DE102016202744A1

DE102016202744A1 - Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus einem Trägerteil und einem Gewindeelement sowie Baugruppe aus einem Trägerteil und einem Gewindeelement

Info

Publication number: DE102016202744A1
Application number: DE102016202744.1A
Authority: DE
Inventors: Axel Frohwein
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2017-08-24

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus einem Trägerteil (10) aus faserverstärktem Kunststoff und einem zumindest teilweise darin eingebetteten Gewindeelement (16) weist folgende Schritte auf: Tränken eines faserförmigen Verstärkungsmaterials (12) mit einem fließfähigen Kunststoff (14) zur Bildung des Trägerteils (10); Bereitstellen des Gewindeelements (16), das ein Außengewinde (20) aufweist; zumindest teilweises Einschrauben des Gewindeelements (16) in den zähweichen Kunststoff (14) des noch nicht ausgehärteten Trägerteils (10); und Aushärten des Trägerteils (10) mit darin eingebettetem Gewindeelement (16). Zudem wird eine Baugruppe aus einem Trägerteil (10) aus faserverstärktem Kunststoff und einem zumindest teilweise darin eingebetteten Gewindeelement (16), das zumindest abschnittsweise mit einem Außengewinde (20) versehen ist, beschrieben, wobei das Trägerteil (10) ein in eine Kunststoffmatrix eingebettetes Verstärkungsmaterial (12) in Form wenigstens einer Gewebematte (13) aus Endlosfasern aufweist, deren Faserstruktur im Bereich des Gewindeelements (16) intakt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus einem Trägerteil aus faserverstärktem Kunststoff und einem zumindest teilweise darin eingebetteten Gewindeelement. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Baugruppe aus einem Trägerteil aus faserverstärktem Kunststoff und einem zumindest teilweise darin eingebetteten Gewindeelement.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung eines Gewindes in einem Kunststoffteil bekannt.
Die DE 42 27 272 A1 beschreibt beispielsweise ein Gewindeeinsatzelement mit einem selbstschneidenden Außengewinde, das in ein vorgebohrtes Loch in einem Kunststoffkörper eingeschraubt wird.
Aus der DE 199 18 683 A1 ist es bekannt, ein Gewindeeinsatzelement direkt in einer Spritzgussform für das Trägerteil zu befestigen und anschließend mit flüssigem Kunststoff zu umspritzen.
Die DE 10 2007 060 081 A1 wiederum offenbart einen Gewindeeinsatz aus Kunststoff, der in ein vorgebohrtes Loch in einem Trägerteil eingesetzt wird, indem der Kunststoff der Lochwand zumindest teilweise mittels Ultraschall aufgeschmolzen und anschließend der Gewindeeinsatz axial eingedrückt wird.
Diese bekannten Verfahren haben, insbesondere im Fall eines Trägerteils aus faserverstärktem Kunststoff, diverse Nachteile. Beim Einschrauben eines Gewindeeinsatzes mit selbstschneidendem Außengewinde in eine Bohrung im Trägerteil werden die Verstärkungsfasern beim Einbringen der Bohrung durchtrennt und zudem am Rand der Bohrung durch die Flanken des Außengewindes beschädigt. Daher ist die Widerstandskraft eines derartigen Gewindeeinsatzes gegen Auszugskräfte begrenzt. Außerdem entstehen bei Ausübung einer Zugkraft auf den Gewindeeinsatz Scherkräfte, die an den Gewindeflanken die anliegenden Kunststoffbereiche beschädigen können, weshalb ein solcher Gewindeeinsatz lediglich eine geringen Widerstand gegenüber einem Ausdrehmoment aufweist.
Beim Umspritzen eines Gewindeeinsatzes hingegen ist die Fertigung vergleichsweise kompliziert. Zuerst müssen die Gewindeeinsatzelemente gegossen und anschließend noch der Kunststoff um die Elemente per Spritzguss angefügt werden. Bei Einbindung eines solchen Gewindeeinsatzes in eine Verstärkungsfasermatte mittels Spritzgießen besteht keine direkte Verbindung zwischen den Verstärkungsfasern und dem Gewindeeinsatz.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus einem Trägerteil und einem darin eingebetteten Gewindeelement sowie eine solche Baugruppe bereitzustellen, das bzw. die die genannten Nachteile vermeidet.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist dazu ein Verfahren der eingangs genannten Art die folgenden Schritte auf:

a) Tränken eines faserförmigen Verstärkungsmaterials mit einem fließfähigen Kunststoff zur Bildung des Trägerteils;
b) Bereitstellen des Gewindeelements, das ein Außengewinde aufweist;
c) zumindest teilweises Einschrauben des Gewindeelements in den zähweichen Kunststoff des noch nicht ausgehärteten Trägerteils; und
d) Aushärten des Trägerteils mit darin eingebettetem Gewindeelement.

Erfindungsgemäß wird das Gewindeelement bereits vor dem Aushärten des Trägerteils in dieses eingeschraubt, solange der Kunststoff des Trägerteils noch fließfähig ist. Es ist also nicht vorgesehen, ein bereits ausgehärtetes Trägerteil teilweise wieder aufzuschmelzen, sondern das Gewindeelement wird in das noch nicht vollständig ausgehärtete Trägerteil eingebracht, bei dem sich das Kunststoffmaterial noch im Verformungsvorgang befindet. Daher wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Faserstruktur des Verstärkungsmaterials nicht oder kaum zerstört, da die verwendeten Fasern, beispielsweise Glasfasern oder Kohlefasern, im noch nicht gehärteten Zustand des Trägerteils zumindest ein Stück weit „ausweichen” und sich um das Gewindeelement herumlegen können.
Vorteilhaft ist zudem die gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte Fertigung, da die benötigten Gewinde direkt beim Fertigen des Trägerteils eingebracht werden, ohne dass man das Trägerteil zuerst erstarren lassen muss, um dann in den festen Werkstoff ein Gewinde zu schneiden. Dadurch verkürzt sich auch die Fertigungszeit. Da die Verbindung zudem vor Feuchtigkeit geschützt ist, ist darüber hinaus ein vollständiger Korrosionsschutz gegeben.
Zur Fertigung des Trägerteils durch Tränken des Verstärkungsmaterials mit fließfähigem Kunststoff kann ein nahezu beliebiges, an sich bekanntes Verfahren zum Einsatz kommen, etwa ein Infusionsverfahren, insbesondere unter Vakuum, ein Laminier-Verfahren, ein Pressverfahren, insbesondere Nasspressverfahren, oder ein Injektionsverfahren (sogenanntes Resin Transfer Molding).
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Verstärkungsmaterial um wenigstens eine Gewebematte, insbesondere aus Endlosfasern, insbesondere wobei die Gewebematte mehrschichtig ausgebildet ist. Dadurch wird eine besonders hohe Festigkeit erreicht. Alternativ ist auch die Verwendung eines Geleges möglich, auch Kurzfasern sind prinzipiell denkbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen zwischen einander zugewandten Gewindeflanken benachbarter Gewindegänge des Außengewindes Fasern der Gewebematte, insbesondere liegen Fasern jeweils einer von mehreren übereinanderliegenden Einzelmatten in einem eigenen Gewindegang. Auf diese Weise wird ein besonders hoher Widerstand des Gewindeelements gegen Auszugskräfte erreicht.
Insbesondere handelt es sich bei dem fließfähigen Kunststoff des Trägerteils um einen thermoplastischen Kunststoff. Das Gewindeelement wird dann in das noch nicht vollständig ausgekühlte Trägerteil eingeschraubt, das sich noch im thermischen Verformungsvorgang befindet.
Vorteilhaft bleibt beim Einschrauben des Gewindeelements die Faserstruktur des Verstärkungsmaterials intakt, und Fasern werden durch das Gewindeelement seitlich verschoben. Dabei legen sich die Fasern um das Außengewinde des Gewindeelements herum, was zu einer höheren Verstärkungsfaserdichte im Gewindegrund des Außengewindes und somit zu einer erhöhten Festigkeit führt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Gewindeelement einen Befestigungsabschnitt auf, der nach dem Einschrauben aus dem Trägerteil herausragt. An diesem kann z. B. eine Mutter festgelegt werden, um das Trägerteil mit einem weiteren Bauteil zu verbinden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Gewindeelement ein zusätzliches Außen- oder Innengewinde aufweisen, auf bzw. in das ein Befestigungselement, insbesondere eine Schraube, auf- bzw. eingedreht werden kann. Auch dies dient der Festlegung des Trägerteils an einem weiteren Bauteil.
Um das Einschrauben in den zähweichen Kunststoff des Trägerteils zu erleichtern und eine Zerstörung der Verstärkungsfasern zumindest weitgehend zu verhindern, weist das Gewindeelement vorzugsweise eine konisch zulaufende Spitze auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Außengewinde des Gewindeelements einen Flankenwinkel im Bereich von 10° bis 50°, insbesondere im Bereich von 20° bis 40°, auf. Dadurch lässt sich eine gute Schneidwirkung des insbesondere selbstschneidend ausgebildeten Außengewindes realisieren, ähnlich wie bei einer Holzschraube.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Baugruppe aus einem Trägerteil aus faserverstärktem Kunststoff und einem zumindest teilweise darin eingebetteten Gewindeelement, das zumindest abschnittsweise mit einem Außengewinde versehen ist, wobei das Trägerteil ein in eine Kunststoffmatrix eingebettetes Verstärkungsmaterial in Form wenigstens einer Gewebematte aus Endlosfasern aufweist, deren Faserstruktur im Bereich des Gewindeelements intakt ist. Dadurch wird eine erhöhte Festigkeit des Gewindeelements im Trägerteil erreicht, insbesondere weist dieses einen hohen Widerstand gegenüber Auszugskräften auf.
Vorzugsweise liegt im Gewindegrund des Außengewindes eine höhere Verstärkungsfaserdichte vor als im übrigen Trägerteil, wodurch sich eine Spannungskonzentration am gewünschten Ort ergibt. Abhängig von der Anzahl der Drehungen beim Einschrauben des Gewindeelements in das noch weiche Material des Trägerteils kann die Faserkonzentration auch in der Höhe variieren.
Weiterhin gelten sämtliche mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren genannten Weiterbildungen und Vorteile auch für die erfindungsgemäße Baugruppe und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigt:
1 eine das erfindungsgemäße Verfahren illustrierende Teillängsschnittansicht eines Trägerteils sowie eines Gewindeelements, die zu einer erfindungsgemäßen Baugruppe zusammengefügt werden; und
2 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Baugruppe.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Trägerteil 10 gefertigt (siehe 1), indem ein faserförmiges Verstärkungsmaterial 12 in Form einer mehrschichtigen, aus mehreren übereinanderliegenden Einzelmatten gebildeten Gewebematte 13 aus Endlosfasern mit einem fließfähigen thermoplastischen Kunststoff 14 getränkt wird.
Zudem wird ein Gewindeelement 16 bereitgestellt, das einen Schraubabschnitt 18 mit einem selbstschneidenden Außengewinde 20 aufweist. Bevor der Kunststoff 14 des Trägerteils 10, insbesondere durch vollständiges Abkühlen, ausgehärtet ist, wird das Gewindeelement 16 mit seinem Schraubabschnitt 18 in das noch zähweiche Material des Trägerteils 10 eingeschraubt. Beim Einschrauben des Gewindeelements 16 bleibt die Faserstruktur des Verstärkungsmaterials 12 intakt, da die Fasern durch das Gewindeelement 16 seitlich verschoben werden (siehe auch 2).
Erst danach wird das Trägerteil 10 mit dem darin eingebetteten Gewindeelement 16 ausgehärtet und bildet mit diesem eine Baugruppe.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist das Außengewinde 20 mehrere Gewindegänge 22 mit Gewindeflanken 24 auf, wobei der Flankenwinkel α im Bereich von 10° bis 50°, insbesondere im Bereich von 20° bis 40°, im gezeigten Beispiel bei ca. 28° liegt. Daher weist das Außengewinde 20 eine starke Einschneidwirkung auf, ähnlich wie eine Holzschraube. Nach dem Einschrauben des Gewindeelements 16 liegen zwischen einander zugewandten Gewindeflanken 24 benachbarter Gewindegänge 22 Fasern der Gewebematte 13 des Verstärkungsmaterials 12, wobei insbesondere Fasern jeweils einer Einzelmatte in einem eigenen Gewindegang 22 liegen, wodurch je Gewindeflanke 24 eine Einzelmatte trägt.
Das Gewindeelement 16 weist weiterhin einen Befestigungsabschnitt 26 auf, der einstückig an den Schraubabschnitt 18 angeformt ist und nach dem Einschrauben aus dem Trägerteil 10 herausragt. Am Befestigungsabschnitt 26 kann z. B. eine Mutter festgelegt werden, so dass hier ein Außengewinde vorgesehen sein kann.
Auch kann das Gewindeelement 16, insbesondere der Befestigungsabschnitt 26, ein zusätzliches Innengewinde 27 aufweisen, in das ein Befestigungselement, z. B. eine Schraube, eingedreht werden kann.
An dem beim Einschrauben dem Trägerteil 10 zugewandten Ende des Gewindeelements 16 ist eine konisch zulaufende Spitze 28 vorgesehen, die das Eindringen in das zähweiche Material des noch nicht ausgehärteten Trägerteils 10 erleichtert und zudem eine Zerstörung der Fasern des Verstärkungsmaterials 12 verhindert.
Nach dem Einschrauben und Aushärten ist der Schraubabschnitt 18 des Gewindeelements 16 vollständig in das von einer Kunststoffmatrix umgebene Verstärkungsmaterial 12 eingebettet, wobei im Gewindegrund 30 des Außengewindes 20 eine höhere Verstärkungsfaserdichte vorliegt als im übrigen Trägerteil 10, wie 2 entnommen werden kann. So kommt es zu einer Konzentration der Fasern im Gewindegrund 30, wodurch ein Ausziehen des Gewindeelements 16 aus dem Trägerteil 10 zuverlässig verhindert wird. Vorzugsweise trägt je Gewindeflanke 24 eine Einzelmatte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4227272 A1 [0003]
DE 19918683 A1 [0004]
DE 102007060081 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aus einem Trägerteil (10) aus faserverstärktem Kunststoff und einem zumindest teilweise darin eingebetteten Gewindeelement (16), gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Tränken eines faserförmigen Verstärkungsmaterials (12) mit einem fließfähigen Kunststoff (14) zur Bildung des Trägerteils (10); b) Bereitstellen des Gewindeelements (16), das ein Außengewinde (20) aufweist; c) zumindest teilweises Einschrauben des Gewindeelements (16) in den zähweichen Kunststoff (14) des noch nicht ausgehärteten Trägerteils (10); und d) Aushärten des Trägerteils (10) mit darin eingebettetem Gewindeelement (16).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verstärkungsmaterial (12) um wenigstens eine Gewebematte (13), insbesondere aus Endlosfasern, handelt, insbesondere wobei die Gewebematte (13) mehrschichtig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einander zugewandten Gewindeflanken (24) benachbarter Gewindegänge (22) des Außengewindes (20) Fasern der Gewebematte (13) liegen, insbesondere dass Fasern jeweils einer von mehreren übereinanderliegenden Einzelmatten in einem eigenen Gewindegang (22) liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem fließfähigen Kunststoff (14) des Trägerteils (10) um einen thermoplastischen Kunststoff handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschrauben des Gewindeelements (16) die Faserstruktur des Verstärkungsmaterials (12) intakt bleibt und Fasern durch das Gewindeelement (16) seitlich verschoben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeelement (16) einen Befestigungsabschnitt (26) aufweist, der nach dem Einschrauben aus dem Trägerteil (10) herausragt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeelement (16) ein zusätzliches Gewinde (27) aufweist, auf oder in das ein Befestigungselement, insbesondere eine Schraube, auf- bzw. eingedreht werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeelement (16) eine konisch zulaufende Spitze (28) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (20) des Gewindeelements (16) einen Flankenwinkel (α) im Bereich von 10° bis 50°, insbesondere im Bereich von 20° bis 40°, aufweist.
Baugruppe aus einem Trägerteil (10) aus faserverstärktem Kunststoff und einem zumindest teilweise darin eingebetteten Gewindeelement (16), das zumindest abschnittsweise mit einem Außengewinde (20) versehen ist, wobei das Trägerteil (10) ein in eine Kunststoffmatrix eingebettetes Verstärkungsmaterial (12) in Form wenigstens einer Gewebematte (13) aus Endlosfasern aufweist, deren Faserstruktur im Bereich des Gewindeelements (16) intakt ist.
Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Gewindegrund (30) des Außengewindes (20) eine höhere Verstärkungsfaserdichte vorliegt als im übrigen Trägerteil (10).