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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Für die Verbindung von Bauteilen, insbesondere von Faserverbundbauteilen, sind verschiedene Verfahren bekannt. So können die Bauteile mittels Nieten, Schrauben oder anderer Verbindungsmittel miteinander verbunden werden. Hierbei ist üblicherweise die Materialwahl entscheidend, um eine aufgrund von ungünstigen Materialkombinationen verursachte Korrosion an den Bauteilen und damit eine lokale Schwächung ihrer Festigkeit zu verhindern.
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Alternativ ist der Einsatz von Klebstoffen bekannt, um zwei Bauteile stoffschlüssig miteinander zu fügen. Es ist jedoch zu beobachten, dass insbesondere im Bereich der Klebung das in der Regel weichere Klebstoffmaterial eine lokale Schwachstelle der ansonsten hochfesten Steifigkeit der zu verbindenden Bauteile bewirken kann. Zusätzlich erfordert eine Klebung mit handelsüblichen Klebstoffen eine teils aufwendige und gründliche Oberflächenvorbehandlung der Klebestellen vor dem Klebstoffauftrag.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die genannten Nachteile zu reduzieren und eine möglichst feste Verbindungsanordnung für zwei Bauteile, insbesondere für Faserverbundbauteile, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Verbindungsanordnung gemäß Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
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Demnach wird eine Verbindungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten Bauteil vorgeschlagen, welche formschlüssig mittels eines Verbindungselements miteinander verbundenen sind. Zusätzlich ist das Verbindungselement aus einer Faser-Matrix-Pressmasse gebildet.
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Vorzugsweise ist die Faser-Matrix-Pressmasse ein SMC (Sheet Moulding Compound) Halbzeug und/oder ein BMC (Bulk Moulding Compound) Halbzeug.
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Als SMC Halbzeug wird üblicherweise eine Pressmasse, das sogenannte Sheet Moulding Compound, aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix verstanden, wobei die Verstärkungsfasern beispielsweise aus Glasfasern oder Kohlefasern bestehen und eine typische Länge zwischen 10 und 50 mm aufweisen. Als Matrix kommt in der Regel eine duroplastische Kunststoffmatrix zum Einsatz. Positive Ergebnisse konnten unter anderem mit Epoxidharze oder Vinylesterharz erzielt werden. Ein SMC Halbzeug liegt meist lagenförmig in einem zähflüssigen, gelatineartigen bis nahezu honigartigen Zustand vor und lässt sich durch Druck- und Temperaturbeaufschlagung in eine gewünschte Form des Verbindungselements pressen und aushärten.
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Auch ein BMC Halbzeug, das sogenannte „Bulk Moulding Compound”, ist eine Pressmasse, welche dieselben Fasermaterialien und Matrixmaterialien umfassen kann, wie das SMC Halbzeug. Im Unterschied dazu ist jedoch eine Faserlänge der im BMC Halbzeug eingesetzten Verstärkungsfasern kürzer, üblicherweise beträgt diese zwischen 0,1 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mm. Das BMC Halbzeug liegt in der Regel ebenfalls als formlose Pressmasse in einem zähflüssigen, gelatineartigen bis nahezu honigartigen Zustand vor und lässt sich durch Druck- und Temperaturbeaufschlagung in eine gewünschte Form des Verbindungselements pressen und aushärten.
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Die Verwendung der Faser-Matrix-Pressmasse ermöglicht das erste und das zweite Bauteil unter Verwendung des Verbindungselements formschlüssig miteinander zu verbinden, wobei sich aus der beschriebenen Materialwahl einer Faser-Matrix-Pressmasse mehrere Vorteile ergeben. Es versteht sich, dass die formschlüssige Verbindung erst aufgrund des erzeugten Verbindungselements entsteht. Die beiden Bauteile greifen dagegen nicht formschlüssig ineinander.
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Aufgrund des gewählten Materials für das Verbindungselement ist eine Herstellung der Verbindung besonders einfach, indem die Faser-Matrix-Pressmasse lokal angeordnet und in die gewünschte Form gepresst und ausgehärtet werden kann. Beim Pressen fließt das fließfähige Material in eventuelle Hohlräume und/oder Hinterschneidungen der Bauteile und stellt nach dem Aushärten eine entsprechend formschlüssige Verzahnung mit den Bauteilen her, welche die formschlüssige Verbindung definiert. Das Verfahren wird nachfolgend noch im Detail beschrieben.
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Zusätzlich bietet sich eine derartige Verbindungsanordnung auch für das Fügen von korrosionsanfälligen Bauteilen, beispielsweise aus Faserverbundmaterial, an, da aufgrund der vergleichbaren oder zumindest ähnlichen Materialeigenschaften der Faser-Matrix-Pressmasse eine Korrosion mit dem Faserverbundmaterial der Bauteile im Gegensatz zu Verbindungsmittel aus Metall, wie Schrauben oder Nieten, unterbleibt.
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Zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung kann das Verbindungselement mindestens eines der beiden Bauteile zumindest lokal hintergreifen. Dies bedeutet, dass die fließfähige Faser-Matrix-Pressmasse beim Pressen eine Geometrie des Bauteils zumindest lokal derart umschließt, dass ein Hintergriff zur gegenseitigen Befestigung entsteht.
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Des Weiteren kann mindestens eines der beiden Bauteile eine Ausnehmung umfassen, in welche das Verbindungselement zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung eingreift. Selbstverständlich können aber auch beide Bauteile jeweils eine Ausnehmung aufweisen. Vorzugsweise ist in jedem Bauteil jeweils eine Anordnung vorgesehen, die miteinander fluchtend angeordnet sind, so dass sich das Verbindungselement durch beide Ausnehmungen hindurch erstrecken kann. So ist es möglich, dass die fließfähige Faser-Matrix-Pressmasse beim Pressen in die Ausnehmungen eindringt und so in eine Geometrie des entsprechenden Bauteils eingreift oder diese sogar formschlüssig hintergreifen kann.
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Beispielsweise kann das Verbindungselement einen schaftförmigen Abschnitt und/oder mindestens einen Kopfabschnitt zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung umfassen.
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Der schaftförmige Abschnitt kann dazu genutzt werden, in die Ausnehmung eines oder beider Bauteile einzugreifen, insbesondere sich in diese hinein oder hindurch zu erstrecken, und somit eine formschlüssige Verbindung zu ermöglichen.
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Alternativ oder zusätzlich können der eine oder mehrere Kopfabschnitte vorgesehen werden, um (jeweils) eine lokale, kopfförmige Querschnittserweiterung zu erzeugen, die als Hinterschnitt ebenfalls zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung dient. Vorzugsweise ist ein Kopfabschnitt an einem entfernten Ende eines Fortsatzes, beispielsweise an dem schaftförmigen Abschnitt des Verbindungselements, angeordnet.
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Anschaulich beschrieben, kann das Verbindungselement gemäß einer weiteren Ausführungsform im wesentlichen „Nietenförmig” ausgeführt sein und hierzu den schaftförmigen Abschnitt sowie einen ersten Kopfabschnitt an einem ersten Ende und optional einen zweiten Kopfabschnitt an einem gegenüberliegenden zweiten Ende des schaftförmigen Abschnitts aufweisen, um entsprechend die beiden Bauteile miteinander zu verbinden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, eines der beiden Bauteile einstückig mit dem Verbindungselement auszubilden. Dies bedeutet, dass das entsprechende (erste) Bauteil und das Verbindungselement einstückig als gemeinsames Bauteil und materialeinheitlich hergestellt sind. Demnach ist nicht nur das Verbindungselement, sondern auch das Bauteil aus der Faser-Matrix-Pressmasse, also beispielsweise als SMC- oder BMC-Bauteil, ausgeführt, wobei das Verbindungselement als definierter Abschnitt zum formschlüssigen Verbinden mit dem weiteren (zweiten) Bauteil vorgesehen ist.
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Des Weiteren kann mindestens eines der beiden Bauteile aus einem Kunststoffmaterial, einem faserverstärkten Kunststoffmaterial oder einem Metall gefertigt sein. Selbstverständlich können auch beide Bauteile aus den gleichen Materialien oder aber aus verschiedenen Materialien bestehen.
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Zusätzlich kann das Verbindungselement zum Bereitstellen einer zusätzlichen stoffschlüssigen Verbindung einen Verbindungsabschnitt umfassen, welcher flächig mit einer ersten Verbindungsoberfläche des ersten Bauteils und einer zweiten Verbindungsoberfläche des zweiten Bauteils verbunden ist. Dies bedeutet, dass der Verbindungsabschnitt als „Klebeschicht” zwischen der ersten und zweiten Verbindungsoberfläche platziert ist und diese miteinander durch Klebung stoffschlüssig verbindet. Dies bedeutet außerdem, dass der Verbindungsabschnitt einstückig, also einteilig und materialeinheitlich, mit dem Verbindungselement ausgebildet ist, so dass das Verbindungselement sowohl die formschlüssige Wirkung als auch die stoffschlüssige Wirkung bereitstellt. Die stoffschlüssige Wirkung erhöht die Festigkeit der formschlüsigen Verbindung deutlich. Zudem bewirkt diese bauteilintegrale Kombination beider Verbindungsarten in einem einzigen Verbindungselement zusätzlich eine signifikante Erhöhung der Festigkeit der gesamten Verbindungsanordnung, insbesondere auch gegenüber separaten Verbindungsausführungen.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Verbindungsanordnung bereitgestellt, mit mindestens den folgenden Schritten:
- – definiertes Anordnen des ersten und des zweiten Bauteils sowie der Faser-Matrix-Pressmasse,
- – Pressen zumindest der Faser-Matrix-Pressmasse und Härten zum Erzeugen eines Verbindungselements aus der Faser-Matrix-Pressmasse, um das erste (11) und das zweite Bauteil (12) mittels des Verbindungselements (13) formschlüssig miteinander zu verbinden.
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Beispielsweise werden die beiden Bauteile bereits in der gewünschten späteren Anordnung zueinander positioniert. Zusätzlich wird die Faser-Matrix-Pressmasse im Bereich einer gewünschten Verbindungsstelle, entweder auf oder zwischen den beiden Bauteilen angeordnet. Der Ablauf kann also analog zu einem Niet-Prozess erfolgen, mit dem Unterschied, dass das Verbindungselement erst durch den Pressvorgang geformt wird. Ein Pressen und Aushärten kann hierbei entweder lokal lediglich im Bereich der Verbindungsstelle oder gemeinsam mit einem oder beiden Bauteilen in einem Presswerkzeug erfolgen.
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Hierzu kann beispielsweise der Schritt des Anordnens ein Einlegen zumindest eines der beiden Bauteile und ein Einbringen der Faser-Matrix-Pressmasse in ein Presswerkzeug umfassen.
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Zusätzlich oder alternativ umfasst der Schritt des Anordnens ein Einbringen einer Anzahl von Faser-Matrix-Pressmassen und der Schritt des Pressens ein gleichzeitiges Pressen der Anzahl von Faser-Matrix-Pressmassen zum Erzeugen einer Anzahl von Verbindungselementen. Es können zwei oder aber auch mehr als zwei Bauteile vorgesehen werden, die jeweils mit einem oder mehreren der anderen Bauteile verbunden werden sollen. Entsprechend können die Bauteile zueinander positioniert und die Faser-Matrix-Pressmassen an den gewünschten Verbindungsstellen auf oder zwischen den zu verbindenden Bauteilen angeordnet sein, um im Rahmen des Pressvorgangs zu dem jeweiligen Verbindungselement verpresst und ausgehärtet zu werden.
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Zusammenfassend lässt sich also mit Hilfe des Einsatzes der Faser-Matrix-Pressmasse ein Fügeprozess für zwei oder mehr Bauteile bereitstellen, der die Verwendung eines schubweichen Klebstoff ersetzen und damit die Gesamtsteifigkeit der gesamten Verbindungsanordnung deutlich erhöhen kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine Verbindungsanordnung 10 mit einem ersten 11 und einem zweiten Bauteil 12, welche formschlüssig mittels eines Verbindungselements 13 miteinander verbundenen sind. Das Verbindungselement 13 ist aus einer Faser-Matrix-Pressmasse, beispielsweise einem SMC (Sheet Moulding Compound) Halbzeug und/oder einem BMC (Bulk Moulding Compound) Halbzeug, gebildet.
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Zusätzlich ist das Verbindungselement 13 derart ausgeführt, dass dieses sowohl das erste 11 als auch das zweite Bauteile 12 zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung hintergreift. Hierzu umfasst das Verbindungselement 13 an beiden Enden eines schaftförmigen Abschnitts 13b jeweils einen Kopfabschnitt 13a zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung.
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Entsprechend umfassen das erste 11 und das zweite Bauteil 12 jeweils eine Ausnehmung 14, 15, die im Wesentlichen fluchtend zueinander angeordnet sind und in welche das Verbindungselement 13 zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung eingreift. Dies geschieht durch den im Wesentlichen schaftförmigen Abschnitt 13b des Verbindungselements 13, welcher sich stiftähnlich durch die zueinander fluchtend angeordneten Ausnehmungen 14, 15 hindurch erstreckt. Das Verbindungselement 13 umfasst somit den schaftförmigen Abschnitt 13 und zwei Kopfabschnitte 13a, die an den beiden entgegengesetzt zueinander angeordneten Enden des schaftförmigen Abschnitts 13b angeordnet sind. Entsprechend weist das Verbindungselement 13 gemäß der Darstellung einen im Wesentlichen nietenförmigen Aufbau mit formschlüssiger Verbindungswirkung zum Verbinden und Fixieren der beiden Bauteile 11, 12 zueinander auf.
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Als Werkstoff der Bauteile 11, 12 sind verschiedene Materialien geeignet. Beispielsweise können ein oder beide Bauteile 11, 12 aus einem Kunststoffmaterial, einem faserverstärkten Kunststoffmaterial und/oder einem Metall gefertigt sein.
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Optional kann das Verbindungselement 13 zum Bereitstellen einer zusätzlichen stoffschlüssigen Verbindung einen Verbindungsabschnitt 13c umfassen, welcher flächig mit einer ersten Verbindungsoberfläche 11a des ersten Bauteils 11 und einer zweiten Verbindungsoberfläche 12a des zweiten Bauteils 12 verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt 13c ist im Wesentlichen plattenförmig oder scheibenförmig ausgebildet und erstreckt sich zwischen den beiden Verbindungsoberflächen 11a, 12a, um diese zusätzlich miteinander stoffschlüssig zu verbinden. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Verbindungsabschnitt 13c in radialer Richtung von dem schaftförmigen Abschnitt 13b weg.
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Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Verbindungselement 13 aber auch mit einem der beiden Bauteile, beispielsweise dem ersten 11 oder dem zweiten Bauteil 12, einstückig ausgebildet sein.
