DE102016201795A1

DE102016201795A1 - Verbindungselement mit Schaumkernpuffer zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen

Info

Publication number: DE102016201795A1
Application number: DE102016201795.0A
Authority: DE
Inventors: Reiner Nico Behrendt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-06
Also published as: CN107191455B; CN107191455A; DE102016201795B4

Abstract

Um ein Verbindungselement zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen, wobei zumindest eines der beiden Fügeteile einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, in Bezug auf die Festigkeit des resultierenden Bauteils weiter zu verbessern, wird vorgeschlagen, ein expandierbares oder bereits expandiertes, schaumartiges Material derart auszubilden und derart innerhalb einer Kavität durch das Verbindungselement hindurch anzuordnen, dass das expandierbare oder bereits expandierte, schaumartige Material vor und/oder nach der Wärmeeinwirkung von in die Kavität eindringendem Material des ersten Fügeteils zusammenpressbar ist bzw. zusammengepresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen, wobei ein erstes Fügeteil einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, wobei das Verbindungselement als Reibnagel oder Stanzniet oder Halbhohlstanzniet oder Setzbolzen ausgebildet ist, wobei das Verbindungselement an einem ersten stirnseitigen Ende ein Kopfteil aufweist, wobei von dem Kopfteil ein stiftförmiger Abschnitt des Verbindungselements absteht, wobei durch den stiftförmigen Abschnitt des Verbindungselements hindurch mindestens eine Kavität angeordnet ist, wobei in dieser Kavität ein bei Wärmeeinwirkung expandierbares oder bereits expandiertes, schaumartiges Material angeordnet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein gefügtes Bauteil, insbesondere ein Karosseriebauteil oder Anbauteil, für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen mittels eines Verbindungselements.
Stand der Technik
Bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen werden zum Beispiel leichtere Konstruktionen im Karosseriebereich immer wichtiger. Hierfür ermöglichen unterschiedlichste Materialpaarungen vielfältige Karosseriestrukturen, die ein Kraftfahrzeug trotz steigender Anforderungen an Fahrzeugsicherheit und Insassenkomfort leichter machen. Voraussetzung hierfür sind speziell angepasste Verbindungstechniken zur Verbindung der aus zumeist unterschiedlichen Materialien bestehenden Karosserieteile. Beispielsweise ist bekannt, Karosserien in Mischbauweise aus Stahl, Aluminium, thermoplastischen Kunststoffen, Magnesium sowie faserverstärkten Kunststoffen (FVK) herzustellen. Als Faserverbundwerkstoffe finden vor allem kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) Anwendung.
Fahrwerk- und Karosserieteile aus Stahl werden üblicherweise mittels klassischer Schweißverfahren, beispielsweise Widerstandspunktschweißen und MIG-Schweißen (Metall-Intergas-Schweißen), miteinander verbunden. Fügetechnologien zur Verbindung von unterschiedlichen Materialpaarungen, beispielsweise von stahlaufweisenden Teilen mit aluminiumaufweisenden Teilen, basieren bekannterweise auf mechanischen und thermischen Fügeverfahren. Beispielsweise ist bekannt, stahlaufweisende Teile mit aluminiumaufweisenden Teilen mittels Stanznieten, Nageln, Schrauben und Clinchen miteinander zu verbinden. Diese Verfahren setzen teilweise das Einbringen von vorherigen Bohrungen oder Hilfsfügeelementen voraus. Des Weiteren ist bekannt, stahlaufweisende Teile mit aluminiumaufweisenden Teilen durch zusätzliche Verbindungselemente mittels Widerstandsschweißen miteinander zu verbinden. Sofern kein selbstaustanzendes Element verwendet wird, ist eine Vorloch-Operation notwendig, um die Verbindungselemente in das aluminiumaufweisende Teil einzusetzen. FVK-Bauteile werden üblicherweise mittels Schrauben, Stanznieten oder durch Reibnageln miteinander verbunden. Beim Reibnageln dringt ein rotierender Reibnagel durch zumindest eines der zu fügenden Bauteile hindurch und erzeugt durch die dabei auftretende Reibwärme und den hohen axialen Druck eine stoffschlüssige Verbindung der Fügepartner.
Bei der Verwendung derartiger Verfahren zum Verbinden von metallaufweisenden Fügeteilen mit Fügeteilen aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) oder beim Verwenden von zwei FVK-Bauteilen werden die Faserstrukturen des FVK-Bauteils zumindest bereichsweise durch das Einbringen von Bohrungen, Nieten oder Schrauben zerstört. Des Weiteren erschweren mehrstoffliche Fügeprozesse, beispielsweise durch das vorherige Einbringen von Bohrungen die Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses. Auch bei der Verwendung von Reibnägeln, Nieten und Bolzen zum Fügen von FVK-Bauteilen werden Schäden im FVK-Material verursacht. Im FVK-Material selbst entstehen vor allem durch Delaminationsprozesse Mikrohohlräume, die zu einer Reduktion der Festigkeit der Verbindung führen.
In der DE 10 2009 013 200 A1 wird der Einsatz einer Baugruppe aus gefügten Bauelementen im Fahrzeug- oder Karosseriebau mit Verbindungsmitteln zum Verbinden der Bauelemente beschrieben, wobei eine erste Verbindung der Bauelemente mittels einer mechanischen Verbindungstechnik vorgesehen ist und wobei eine zweite Verbindung der Bauelemente mittels einer stoffschlüssigen Fügetechnik vorgesehen ist.
In der US 2010/0088880 A1 und der US 2003/0167620 A1 werden Nietverbinder zum Verbinden von flächigen Bauteilen beschrieben, wobei die Nietverbinder einen Hohlraum aufweisen, in welchem ein Klebemittel angeordnet ist. Das Klebemittel kann durch Öffnungen aus den Nieten austreten und eine Klebeverbindung mit den flächigen Bauteilen herstellen.
Die DE 10 2009 053 848 A1 betrifft einen Nagel zum drehungsfreien axialen Eintreiben in mindestens ein nicht vorgelochtes Bauteil. Der Nagel umfasst einen Nagelkopf und einen Nagelschaft. Des Weiteren wird in der DE 10 2009 053 848 A1 vorgeschlagen, dass eine durch das Eintreiben des Nagels mit wenigstens einem Bauteil in Kontakt kommende Oberfläche des Nagels zumindest teilweise mit einer Klebstoffschicht versehen sein kann.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungselement zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen, wobei zumindest ein Fügeteil einen faserverstärkten Kunststoff (FVK) aufweist, zur Verfügung zu stellen, wodurch eine besonders hohe Festigkeit der resultierenden Bauteile gegenüber bekannten Verbindungselementen erreicht wird und sogleich die Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses weiter verbessert wird.
Hierfür wird erfindungsgemäß ein Verbindungselement zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen mittels mechanischen Fügens vorgeschlagen, wobei ein erstes Fügeteil einen faserverstärkten Kunststoff aufweist. Das Verbindungselement kann als Reibnagel, Stanzniet, Halbhohlstanzniet oder Setzbolzen ausgebildet sein. Bevorzugterweise ist das Verbindungselement als Reibnagel ausgebildet. An einem ersten stirnseitigen Ende weist das Verbindungselement ein Kopfteil auf. Vom Kopfteil erstreckt sich ein stiftförmiger Abschnitt des Verbindungselements. Dieser stiftförmige Abschnitt des Verbindungselements wird im Sinne dieser Erfindung auch als Schaft bezeichnet.
Durch den stiftförmigen Abschnitt bzw. durch den Schaft des Verbindungselements hindurch ist mindestens eine Kavität angeordnet, wobei in dieser mindestens einen Kavität ein bei Wärmeeinwirkung expandierbares oder bereits expandiertes, schaumartiges Material angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das schaumartige Material dabei derart ausgebildet und derart innerhalb der Kavität angeordnet, dass das schaumartige Material vor und/oder nach der Wärmeeinwirkung von in die Kavität eindringendem Material des ersten Fügeteils, das heißt von FVK-Material, zusammenpressbar ist oder zusammengepresst wird. Unter schaumartigem Material ist im Sinne dieser Erfindung ein aufschäumbares, bereits teilweise aufgeschäumtes, sowie auch ein bereits vollständig aufgeschäumtes Material zu verstehen. Beispielsweise ist diesbezüglich Kunststoffschaum zu nennen.
Die beiden Fügeteile sind dabei im Wesentlichen flächig, zumindest bereichsweise flächig, ausgebildet. Das erste Fügeteil ist als FVK-Bauteil ausgebildet und weist somit FVK-Material, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder glasfaserverstärkten Kunststoff, auf. Das zweite Fügeteil kann ebenfalls als FVK-Bauteil ausgebildet sein oder Metall, insbesondere Aluminium oder Stahl aufweisen.
Die zumindest eine Kavität ist durch den stiftförmigen Abschnitt bzw. den Schaft des Verbindungselements hindurch angeordnet und offen ausgebildet, sodass das Material des ersten Fügeteils, das heißt FVK-Material, in die Kavität eindringen kann. Durch das Ausüben einer axial gerichteten Kraft auf das Verbindungselement bzw. auf den Kopfteil des Verbindungselements und Rotieren des Verbindungselements wird das Verbindungselement in die beiden Fügeteile hineingetrieben und durchstößt somit zumindest eines der beiden Fügeteile. Bevorzugterweise wird das Verbindungselement derart angeordnet, dass dieses auch das zweite Fügeteil vollständig durchstößt oder zumindest tief in dieses eindringt. Bei diesem Prozess wird Reibwärme erzeugt, die dafür sorgt, dass sich das schaumartige Material, welches sich innerhalb der Kavität durch das Verbindungselement befindet, ausdehnt.
Das schaumartige Material ist dabei aber derart ausgebildet und derart innerhalb der Kavität angeordnet, dass zwar ein Gegendruck gegen das in die Kavität eindringende FVK-Material, das heißt das Material des ersten Fügeteils, erzeugt wird, aber das schaumartige Material von dem FVK-Material zusammengepresst wird. Das schaumartige Material wird somit während und/oder nach dem Hineintreiben in die beiden Fügeteile durch das Material des ersten Fügeteils bzw. durch das FVK-Material innerhalb der Kavität komprimiert.
Dadurch, dass sich das Material des ersten Fügeteils bzw. das FVK-Material ausdehnt und durch die Öffnungen hindurch in die Kavität eindringt und das schaumartige Material zusammenpresst, entsteht innerhalb der Kavität bzw. im Bereich der Öffnungen der Kavität eine vorteilhafte Hinterschnittbildung, wodurch eine hohe Festigkeit der Fügeverbindung erreicht wird.
Das Vorsehen des schaumartigen Materials in der Kavität durch das Verbindungselement hindurch sowie auch das Fügen mittels Reibnageln, Stanznieten, Halbhohlstanznieten oder Bolzensetzen mit einem solchen Verbindungselement kann in einfacher Weise automatisiert in einem Fertigungsprozess verwendet werden. Der Kopfteil des Verbindungselements ist im Bereich des ersten stirnseitigen Endes angeordnet. Im Bereich des gegenüberliegenden, das heißt des zweiten, stirnseitigen Endes, ist der stiftförmige Abschnitt, das heißt der Schaft, des Verbindungselements bevorzugterweise im Wesentlichen spitz ausgebildet. Der Durchmesser des stiftförmigen Abschnitts ist bevorzugterweise an jeder Stelle kleiner als der Durchmesser oder die Breite des Kopfteils. Der Durchmesser des stiftförmigen Abschnitts nimmt zumindest im unteren Bereich, das heißt im Bereich des zweiten stirnseitigen Endes, bevorzugterweise ab und läuft im Wesentlichen spitz, das heißt zu einem spitzen Winkel, zu. Im Bereich zwischen den beiden stirnseitigen Enden kann der stiftförmige Abschnitt im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein.
Bevorzugterweise ist die Kavität röhrenförmig ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass die Kavität durch den stiftförmigen Abschnitt des Verbindungselements hindurch als röhrenförmiger Hohlraum ausgebildet ist. Hierfür ist der stiftförmige Abschnitt zumindest bereichsweise massiv ausgebildet. Der röhrenförmig ausgebildete Hohlraum bzw. die röhrenförmig ausgebildete Kavität ist durch den massiven Teil des stiftförmigen Abschnitts hindurch angeordnet. Hierfür kann die Kavität während der Herstellung des Verbindungselements, zum Beispiel während des Kaltschlagens, oder aber durch nachträgliches Bohren durch den schaftförmigen Abschnitt des Verbindungselements hindurch, eingebracht werden. Vorteilhafterweise weist der röhrenförmige Hohlraum bzw. die röhrenförmig ausgebildete Kavität einen runden Querschnitt auf. Dies hat den Vorteil, dass das schaumartige Material in Form eines Schaumstifts in einfacher Weise eingesetzt werden kann.
Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Kavität über eine gesamte Breite und/oder einen gesamten Durchmesser des stiftförmigen Abschnitts durch diesen hindurch angeordnet ist. Die Kavität erstreckt sich somit bevorzugterweise entlang der Breite bzw. des Durchmessers verlaufend und im Wesentlichen parallel zum Kopfteil des Verbindungselements durch die gesamte Breite des stiftförmigen Abschnitts hindurch. Dabei weist der röhrenförmig ausgebildete Hohlraum bzw. die röhrenförmig ausgebildete Kavität zwei Öffnungen an dessen Enden in der Wand des stiftförmigen Abschnitts zum Durchlass des Materials des ersten Fügeteils auf. Besonders bevorzugterweise weist die im Wesentlichen röhrenförmig ausgebildete Kavität eine Länge auf, welche der Breite bzw. dem Durchmesser des stiftförmigen Abschnitts in diesem Bereich entspricht.
Die bevorzugterweise röhrenförmig ausgebildete Kavität weist vorteilhafterweise über einen Großteil deren Länge eine konstante Breite, einen konstanten Durchmesser und/oder einen konstanten Querschnitt auf. Besonders bevorzugterweise ist dabei vorgesehen, dass die röhrenförmige Kavität über mindestens 70 % deren Länge, ganz besonders bevorzugterweise über mindestens 80 % deren Länge, eine konstante Breite, einen konstanten Durchmesser und/oder einen konstanten Querschnitt aufweist.
Das schaumartige Material ist vollständig innerhalb der Kavität angeordnet. Darunter ist zu verstehen, dass das schaumartige Material nicht aus den Öffnungen der Kavität heraussteht bzw. herausragt. Somit kann ein Herausreißen bzw. Zerstören des schaumartigen Materials beim Setzen bzw. Einbringen des Verbindungsmittels in die Fügeteile vermieden werden. Bevorzugterweise werden die Öffnungsbereiche innerhalb der Kavität freigelassen. Hierunter ist zu verstehen, dass das schaumartige Material bevorzugterweise nur abschnittsweise innerhalb der Kavität angeordnet ist, derart, dass im Bereich der beiden Öffnungen kein schaumartiges Material angeordnet ist. Besonders bevorzugterweise ist das schaumartige Material innerhalb der Kavität über nicht mehr als 90 % der Länge der Kavität angeordnet.
Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass das schaumartige Material innerhalb der Kavität einen Puffer ausbildet, derart, dass sich das innerhalb der Kavität durch das Material des ersten Fügeteils zusammengepresste schaumartige Material bei Wärmeeinwirkung ausdehnt und durch das Austreten des Materials des ersten Fügeteils aus der Kavität dadurch innerhalb der Kavität freiwerdende Bereiche auffüllt. Somit ist das schaumartige Material innerhalb der Kavität als eine Art Schaumpuffer bzw. Gegendruckkissen ausgebildet.
In der Automobilfertigung werden die gefügten Fügeteile bzw. die resultierenden Karosserieteile üblicherweise mittels eines kathodischen Tauchlackierungsprozesses (KTL-Prozess) verarbeitet, wobei die Fügeteile auf Temperaturen von bis zu 195° Celsius erhitzt werden. Bei dieser Wärmeeinwirkung von außen dehnt sich das Material eines der beiden Fügeteile oder beider Fügeteile aus. Beispielsweise dehnt sich dabei insbesondere das Aluminium-Material aus, wobei das FVK-Material des ersten Fügeteils mit auseinandergezogen wird. Das Material des ersten Fügeteils folgt somit der Bewegung des Materials des zweiten Fügeteils. Dabei tritt das FVK-Material zumindest teilweise wieder aus der Kavität heraus. Währenddessen dehnt sich das vorher zusammengepresste schaumartige Material bzw. Schaummaterial ebenfalls aus und füllt freiwerdende Bereiche innerhalb der Kavität aus. In einer anschließenden Abkühlphase tritt der umgekehrte Prozess ein. Das Material des zweiten Fügeteils zieht sich zusammen, wobei das FVK-Material dieser Bewegung folgt und somit zumindest wieder teilweise zurück in die Kavität hineindringt. Dabei wird das schaumartige Material innerhalb der Kavität wieder vom eintretenden FVK-Material des ersten Fügeteils zusammengepresst. Das schaumartige Material kann somit als eine Art „atmender Schaumpuffer“ angesehen werden, welcher die Delta-Alpha-bedingten FVK-Materialverschiebungen im ersten Fügeteil ausgleicht. Unter delta-alpha-bedingten Bewegungen werden dabei Ausdehnungen und Schrumpfungen von Materialien entsprechend des jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verstanden.
Das schaumartige Material kann in unterschiedlichen Formen und Zuständen innerhalb der Kavität angeordnet werden. Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das schaumartige Material in Form einer nicht vollständig ausgehärteten Polymermasse zusammen mit einem Treibmittel oder zusammen mit expandierbaren Mikrosphären innerhalb der Kavität angeordnet ist. Unter „nicht vollständig ausgehärtet“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Polymermasse überhaupt noch nicht gehärtet oder zumindest nur vorgehärtet ist. Die Polymermasse ist somit noch nicht vollständig aufgeschäumt. Beim Setzen des Verbindungselements bzw. beim Eintreiben des Verbindungselements in die Fügeteile bzw. bei einem späteren Prozessschritt mit erhöhter Temperatur schäumt die Polymermasse auf bzw. härtet vollständig aus. Als besonders geeignete Polymermasse dient zum Beispiel Polyurethan oder Epoxid-Harz. Bei Verwendung von Polyurethan dient besonders bevorzugterweise Wasser als geeignetes Treibmittel. Bei Verwendung von Epoxid-Harz fördern besonders bevorzugterweise expandierbare Mikrosphären die Aufschäumung der Polymermasse innerhalb der Kavität. Die Verwendung von verschiedenen Polymermassen als schaumartiges Material, je nach FVK-Matrix, hat den besonderen Vorteil, dass Polymermassen gewählt werden können, die dem Polymer der FVK-Matrix chemisch ähnlich sind. Dadurch können Grenzflächenprobleme zwischen dem schaumartigen Material und dem Material des ersten Fügeteils bzw. dem FVK-Material reduziert oder sogar vermieden werden.
Alternativerweise könnte das schaumartige Material in Form eines ausreagierten Polyurethan-Schaums (PUR-Schaum) oder in Form eines Polyisocyanurat-Schaums (PIR) innerhalb der Kavität angeordnet sein. Unter „ausreagiert“ ist im Sinne dieser Erfindung zu verstehen, dass der PUR-Schaum oder PIR-Schaum bereits vollständig aufgeschäumt bzw. vollständig ausgehärtet innerhalb der Kavität angeordnet ist. Da sowohl der PIR-Schaum und der PUR-Schaum eine gewisse Affinität zu duromeren FVK-Materialien aufweisen, können Grenzflächenprobleme zwischen dem schaumartigen Material und dem FVK-Material des ersten Fügeteils zumindest reduziert werden.
Des Weiteren kann das schaumartige Material alternativerweise in Form eines thermoplastischen Polymer-Schaums innerhalb der Kavität angeordnet sein. Hierunter ist ein ausreagierter und fertiger Polymer-Schaum zu verstehen. Als Polymere hierfür können daher insbesondere Polyphenylensulfide (PPS), Polyethersulfone (PES), Polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Cycloolefine-Copolymere (COC), Polyacrylnitril (PAN), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Polycarbonate (PC), mit physikalischen Treibmitteln schäumbare Fluorpolymere, Polystyrole, sowie Derivate, Mischungen und Copolymere von diesen verwendet werden. Diese Auflistung stellen Beispiele dar und sollen die Anwendung anderer Polymere in keiner Weise begrenzen. Derartige Polymer-Schäume sind besonders kostengünstig herzustellen und in die Kavität einzubringen.
Des Weiteren kann das schaumartige Material in Form eines thermoplastischen Materials zusammen mit einem physikalischen oder chemischen Treibmittel innerhalb der Kavität angeordnet sein. Als physikalisches Treibmittel kann beispielsweise Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff vorgesehen sein. Als chemisches Treibmittel kann beispielsweise Azobis(isobutyronitril) (AIBN) vorgesehen sein. Beim oder nach dem Setzen des Verbindungselements wird das thermoplastische Material zu einem fertigen Schaum aufgeschäumt.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei das Karosserieteil zumindest zwei mittels eines Verbindungselements miteinander verbundene Fügeteile aufweist, wobei das erste Fügeteil einen faserverstärkten Kunststoff aufweist. Erfindungsgemäß ist das Verbindungselement wie vorbeschrieben ausgebildet.
Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Verfahren von mindestens zwei Fügeteilen mittels mindestens eines Verbindungselements vorgesehen, wobei ein erstes Fügeteil einen faserverstärkten Kunststoff aufweist und das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:

a) Anordnen eines bei Wärmeeinwirkung expandierbaren oder bereits expandierten, schaumartigen Materials in zumindest einer Kavität, wobei die Kavität des Verbindungselements durch einen stiftförmigen Abschnitt des Verbindungselements hindurch angeordnet ist; und
b) Ausüben einer axial gerichteten Kraft auf das Verbindungselement; und
c) Rotieren des Verbindungselements, derart, dass eine stoffschlüssige Verbindung mit dem ersten Fügeteil aufgrund der erzeugten Reibwärme entsteht, wobei das schaumartige Material von einem in die Kavität des Verbindungselements eindringenden Material des ersten Fügeteils zusammengepresst wird.

Bei den vorgenannten Verfahrensschritten ist vorgesehen, dass Schritt a) zuerst durchgeführt wird. Die Schritte b) und c) können gleichzeitig oder sich zeitlich überlappend durchgeführt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt ist bevorzugterweise vorgesehen, dass den beiden Fügeteilen Wärme, beispielsweise während der Heizphase eines KTL-Prozesses, zugeführt wird. Dabei zieht sich das FVK-Material des ersten Fügeteils zumindest teilweise aus der Kavität des Verbindungselementes zurück, wobei die freiwerdenden Bereiche innerhalb der Kavität durch das sich ausdehnende schaumartige Material aufgefüllt werden. Beim abschließenden bevorzugten Abkühlprozess dringt FVK-Material des ersten Fügeteils wieder in die Kavität hinein und presst das schaumartige Material innerhalb der Kavität wieder zusammen. Das schaumartige Material bildet somit bevorzugterweise eine Art Schaumkernpuffer zum Ausgleich der Delta-Alpha-bedingten FVK-Materialverschiebungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen schematisch:
1: eine Schnittdarstellung durch ein Verbindungselement,
2a bis 2c: Schnittdarstellungen durch zwei mittels eines Verbindungselements zu verbindende Fügeteile bzw. das daraus resultierende Karosserieteil.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Verbindungselement 100, wobei eine Kavität 16 röhrenförmig durch den Schaft bzw. den stiftförmigen Abschnitt 13 des Verbindungselements 100 vollständig hindurch angeordnet ist. Innerhalb der Kavität 16 ist ein schaumartiges Material 17 derart angeordnet, dass die Öffnungsbereiche bzw. die Bereiche innerhalb der Kavität 16 an den beiden Öffnungen der Kavität 16 freigelassen sind. Damit kann sichergestellt werden, dass das schaumartige Material 17 vollständig innerhalb der Kavität 16 angeordnet ist und nicht aus den Öffnungen der Kavität 16 herausragt.
2a bis 2c zeigen Ausschnitte einer Schnittdarstellung durch zwei miteinander zu verbindende Fügeteile 10, 11 bzw. das durch das Fügen resultierende Karosserieteil 200. Dabei sind einzelne Verfahrensschritte und Zustände in den 2a bis 2c dargestellt.
Das erste Fügeteil 10 weist FVK-Material auf. Das zweite Fügeteil 11 kann ebenfalls FVK-Material oder alternativerweise ein Metall, beispielsweise Aluminium aufweisen. Das Verbindungselement 100 wird unter Ausübung einer axial gerichteten Kraft 18 sowie unter Rotieren 19 in beide Fügeteile 10, 11 hineingetrieben bzw. gesetzt. Dabei wird das schaumartige Material 17 innerhalb der Kavität 16 vom in die Kavität 16 eintretenden FVK-Material des ersten Fügeteils 10 zusammengepresst.
2b zeigt eine anschließende Aufwärmphase, beispielsweise während einer Heizphase eines KTL-Prozesses. Dabei dehnt sich das Material des zweiten Fügeteils 11 sowie das Material des ersten Fügeteils 10 aus. Das Material des ersten Fügeteils 10 tritt gleichzeitig auch wieder zumindest teilweise aus der Kavität 16 heraus, wobei sich das schaumartige Material ausdehnt. Das schaumartige Material füllt dabei die durch das austretende FVK-Material des ersten Fügeteils 10 freiwerdenden Bereiche innerhalb der Kavität 16 auf.
2c zeigt den anschließenden Abkühlprozess. Dabei ziehen sich die Materialien der beiden Fügeteile 10, 11 wieder zusammen. Das FVK-Material des ersten Fügeteils 10 dringt wieder bereichsweise in die Kavität 16 hinein und presst das schaumartige Material 17 wieder innerhalb der Kavität 16 zusammen.
Beim Aufwärmen nach dem Setzen des Verbindungselements 100 sowie anschließendem Abkühlen der miteinander gefügten Fügeteile 10, 11 führen die Materialien der beiden Fügeteile 10, 11 delta-alpha-bedingte Bewegungen aus. Unter delta-alpha-bedingten Bewegungen werden dabei Ausdehnungen und Schrumpfungen von Materialien entsprechend des jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verstanden. Beim Aufwärmen dehnen sich die Materialien der beiden Fügeteile 10, 11 aus. Beim anschließenden Abkühlen ziehen sich die Materialien der beiden Fügeteile 10, 11 wieder zusammen. Das in der Kavität 16 angeordnete schaumartige Material dient dabei als eine Art Schaumkernpuffer und gleicht diese delta-alpha-bedingten Bewegungen aus.
Bezugszeichenliste

100: Verbindungselement
200: Karosserieteil
10: Erstes Fügeteil
11: Zweites Fügeteil
12: Kopfteil des Verbindungselements
13: Stiftförmiger Abschnitt des Verbindungselements
14: Erstes stirnseitiges Ende des Verbindungselements
15: Zweites stirnseitiges Ende des Verbindungselements
16: Kavität
17: Schaumartiges Material/
18: Axial gerichtete Kraft
19: Drehbewegung
20: Durchmesser des stiftförmigen Abschnitts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009013200 A1 [0006]
US 2010/0088880 A1 [0007]
US 2003/0167620 A1 [0007]
DE 102009053848 A1 [0008, 0008]

Claims

Verbindungselement (100) zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen (10, 11) mittels mechanischen Fügens, wobei ein erstes Fügeteil (10) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, wobei das Verbindungselement (100) als Reibnagel oder Stanzniet oder Halbhohlstanzniet oder Setzbolzen ausgebildet ist, wobei das Verbindungselement (100) an einem ersten stirnseitigen Ende (14) ein Kopfteil (12) aufweist, wobei von dem Kopfteil (12) ein stiftförmiger Abschnitt (13) des Verbindungselements (100) absteht, wobei durch den stiftförmigen Abschnitt (13) des Verbindungselements (100) hindurch mindestens eine Kavität (16) angeordnet ist, wobei in dieser mindestens einen Kavität (16) ein bei Wärmeeinwirkung expandierbares oder bereits expandiertes, schaumartiges Material (17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das schaumartige Material (17) derart ausgebildet ist und derart innerhalb der Kavität (16) angeordnet ist, dass das schaumartige Material (17) vor und/oder nach der Wärmeeinwirkung von in die Kavität (16) eindringendem Material des ersten Fügeteils (10) zusammenpressbar ist oder zusammengepresst wird.
Verbindungselement (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (16) röhrenförmig ausgebildet ist
Verbindungselement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (16) über eine gesamte Breite und/oder einen gesamten Durchmesser (20) des stiftförmigen Abschnitts (13) durch diesen hindurch angeordnet ist.
Verbindungselement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaumartige Material (17) nur abschnittsweise innerhalb der Kavität (16) angeordnet ist.
Verbindungselement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaumartige Material (17) innerhalb der Kavität (16) einen Puffer ausbildet, derart, dass sich das innerhalb der Kavität (16) durch das Material des ersten Fügeteils (10) zusammengepresste schaumartige Material (17) bei Wärmeeinwirkung ausdehnt und durch das Austreten des Materials des ersten Fügeteils (10) aus der Kavität (16) innerhalb der Kavität (16) freiwerdende Bereiche auffüllt.
Verbindungselement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaumartige Material (17) in Form einer nicht vollständig ausgehärteten Polymermasse zusammen mit einem Treibmittel oder zusammen mit expandierbaren Mikrosphären innerhalb der Kavität (16) angeordnet ist.
Verbindungselement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaumartige Material (17) in Form eines ausreagierten Polyurethan-Schaums oder Polyisocyanurat-Schaums innerhalb der Kavität (16) angeordnet ist.
Verbindungselement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaumartige Material (17) in Form eines thermoplastischen Polymerschaums innerhalb der Kavität (16) angeordnet ist.
Verbindungselement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schaumartige Material (17) in Form eines thermoplastischen Materials zusammen mit einem physikalischen oder chemischen Treibmittel innerhalb der Kavität (16) angeordnet ist.
Karosserieteil (200) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Karosserieteil (200) zumindest zwei mittels eines Verbindungselements (100) miteinander verbundene Fügeteile (10, 11) aufweist, wobei ein erstes Fügeteil (10) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen (10, 11) mittels mindestens eines Verbindungselements (100), wobei ein erstes Fügeteil (10) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Anordnen eines bei Wärmeeinwirkung expandierbaren oder bereits expandierten, schaumartigen Materials (17) in zumindest einer Kavität (16), wobei die Kavität (16) durch einem stiftförmigen Abschnitt (13) des Verbindungselements (100) hindurch angeordnet ist; und b) Ausüben einer axial gerichteten Kraft (18) auf das Verbindungselement (100); und c) Rotieren des Verbindungselements (100), derart, dass eine stoffschlüssige Verbindung mit dem ersten Fügeteil (10) aufgrund der erzeugten Reibwärme entsteht, und dass das schaumartige Material (17) von einem in die Kavität (16) eindringenden Materials des ersten Fügeteils (10) zusammengepresst wird.