-Pin Verstärkung zu schaffen. So wird zum ersten Mal ein ausreichend wirtschaftlicher, extrem flexibler sowie ein in der Anschaffung als auch im Einsatz kostengünstiger Prozess zu Einbringung von Pins in duroplastische und thermoplastische Kunststoffe mit und ohne Faserverstärkung vorgestellt.
Figurenliste
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen

1 einen grundlegenden Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 einen Ausschnitt aus 1,
3 eine explosive Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
4 die Vorrichtung mit eingebrachten Pins.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach 1 bis 3 besteht aus einer Sonotrode 1, welche in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Eine obere Führung 2 ist unterhalb der Sonotrode 1 angeordnet und über eine Rückführeinheit 3 mit dieser verbunden. Die Sonotrode 1 ist mit einem Ultraschall-Anschluss 4 verbunden, so dass die Vorrichtung mit einem, hier nicht weiter gezeigten, mobilen, handgeführten oder auch stationären Ultraschallsystem verbunden ist. Die Ultraschallerzeugung findet außerhalb der Vorrichtung statt und ist nicht Teil der Erfindung.
Die Sonotrode 1 hat eine beliebige, dem Ultraschall-Anschluss gegenüberliegende Fläche 100, welche eine beliebige Form haben kann. Auf dieser Fläche 100 ist eine Anzahl von nach unten ragenden vertikalen Stiften 7 matrixförmig fest angeordnet. Vorteilhafterweise ist eine wirtschaftlich sinnvolle Anzahl von Stiften 7 anzuordnen, wobei eine höhere Anzahl eine flexiblere Anwendung ermöglicht.
Die obere Führung 2 ist in ihrer der Sonotrode 1 zugewandten Fläche 201 vorteilhafterweise der Sonotrode 1 angepasst und die nach unten gerichtete Fläche 202 entspricht der Form einer sich daran anschließenden unteren Führung 5. An den äußeren Rändern auf der der Sonotrode 1 zugewandten Fläche 201 der oberen Führung 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mindestens ein Anschlagelement 8 angeordnet. Es kann beispielsweise ein ringförmiges Anschlagelement 8 angeordnet sein oder es können mehrere, gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt liegende Anschlagelemente 8 angeordnet sein. Durch die Anschlagelemente 8 wird ein definierter Abstand zwischen oberen Führung 2 und Sonotrode 1 eingehalten, wodurch die Eindringtiefe der Pins 6 eingestellt wird. Die Anschlagelemente 8 sind entweder fest mit der Fläche 201 verbunden oder sie sind auswechselbar gestaltet, indem sie in die obere Führung 2 eingesetzt sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Anschlagelemente 8 je nach Anwendungsfall ausgewählt werden können. Eine weitere Möglichkeit sind vertikal verstellbar eingebrachte Anschlagelemente 8, beispielsweise aber nicht ausschließlich mittels eines Gewindes, so dass die Höhe der Anschlagelemente 8 eingestellt werden kann. Es ist auch im Sinne der Erfindung, dass das oder die Anschlagelemente 8 an oder in der Sonotrode 1 angeordnet sind.
Zwischen der Sonotrode1 und der oberen Führung 2 befindet sich mindestens eine Rückführeinheit 3. Durch die Rückführeinheit 3 sind Sonotrode 1 und obere Führung 2 miteinander lösbar verbunden. Die Rückführung kann dabei entweder mechanisch (z.B. händisch oder über Federelemente), hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Für ein gleichmäßiges Erreichen der Ausgangsstellung der Sonotrode 1 gegenüber der oberen Führung 2 nach erfolgter Insertion der Pins 6 ist die Anordnung von vorzugsweise zwei oder mehr Rückführeinheiten 3 sinnvoll.
Die obere Führung 2 ist mit matrixförmig angeordneten, durchgehenden vertikalen Bohrungen 203 versehen, welche mit den Stiften 7 der Sonotrode 1 korrespondieren. An diese Bohrungen 203 anschließend sind auf der nach unten gerichteten Fläche 202 Hohlnadeln 9 fest angeformt. Die Hohlnadeln 9 sind an ihrem äußeren Ende 901 mit einer Schäftung versehen. In den Bohrungen 203 der oberen Führung 2 mit ihren an die Bohrungen 203 anschließenden Hohlnadeln 9 bewegen sich die empfindlichen vertikalen Stifte 7 in vertikaler Richtung und werden somit geschützt gelagert. Außerdem erleichtern die Hohlnadeln 9 das Einführen in die untere Führung 5.
Die obere Führung 2 und die untere Führung 5 sind durch eine feste, schnell lösbare Verbindung miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise durch einen Klemmverschluss oder auch durch Verschraubung beider Teile miteinander oder eine jegliche andere Form der Befestigung erfolgen. Dadurch ist ein mobiler Einsatz möglich.
Die untere Führung 5 ist mit matrixförmig angeordneten, durchgehenden vertikalen Bohrungen 501 versehen, welche ihrerseits mit den Hohlnadeln 9 der oberen Führung 2 mit einer Spielpassung korrespondieren. In die Bohrungen 501 der unteren Führung 5 werden die Pins 6, welche auch hier aus den bekannten, vorzugsweise hochfesten und -steifen Materialien, wie beispielsweise Titan, Stahl oder CFK bestehen, in der jeweils benötigten Länge eingebracht. Die Pins 6 können in der unteren Führung 5 durch unterschiedliche Mittel, wie beispielsweise durch Magnete oder mittels die Bohrungen 501 verschließende, aber leicht durch die Pins 6 zu durchstechende Folien gehalten werden. Damit erfüllt die untere Führung 5 die Aufgabe eines Magazins für die zu verarbeitenden Pins 6. Durch die Hohlnadeln 9 wird das Einfädeln der oberen Führung 2 in die untere Führung 5 erleichtert. Sind die obere Führung 2 und die untere Führung 5 miteinander verbunden, ragen die Hohlnadeln 9 in die Bohrungen 501 und schaffen so eine Verbindung zwischen den Pins 6 und den Stiften 7. Wird nun Druck auf die Sonotrode 1 ausgeübt, kommt es zum Kontakt zwischen den Pins 6 und den Stiften 7
Die hier beschriebene Vorrichtung zur Einbringung von Pins wird auf das zu behandelnde Bauteil 10 aufgesetzt. Das Bauteil 10 besteht beispielsweise aus einem schichtweisen Aufbau eines Faser-Kunststoff-Verbunds (FKV) und lasttragenden, mikrostrukturell angeordneten Faserwerkstoffen und einer formgebenden Matrix. Ebenso kann das Bauteil 10 aus einem unverstärkten Kunststoff oder aus ähnlichen Materialien bestehen.
Zum Einbringen von Pins 6 in ein Bauteil 10 wird zunächst die obere Führung 2 auf die untere Führung 5, welche die Pins 6 in der gewünschten Anzahl und dem gewünschten Muster beinhaltet, aufgesetzt und über einen geeigneten, hier nicht gezeigten, Schnellverschluss gesichert. Die gesamte Vorrichtung wird anschließend an der gewünschten Stelle des Bauteils 10 platziert und die vertikalen Stifte 7 mit den Pins 6 durch Druck in Kontakt gebracht. Durch Auslösen des Ultraschalls beginnen die Pins 6 zu schwingen und erweichen den Werkstoff des Bauteils 10 lokal. Durch gleichzeitiges Anlegen einer Kraft in Insertionsrichtung werden die Pins 6 in den das Bauteil 10 getrieben. Die Einbringung der Pins 6 in das Bauteil 10 kann dabei wahlweise vollständig erfolgen, oder bei Erreichen einer gewünschten Tiefe mittels der Anschlagselemente 8 gestoppt werden. Für unterschiedliche Eindringtiefen können die Anschlagselemente 8 entweder ausgetauscht oder, wie weiter oben beschrieben, verstellbar ausgeführt sein. Nach erfolgter Insertion der Pins 6, was in 4 dargestellt ist, wird die Vorrichtung vom Bauteil 10 entfernt und mithilfe der Rückführeinheit 3 wird die Sonotrode 1 in ihre Ausgangsposition gebracht. Die Rückführung kann ggf. durch eine erneute Anregung mit Ultraschall unterstützt werden, um ein Verklemmen der vertikalen Stifte 7 in den Hohlnadeln 9 zu verhindern.
Da es sich bei der vorhergehenden, detailliert beschriebenen Vorrichtung zur Einbringung von Pins 6 zur translaminaren Verstärkung von Bauteilen 10 aus duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen um Ausführungsbeispiele handelt, kann sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Rückführeinheit 3 und der Sonotrode 1 in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
Bezugszeichenliste

1: Sonotrode 100 dem Ultraschall-Anschluss 4 gegenüberliegende Fläche
2: obere Führung 201 der Sonotrode 1 zugewandten Fläche der oberen Führung 2 202 nach unten gerichtete Fläche der oberen Führung 2 203 vertikalen Bohrungen in der oberen Führung 2
3: Rückführeinheit
4: Ultraschall-Anschluss
5: untere Führung 501 vertikalen Bohrungen in der unteren Führung 5
6: Pins
7: vertikale Stifte
8: Anschlagelement
9: Hohlnadeln
10: Bauteil

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

US 5589015 B1 [0005]
US 4808461 B1 [0008]
US 5919413 A [0009]
US 8205654 B2 [0010]
KR 101518138 B1 [0011]

Claims

Verfahren zur Einbringung von Pins (6) zur translaminaren Verstärkung eines Bauteils (10) aus duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen mit und ohne Faserverstärkung unter Verwendung von Ultraschall enthaltend eine untere Führung (5), in welcher die Pins (6) angeordnet sind, und eine Anordnung mit mehreren mit dieser Anordnung verbundenen vertikalen Stiften (7) zum Einbringen der Pins (6) in das Bauteil (10) dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stifte (7) vor, während und nach Einbringen der Pins (6) geschützt in einem Lager vertikal bewegen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Bewegung der Stifte (7) mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgt.
Vorrichtung zur Einbringung von Pins (6) zur translaminaren Verstärkung eines Bauteils (10) aus duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffen mit und ohne Faserverstärkung unter Verwendung von Ultraschall enthaltend eine untere Führung (5), in welcher die Pins (6) angeordnet sind, und eine Anordnung mit mehreren mit dieser Anordnung verbundenen vertikalen Stiften (7) zum Einbringen der Pins (6) in das Bauteil (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (7) vor, während und nach Einbringen der Pins (6) geschützt in einem Lager vertikal beweglich angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Sonotrode (1) ist, mit welcher die Stifte (7) fest verbunden sind, und dass eine obere Führung (2) zwischen der Sonotrode (1) und der unteren Führung (5) angeordnet ist, wobei die obere Führung (2) mehrere matrixförmig angeordnete, durchgehende Lager für die Stifte (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Lager aus mehreren vertikalen Bohrungen (203) in der oberen Führung (2) und aus sich an die Bohrungen (203) anschließende, fest angeformte vertikale Hohlnadeln (9) bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Bohrungen (203) mit den Stiften (7) der Sonotrode (1) korrespondieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadeln (9) an ihrem äußeren, der unteren Führung (5) zugewandtem Ende (901) mit einer Schäftung versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen oberer Führung (2) und Sonotrode (1) mindestens ein Anschlagelement (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anschlagelemente (8) gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagelement (8) ringförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Anschlagelemente (8) fest mit der oberen Führung (2) oder der Sonotrode (1) verbunden oder auswechselbar eingefügt oder vertikal verstellbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die obere Führung (2) über mindestens eine Rückführeinheit (3) mit der Sonotrode (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Rückführeinheiten (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführeinheit (3) mit einer mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Betätigungseinrichtung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die obere Führung (2) und die untere Führung (5) lösbar miteinander verbunden sind, wobei die Hohlnadeln (9) der oberen Führung (2) in vertikalen Bohrungen (501) der unteren Führung (5) gelagert sind und die vertikalen Bohrungen (501) gleichzeitig der Aufnahme der Pins (6) dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die obere Führung (2) und die untere Führung (5) durch einen Klemm- oder Schraubverschluss oder durch eine Magnetanordnung lösbar miteinander verbunden sind.