DE102016210115A1

DE102016210115A1 - Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102016210115A1
Application number: DE102016210115.3A
Authority: DE
Inventors: Paul Jörn; Peter Linde
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2017-12-14
Also published as: US10427358B2; US20200023590A1; CN107470789A; US20170355151A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils mit den Schritten: Positionieren eines ersten Bauteils, welches einen Faserverbundwerkstoff enthält, in einem Überlappstoß mit einem zweiten Bauteil; Laserstrahlbohren eines gemeinsamen Durchgangslochs zumindest durch den Faserverbundwerkstoff des ersten Bauteils; Einsetzen eines Niets in das Durchgangsloch; und Befestigen des Niets mit dem ersten und mit dem zweiten Bauteil. Die Erfindung schafft ferner eine Verwendung eines Laserstrahlbohrprozesses zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils, eine Strukturanordnung mit einer solchen Nietverbindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeughaut sowie eine Fahrzeughaut.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils, eine Verwendung eines Laserstrahlbohrprozesses zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils, eine Strukturanordnung mit einer solchen Nietverbindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeughaut sowie eine Fahrzeughaut.
Obwohl auf beliebige Strukturanordnungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf einen Flugzeugrumpf näher erläutert.
Moderne Flugzeugrümpfe werden oftmals mit Faserverbundmaterialien, zumeist kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, konstruiert. Ein Flugzeugrumpf weist üblicherweise mehrere Hautabschnitte auf, welche zur Montage des Flugzeugrumpfes miteinander verbunden werden. Zur Befestigung der Hautabschnitte miteinander werden üblicherweise Nietverfahren eingesetzt, was oftmals zur Zertifizierung bzw. Zulassung erforderlich ist.
Zum Herstellen einer Nietverbindung zum Verbinden zweier Hautabschnitte 101, 102 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff werden bei einem der Anmelderin bekannten Verfahren Durchgangsbohrungen 103 mit einer händisch positionierten Bohrschablone 106 und einer händisch bedienten Bohrmaschine 105 in die Hautabschnitte 101, 102 eingebracht. Dies ist exemplarisch in 1 dargestellt. Die 2A bis 2C zeigen die typischen Schritte des Bohrens, des Reinigens und des Vernietens zum Herstellen einer solchen Nietverbindung.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Strukturanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und/oder durch eine Fahrzeughaut mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12, und/oder durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

– Ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils, mit den Schritten: Positionieren eines ersten Bauteils, welches einen Faserverbundwerkstoff enthält, in einem Überlappstoß mit einem zweiten Bauteil; Laserstrahlbohren eines gemeinsamen Durchgangslochs zumindest durch den Faserverbundwerkstoff des ersten Bauteils; Einsetzen eines Niets in das Durchgangsloch; und Befestigen des Niets mit dem ersten und mit dem zweiten Bauteil.
– Eine Strukturanordnung, mit einem ersten Bauteil, welches einen Faserverbundwerkstoff enthält, und einem zweiten Bauteil, wobei das erste und das zweite Bauteil mit einer Nietverbindung verbunden sind, welche mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
– Ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeughaut, insbesondere für ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit den Schritten: Bereitstellen eines ersten Bauteils in Form eines ersten Hautabschnitts, welcher ein Faserverbundmaterial enthält; Bereitstellen eines zweiten Bauteils, insbesondere in Form eines zweiten Hautabschnitts oder eines Verbindungsabschnitts zum Verbinden des ersten Hautabschnitts im Stumpfstoß mit einem zweiten Hautabschnitt; und Verbinden des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil mittels einer Nietverbindung, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
– Eine Fahrzeughaut, insbesondere eines Luft- oder Raumfahrzeugs, hergestellt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.
– Eine Verwendung eines Laserstrahlbohrprozesses zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen Laserstrahlbohrprozess zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils einzusetzen.
Auf diese Weise kann der bei beim herkömmlichen Bohren von Faserverbundbauteilen entstehende sehr feine und sich leicht festsetzende Bohrstaub vermieden werden, da das Faserverbundmaterial beim Laserstrahlbohren nicht zerspant, sondern verdampft wird.
Die auf das Material gebündelte Lichtenergie des Laserstrahls wird dazu von dem Faserverbundmaterial absorbiert, d. h. in Wärme umgewandelt, sodass das Material ohne Entstehung von Staub verdampft. Beim Verdampfen expandiert das Materialvolumen im Bohrloch, sodass lokal ein hoher Dampfdruck entsteht. Dieser Dampfdruck treibt dann auch etwaiges aufgeschmolzenes Material aus dem Bohrloch.
Möglich ist auch das Laserstrahlbohren durch eine Laserbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern vorzusehen, sodass das Material insbesondere ohne Materialaufschmelzung aus dem festen Zustand direkt verdampft und so abgetragen wird. Dieser Prozess wird auch als Laserablation bezeichnet.
Erfindungsgemäß kann somit vorteilhaft der zum Herstellen einer Nietverbindung eines Faserverbundbauteils aufgrund des entstehenden Bohrstaubs bisher notwendige Schritt des Reinigens entfallen. Ferner wird die Bearbeitungszeit zum Herstellen einer Nietverbindung stark verkürzt.
Erfindungsgemäß sind unterschiedliche Arten von Laserstrahlbohrprozessen einsetzbar.
Die einfachste Art des Laserstrahlbohrens ist das sogenannte Einzelpulsbohren. Dabei wird mit einem einzigen zeitlich ausreichend langen Laserpuls das Material durchbohrt.
Beim sogenannten Perkussionsbohren wird das Material durch den Beschuss von mehreren Pulsen auf die gleiche Stelle sukzessive abgetragen.
Beim Laserstrahlbohren durch das sogenannte Trepanieren wird der Laserstrahl hingegen um das Zentrum des Bohrlochs geführt und weitet den Durchmesser so sukzessive auf. Zuvor kann mittels Perkussionsbohren ein kleineres Durchgangsloch erzeugt werden.
Beim sogenannten Wendelbohren wird ein Laserstrahl kreisförmig rotierend auf das Werkstück gerichtet. Durch den kreisförmigen Materialabtrag bildet sich nach einigen Umläufen ein Durchgangsloch.
Beim Laserstrahlbohren handelt es sich bei jeder dieser Möglichkeiten um einen im Vergleich zum herkömmlichen Bohren durch Zerspanung sehr schnellen Prozess, welcher nur einen Bruchteil der Zeit, insbesondere nur Sekundenbruchteile, benötigt. Zudem kann so auch der Energieverbrauch pro gebohrtem Loch gesenkt werden.
Ferner ist das Laserstrahlbohren zudem besser automatisierbar oder zumindest teilautomatisierbar, da die Durchgangslöcher mit sehr hoher Wiederholgenauigkeit positionierbar und reproduzierbar sind.
Bei einer vollständigen Automatisierung kann der Schritt des Positionierens einer Bohrschablone wegfallen.
Bei einer Teilautomatisierung, d. h. einer durch einen Bediener gesteuerten Positionierung des Laserstrahlwerkzeugs bzw. einer Laseroptik, kann weiterhin eine Bohrschablone als Positionierungshilfe vorgesehen sein. Beispielsweise kann mit Hilfe eines Suchlasers die Laseroptik auf das in der Bohrschablone vorgesehene Loch ausgerichtet und so zum Laserstrahlbohren positioniert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bohrschablone ortsfest angeordnet sein, sodass die zu verbindenden Bauteile in der gewünschten Position an der Bohrschablone ausgerichtet werden können. In diesem Fall kann das Bohren mehrerer benachbarter Löcher nach dem Ausrichten automatisiert ablaufen.
Bei einer Ausführungsform ist es denkbar, das zweite Bauteil mit vorgebohrten Lochern vorzusehen, so dass das gemeinsame Durchgangsloch mittels Laserstrahldurchbohrens lediglich durch den Faserverbundwerkstoff des ersten Bauteils erzeugbar ist. Insbesondere können derart vorgebohrte Löcher des zweiten Bauteils Senkungen zur bündigen Aufnahme eines Nietkopfs aufweisen.
Bei weiteren Ausführungsformen werden sowohl das erste Bauteil als auch das zweite Bauteil beim Laserstrahlbohren durchbohrt. Das Laserstrahlbohren eines gemeinsamen Durchgangslochs erfolgt dabei durch den Faserverbundwerkstoff des ersten Bauteils und durch das zweite Bauteil.
Die Führung einer Laserstrahloptik wird in der Regel mittels eines Roboters, insbesondere Industrieroboters, vorgenommen. Auf diese Weise kann der Laserstrahl ausgerichtet werden.
Es existieren ferner auch bewegliche Laserstrahloptiken, sogenannte Scanner, welche eine Ausrichtung und Führung des Laserstrahls durch Strahlablenkung ermöglichen. Insbesondere ist damit auch eine Laserstrahlbearbeitung „on the fly”, d. h. ohne ein Anhalten des die Optik tragenden Roboters, ermöglicht, was die Bearbeitungszeit nochmals verkürzen kann.
Mittels des erhöhten Automatisierungsgrades kann erfindungsgemäß zusätzlich zur Herstellungszeit auch die zur Herstellung benötigte (menschliche) Arbeitszeit massiv reduziert werden. Dieser Effekt kann sich beispielsweise bei der Flugzeugherstellung, bei welcher jährlich Millionen von Nieten gesetzt werden, enorm potenzieren.
Die erfindungsgemäß hohe Reproduzierbarkeit ist darin begründet, dass der Laserstrahl im Gegensatz zu einem Bohrer verschleißfrei arbeiten kann. Somit ist beim Laserstrahlbohren auch bei hohen Lochanzahlen keinerlei Abweichung der Lochgeometrie und keine Verschlechterung der Bohrungswand, insbesondere keine Erhöhung der Rauigkeit, zu beobachten.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch flexibel für unterschiedliche Arten von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. Insbesondere ist es sowohl für Bauteile, die Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer als auch für Bauteile, die Verbundwerkstoffe mit duroplastischer Matrix enthalten gleichermaßen einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher zum Herstellen unterschiedlichster Strukturanordnungen mit Nietverbindungen, beispielsweise sowohl für unterschiedlichste Hautabschnitte eines Flugzeugs, wie an Rumpf, Flügeln oder dergleichen, als auch beispielsweise für Hautabschnitte aus Faserverbundwerkstoff an Landfahrzeugen oder Booten eingesetzt werden. Ferner ist auch ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anbinden eines Hautabschnitts an andere Arten von Strukturteilen, beispielsweise an Verbindungs- oder Stabilisierungselemente, sogenannte Clips oder Cleats, oder direkt an Stringer und/oder Spante denkbar.
Das zweite Bauteil als Fügepartner des einen Faserverbundwerkstoff enthaltenden ersten Bauteils kann einen gleichen oder einen anderen Werkstoff aufweisen.
Vorzugsweise wird das gemeinsame Durchgangsloch durch das erste und zweite Bauteil in einem gemeinsamen Herstellungsschritt mittels Laserstrahlbohren hergestellt. Auf dieser Weise wird der Positionierungsaufwand minimiert.
Denkbar ist aber auch, das gemeinsame Durchgangsloch in zwei getrennten Schritten oder in einem zweistufigen Prozess mittels Laserstrahlbohren herzustellen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Bauteile unterschiedliche Materialien aufweisen und das Laserstrahlbohren dabei unterschiedliche Prozessparameter benötigt. In diesem Fall kann das Positionieren der Bauteile im Überlappstoß daher entweder vor oder auch erst nach dem Laserstrahlbohren des geneinsamen Durchgangslochs, dann selbstverständlich in Deckung des gemeinsamen Durchgangslochs, vorgenommen werden.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird das Laserstrahlbohren mittels eines Hochenergie-Laserstrahls vorgenommen. Die Intensität des Laserstrahls ist dabei in einem Bereich, welcher ein Verdampfen sowohl des Matrixmaterials als auch der Fasern des Faserverbundwerkstoffs ermöglicht.
Insbesondere handelt es sich um einen Laserstrahl mit einer Laserstrahlleistung im Kilowattbereich. Hierfür kommen als Laserquelle insbesondere Festkörperlaser, beispielsweise ein Scheibenlaser (z. B. „Nd:YAG”; neodymium-doped yttrium aluminium garnet) oder Faserlaser (z. B Ytterbium Faserlaser), in Frage. Denkbar wäre auch der Einsatz eines leistungsstarken Gaslasers, insbesondere eines CO2-Lasers.
Insbesondere kann es sich um einen Laserstrahl hoher Brillanz handeln. Die Brillanz ist im Allgemeinen die Kennzahl für die Strahlqualität. Mit hoher Brillanz sind hohe Strahlintensitäten, d. h. Stahlen mit besonders hoher Energie pro Fläche möglich, was vorteilhaft zu einem hohen Anteil von sublimiertem Material führt. Ferner ist dies in einem vergleichsweise großen Bereich des Strahlengangs um die Fokuslage des Laserstrahls möglich. Beispielsweise ist eine hohe Brillanz mit einem Ytterbium Faserlaser erreichbar.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das zweite Bauteil ebenfalls einen Faserverbundwerkstoff. Dieser wird bei dem Laserstrahlbohren ebenfalls durchbohrt. Somit werden die beiden Faserverbundbauteile mit einem gemeinsamen Durchgangsloch versehen. Insbesondere wird dies im Überlappstoß in einem gemeinsamen Schritt vorgenommen. Auf diese Weise ist insbesondere eine Faserverbundbauweise einer Strukturanordnung mit Nietverbindung schnell und staubfrei herstellbar.
Gemäß einer Ausführungsform enthält der Faserverbundwerkstoff Kohlenstofffasern, welche teilweise durch das Laserstrahlbohren durchbohrt werden. Vorteilhaft wird dies erfindungsgemäß ohne die Entstehung von Kohlenstoffstaub bzw. kohlenstoffstaubfrei, realisiert. Insbesondere handelt es sich bei dem Faserverbundwerkstoff um kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Es kommen dabei sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe als Matrixwerkstoff in Frage.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Laserstrahl zum Laserstrahlbohren in an einen gewünschten Lochdurchmesser angepasster Weise aufgeweitet oder defokussiert. Insbesondere wird die Aufweitung oder Defokussierung auch während des Laserstrahlbohrens in Abhängigkeit von der erreichten Lochtiefe angepasst. Vorteilhaft sind somit unterschiedliche Durchmesser und Lochformen des Durchgangslochs, insbesondere typischerweise für Nieten vorgesehene Durchmesser von einigen Millimetern, realisierbar. Die Intensität des Laserstrahl bleibt dabei vorzugsweise in einem Bereich, welcher ein Verdampfen sowohl des Matrixmaterials als auch der Fasern des Faserverbundwerkstoffs ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Laserstrahl zur Ausbildung eines konischen Ansatzes des Durchgangslochs, welcher zur Versenkung eines Nietkopfes ausgebildet wird, zunächst stärker und anschließend immer weniger bis auf den gewünschten Lochdurchmesser aufgeweitet oder defokussiert. Insbesondere wird dies in vorbestimmter Weise angepasst an die Geometire des Niets in Abhängigkeit von der erreichten Lochtiefe vorgenommen. Vorteilhaft ist somit keine Nachbearbeitung zum Versenken eines Nietkopfes am Ansatz des Durchgangslochs notwendig.
Gemäß einer Ausführungsform wird zumindest das erste Bauteil flächig ausgebildet vorgesehen. Optional oder zusätzlich wird eine Vielzahl von gemeinsamen Durchgangslöchern des ersten Bauteils und zweiten Bauteils mittels Laserstrahlbohren in einer sich entlang eines Randes des ersten Bauteils erstreckenden Linie eingebracht. Zur Ausbildung einer Fügelinie wird dann je ein Niet in die Durchgangslöcher eingesetzt und mit dem ersten und dem zweiten Bauteil befestigt. Insbesondere sind die Löcher in gleichmäßigen abständen gesetzt, sodass eine gleichmäßig durchgehende Fügelinie hergestellt wird. Auf diese Weise sind vorteilhaft flächige Bauteile, beispielsweise Hautabschnitte, mit einer Nietverbindung auf vergleichsweise einfache und schnelle Weise fügbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Mehrzahl paralleler Fügelinien entlang des Randes des ersten Bauteils vorgesehen werden. Auf diese Weise wird eine Redundanz der Nietverbindung bereitgestellt, sodass eine höhere Traglast und auch eine höhere Festigkeit erreicht werden. Zudem wird durch die mehrfache Verbindung auch die Steifigkeit der durch die Nietverbindungen geschaffenen Strukturanordnung erhöht. Insbesondere handelt es sich bei einer Strukturanordnung beispielsweise eines Luft oder Raumfahrzeugs typischerweise um eine Nietverbindung mit drei Fügelinien, wie für die Luftfahrt üblich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform einer Strukturanordnung weist ein Durchgangsloch der Nietverbindung eine Bohrungswand auf, welche eine zerspanungsfrei hergestellte Oberfläche aufweist. Die mittels Laserstrahlbohren hergestellte Bohrungswand ist insbesondere frei von durch Zerspanwerkzeuge bzw. herkömmliche Bohrer üblicherweise hervorgerufene Riefen. Ferner ist die Beschaffenheit der Bohrungswand auch anders als bei geätzten Löchern, da Ätzen bei Verbundwerkstoffen an den unterschiedlichen Werkstoffen stets eine unterschiedliche Oberflächenstruktur hervorruft. Insbesondere kann die durch Laserstrahlbohren hergestellte Bohrungswand stattdessen mit direkt aus schmelzflüssigem Zustand erstarrtem Material bedeckt sein. Es handelt sich dabei um durch den Laserstrahl aufgeschmolzenes Material, welches beim Austreiben der Schmelze an der Buchungswand zurückgeblieben oder beim Verdampfen angeschmolzen worden ist. Alternativ kann die Oberfläche auch durch direktes Verdampfen hergestellt sein. Diese Oberflächenstruktur der Bohrungswand ist daher mit herkömmlichen Untersuchungsmethoden, beispielsweise unter einem Mikroskop, eindeutig von einer herkömmlich gebohrten Bohrungswand, die üblicherweise Bearbeitungsspuren und/oder eine gewisse Rauigkeit und/oder Bohrstaub aufweist, unterscheidbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer Verwendung wird der Laserstrahlbohrprozess zum Herstellen einer Nietverbindung einer Fahrzeughaut mit einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet. Insbesondere handelt es sich bei der Fahrzeughaut um die Haut, beispielsweise den Rumpf, eines Luft- oder Raumfahrzeugs. Jedoch findet das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Hautabschnitten eines Luft- oder Raumfahrzeugs, beispielsweise der Haut eines Flügels, Verwendung. Darüber hinaus findet das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Herstellung einer Fahrzeughaut für andere Arten von Fahrzeugen, beispielsweise Kraftfahrzeugen oder Booten, Verwendung.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind sämtliche Merkmale des Verfahrens zum Herstellen der Nietverbindung auch auf eine Strukturanordnung mit einer solchen Nietverbindung übertragbar und umgekehrt. Selbiges gilt für ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeughaut und eine Fahrzeughaut.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 ein Beispiel zum Herstellen von Durchgangsbohrungen für Nietverbindungen in perspektivische Ansicht;
2A–2C eine Querschnittsdarstellung der typischen Schritte zum Herstellen einer Nietverbindung zum Verbinden zweier Hautabschnitte;
3A eine Anordnung zum Laserstrahlbohren eines Faserverbundbauteils;
3B eine Querschnittansicht eines mittels Laserstrahlbohren durchbohrten Bauteils aus Faserverbundwerkstoff;
4A eine Anordnung zum Durchbohren zweier Bauteile aus Faserverbundwerkstoff im Überlappstoß;
4B eine Querschnittansicht einer Strukturanordnung mit einer Nietverbindung zweier Bauteile aus Faserverbundwerkstoff;
5 eine perspektivische Darstellung eines Rumpfabschnitts eines Luft- oder Raumfahrzeugs und
6 eine perspektivische Darstellung zweier im Stumpfstoß mittels eines Verbindungsabschnitts verbundener Bauteile aus Faserverbundwerkstoff.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt
1 zeigt ein Beispiel zum Herstellen von Durchgangsbohrungen 103 für Nietverbindungen in perspektivische Ansicht.
Bei den zu verbindenden Bauteilen handelt es sich um zwei Hautabschnitte 101 und 102 eines Flugzeugrumpfes aus Faserverbundwerkstoff. Zum Herstellen der Durchgangsbohrungen 103 wird eine Bohrschablone 106 händisch positioniert und fixiert, beispielsweise wie dargestellt mittels eines Klebestreifens 107. Anschließend wird mit einer händisch bedienten Bohrmaschine 105 ein Durchgangsloch 103 in die Hautabschnitte 101, 102 gebohrt.
Die 2A–2C zeigen eine Querschnittsdarstellung der typischen Schritte zum Herstellen einer Nietverbindung zum Verbinden zweier Hautabschnitte 101, 102.
In einem ersten Schritt gemäß 2A werden in der zu 1 beschrieben Weise durch mechanische Zerspannung mittels einer händisch bedienten Bohrmaschine an einer durch eine Bohrschablone 106 vorgegebenen Position Durchgangsbohrungen 103 in einem Überlappungsbereich der Hautabschnitte 101, 102 aus Faserverbundwerkstoff gebohrt.
In einem zweiten Schritt gemäß 2B werden die Durchgangsbohrungen 103 von Bohrstaub und Rückständen gereinigt. Dies erfolgt beispielsweise mittels Druckluft von beiden Seiten, wie schematisch mit Strömungslinien und Richtungspfeilen angedeutet. Dieser Reinigungsschritt ist bei der Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen mit einem herkömmlichen Bohrer bedeutsam, da bei der Zerspanung des Materials sehr feiner Kohlenstoffstaub entsteht, welcher sich leicht in der Bohrung 103 festsetzt.
In einem dritten Schritt gemäß 2C werden Nieten 104 mittels eines nicht dargestellten Nietwerkzeugs in die Durchgangsbohrungen 103 eingeführt und mit den beiden Hautabschnitten 101, 102 durch Umformen des Niets befestigt.
3A zeigt eine Anordnung zum Laserstrahlbohren eines Faserverbundbauteils.
Als Faserverbundbauteil ist beispielsweise ein erstes Bauteil 1 aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff vorgesehen.
Die Anordnung umfasst eine Laseroptik 8, welche von einem Roboter 7 getragen und positioniert wird. Bei dem Roboter 7 kann es sich beispielsweise um einen herkömmlichen Industrieroboter mit einer geeigneten Montierung handeln.
Die Laseroptik 8 wird über einen Lichtleiter 15 von einer Laserquelle 9 mit Laserstrahlung gespeist. Beispielsweise handelt es sich bei der Laserquelle 9 um einen Hochenergie-Festkörperlaser, insbesondere einen Scheibenlaser oder Faserlaser, mit einer Laserstrahlleistung im Kilowattbereich.
Vorzugsweise weist ein damit erzeugbaren Laserstrahl 5 eine hohe Brillanz auf. Die Brillanz B ist definiert als Quotient aus der Laserstrahlleistung P_L geteilt durch das Produkt aus der sogenannten Beugungsmaßzahl M² und der Wellenlänge λ der Laserstrahlung. Die Beugungsmaßzahl M² bezeichnet den Grad der Beugung des Strahlverlaufs. Die Herleitung der Beugungsmaßzahl für transversale elektromagnetische Moden (TEM_mn) ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, weshalb hier von einer theoretischen Darstellung abgesehen wird. Die so berechenbare Brillanz ist eine Maßzahl für die Qualität des Laserstrahls. In der Praxis wird oftmals auch das sogenannte Strahlparameterprodukt (SPP), welches rechnerisch in der Beugungsmaßzahl M² steckt, in Verbindung mit der Laserstrahlleistung P_L genannt, um die Strahlqualität auszudrücken.
Die Laseroptik ist mittels des Roboters 7 derart über einem zu durchbohrenden ersten Bauteil 1 aus Faserverbundwerkstoff positioniert, dass die Fokuslage des Laserstrahls 5 auf Höhe des ersten Bauteils 1 liegt. Im theoretischen Idealfall kann der Laserstrahl auf einen minimalen Durchmesser fokussiert werden, welche dem Faserdurchmesser des Lichtleiters 15 entspricht.
Zum Durchbohren des ersten Bauteils 1 werden beispielsweise durch Perkussionsbohren eine Vielzahl von Laserpulsen auf das erste Bauteil abgegeben, sodass das Material des ersten Bauteils 1 verdampft, sich der Laserstrahl 5 immer weiter in das erste Bauteil 1 eingräbt und Materialdampf 10 aus dem so entstehenden Loch austritt. Dies wird so lange wiederholt, bis ein Durchgangsloch hergestellt ist.
Der Laserstrahl 5 verdampft dabei gleichermaßen sowohl das Matrixmaterial als auch das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffs. Insbesondere verdampft der Laserstrahl im Falle von kohlefaserverstärkten Kunststoffen sowohl die Kunststoffmatrix als auch die Kohlenstofffasern im Bereich des Durchgangslochs.
Aufgrund der unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften der Fasern und des Matrixmaterials sind beim Laserstrahlbohren von Faserverbundwerkstoffen besondere Randbedingungen zu beachten. Insbesondere bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ist darauf zu achten, dass durch Wärmeleitung entlang der Kohlenstofffasern die Temperaturen innerhalb des Bauteils materialabhängige Grenzwerte in der Umgebung des herzustellenden Durchgangslochs nicht überschreiten. Derartige Grenzwerte können beispielsweise die Glasübergangs und die Verdampfungstemperatur sowie im Fall thermoplastischer Systeme die Schmelztemperatur der Matrix sein.
Es ist daher vorteilhaft, einen hohen Sublimations- bzw. Ablationsgrad anzustreben. Entsprechend hoch wird die Intensität des Laserstrahls gewählt, um sowohl das Matrixmaterial als auch die Fasern des Faserverbundwerkstoffs verdampfen zu können.
Um einen gewünschten Durchmesser des Durchgangsochs zu erreichen, kann beispielsweise ein mittels Perkussionsbohren hergestelltes Durchgangsloch durch Trepanieren, d. h. kreisförmiges Bewegen des Bauteils oder der Laserstrahloptik um das Zentrum des Durchgangslochs, aufgeweitet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zum Durchbohren des ersten Bauteils 1 ein Wendelbohrprozess eingesetzt bzw. durchgeführt werden. Bei diesem rotiert je nach Art des Aufbaus der Laserstrahl (zum Beispiel mit Hilfe einer bewegbaren Spiegeloptik, einem sogenannten einem Scanner) oder die Laserstrahloptik (durch entsprechende Bewegung des Roboters) oder das erste Bauteil (durch entsprechende Bewegung einer Halterung) stetig im Kreis um das Zentrum der herzustellen Durchgangsbohrung, sodass direkt eine Bohrung mit dem gewünschten Durchmesser erzeugt wird. Auch überlagerte Bewegungen sind denkbar, insbesondere im Fall eines als Laseroptik vorgesehenen und an einem Roboter montierten Scanners.
Eine bevorzugte Alternative des Laserstrahlbohrens liegt darin, einen Hochenergie-Laserstrahl mit ausreichend hoher Laserstrahlleistung, beispielsweise eines CO2 Lasers, eines Faserlasers oder eines Scheibenlasers, beispielsweise mit einer Leistung > 3 kW, insbesondere > 6 kW, in einer Konfiguration auf das erste Bauteil 1 zu richten, in welcher ein Strahldurchmesser direkt dem gewünschten Durchmesser des Durchgangslochs entspricht. Dies ist in der Darstellung gemäß 3A der Fall und kann entweder durch eine entsprechend ausgelegte Laseroptik 8 mit einem entsprechenden Abbildungsverhältnis, durch eine optische Defokussierung der Laserstrahls 5, durch Einstellung eines entsprechenden Abstandes zur Fokuslage und/oder durch einen entsprechend dicken Durchmesser eines Lichtleiters von der Laserquelle zur Laseroptik erreicht werden. Die Intensität des Laserstrahls 5 ist dabei aufgrund der hohen Leistung immer noch groß genug, das Material sowohl der Matrix als auch der Fasern des Faserverbundwerkstoffs zu verdampfen.
Auf diese Weise kann dann durch Einzelpuls- oder Perkussionsbohren, mit welchem sich der Laserstrahl in das Faserverbundmaterial hineinarbeitet, ein Durchgangsloch direkt mit dem gewünschten Durchmesser erzeugt werden.
Selbstverständlich stellen diese Bohrprozesse lediglich Beispiele für eine mögliche Realisierung dar. Weitere Bohrstrategien bzw. Bohrprozesse sind ebenfalls möglich.
Es kann ein insbesondere ein kontinuierlicher Laser als Laserquelle eingesetzt werden. Denkbar wäre aber auch ein gepulster Laser.
3B zeigt eine Querschnittansicht eines mittels Laserstrahlbohren durchbohrten Bauteils aus Faserverbundwerkstoff.
Dieses erste Bauteil 1 weist dementsprechend ein Durchgangsloch 3 auf. Die durch Laserstrahlbohren hergestellte Bohrungswand 11 des Durchgangslochs 3 ist vollständig glatte und saubere Oberfläche ohne Überreste oder Bohrstaub. Es handelt sich insbesondere um eine mit direkt aus schmelzflüssigem Zustand erstarrtem Material bedeckte oder durch direktes Verdampfen hergestellte Oberfläche.
Das durch den Laserstrahl 5 aufgeschmolzene Material ist beispielsweise beim Austreiben der Schmelze an der Bohrungswand 11 zurückgeblieben oder beim Laserstrahlbohren angeschmolzen worden.
4A zeigt eine Anordnung zum Durchbohren zweier Bauteile 1, 2 aus Faserverbundwerkstoff im Überlappstoß.
Die beiden im Überlappstoß angeordneten Bauteile 1, 2 bestehen beispielhaft aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und sind an einer zum Eintritt des Laserstrahls 5 vorgesehenen Seite mit einer Bohrschablone 6 belegt, welche zur Positionierung bzw. Ausrichtung der Laseroptik 8 dient.
Die Laseroptik 8 ist, wie in Bezug auf 3A erläutert, an einem Roboter 7 montiert. Die zugehörige Laserquelle 9 und der Lichtleiter 15, welche die Laseroptik versorgen, sind hier zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich insbesondere um ein halbautomatisches System. D. h., die Laseroptik 8 wird roboterunterstützt aber von einem Bediener gesteuert auf in der Bohrschablone 6 vorgesehenen Ausnehmungen ausgerichtet. Hierfür weist die Laserquelle 9 einen Suchlaser auf, welcher einen sichtbaren Lichtstrahl durch die Faser sendet, sodass mit der Laseroptik ein Lichtpunkt an die anvisierte Stelle projiziert wird.
Alternativ kann die Bohrschablone 6 auch hinsichtlich ihrer Position festgelegt und als Positionierungseinrichtung bzw. Anschlag für das erste und zweite Bauteil 1, 2 ausgebildet sein. In diesem Fall kann das Anfahren der Positionen zum Bohren in eine Steuerung des Roboters 7 einprogrammiert bzw. (beispielsweise durch Einlernen bzw. „Teachen”) eingespeichert werden.
Ferner kann ein Laserbearbeitungsmuster bzw. eine Bearbeitungsabfolge in eine Steuerung der Laserquelle 9 und/oder der Laseroptik 8 einprogrammiert werden.
Nach dem Positionieren der Bauteile 1, 2 und/oder der Bohrschablone 6 kann somit ein automatischer Ablauf des Bohrprozesses gestartet werden.
Als weitere Alternative könnte auch ohne eine Bohrschablone bei vorgegebener und/oder automatischer Positionierung der Bauteile 1, 2 ein automatischer Ablauf des Bohrprozesses gestartet werden.
Beispielhaft werden in der dargestellten Ausführungsform in einer Querschnittebene je 3 gleichmäßig voneinander beabstandete Durchgangslöcher 3 vorgesehen.
Die Durchgangslöcher 3 werden durch Laserstrahlbohren in der in Bezug auf die vorangehenden 3A und B beschriebenen Weise ausgebildet. Zur Ausbildung von konischen Ansätzen der Durchgangslöcher, welche zur Versenkung eines Nietkopfes dienen, wird der Laserstrahl zunächst stärker und anschließend immer weniger bis auf den gewünschten Lochdurchmesser defokussiert. Die Intensität des Laserstrahls bleibt dabei stets hoch genug, um sowohl das Matrixmaterial als auch die Fasern des Faserverbundwerkstoffs zu verdampfen.
Derartige Anordnungen zum (halb)automatischen Laserstrahlbohren von Faserverbundwerkstoffen können an unterschiedliche gewünschte Lochdurchmesser und an unterschiedliche Bauteildicken angepasst werden. Es sind damit im Vergleich zu einem Verfahren gemäß 1 oder 2A sehr viel höhere Fertigungsgeschwindigkeiten möglich, welche lediglich einen Bruchteil der Zeit zur Herstellung der Durchgangslöcher 3 benötigen.
Darüber hinaus arbeiten derartige Anordnungen vorteilhaft ohne Variation in der Qualität der laserstrahlgebohrten Durchgangslöcher 3. Bei mechanischen Bohrverfahren, wie in Bezug auf 1 und 2A erläutert, verliert ein Bohrer hingegen mit fortschreitender Benutzung an Schärfe und daher an Genauigkeit. Dies kann in Mikroskopaufnahmen der gebohrten Löcher anhand von erhöhten Aufkommen von Bohrstaub und unsauberen bzw. raueren Oberflächen ausgemacht werden.
4B zeigt eine Querschnittansicht einer Strukturanordnung 16 mit einer Nietverbindung 17 zweier Bauteile 1, 2 aus Faserverbundwerkstoff.
Die beiden im Überlappstoß angeordneten und mit mittels Laserstrahlbohren mit Durchgangslöchern 3 versehenen Bauteile 1, 2 sind mittels Nieten 4 verbunden, welche in die Durchgangslöcher 3 eingeführt und anschließend mit dem ersten Bauteil 1 mit dem zweiten Bauteil 2 befestigt werden.
Besonders zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang, dass vor dem Einführen der Nieten 4 kein zusätzlicher Reinigungsschritt notwendig ist, da beim Laserstrahlbohren der Durchgangslöcher 3 kein Bohrstaub, insbesondere kein Kohlenstoffstaub, anfällt.
Das Befestigen erfolgt in für den Fachmann üblicher Weise, insbesondere durch einen an dem Niet 4 vorgesehenen Formschluss durch einen Nietkopf an der Eintrittsseite und einem durch Umformen an der Austrittsseite vorgesehenen Form und Kraftschluss.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Fahrzeughaut 20. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Fahrzeughaut 20 in Form eines Rumpfabschnitts eines Luft- oder Raumfahrzeugs.
Der Rumpfabschnitt weist als erstes Bauteil 1 einen ersten Hautabschnitts 18 und als zweites Bauteil 2 einen zweiten Hautabschnitt 19 auf. Die beiden Hautabschnitte 18, 19 sind im Bereich einer Nietverbindung 17 im Überlappstoß zueinander angeordnet. Parallel zu einem Rand 14 des ersten Hautabschnitts 18 sind mehrere Fügelinien 13, typischerweise drei parallele Fügelinien, von Durchgangslöchern mit jeweils eingesetztem und befestigtem Niet 4 vorgesehen.
Insgesamt besteht der dargestellte Rumpfabschnitt beispielhaft aus vier jeweils gekrümmten Hautabschnitten, welche zur Ausbildung einer röhrenförmigen Rumpfform angeordnet und untereinander in gleicher Weise wie der erste Hautabschnitt 18 und der zweite Hautabschnitt 19 verbunden sind.
6 zeigt eine perspektivische Darstellung zweier im Stumpfstoß mittels eines Verbindungsabschnitts 2' verbundener Bauteile 1, 12 aus Faserverbundwerkstoff.
Es handelt sich hierbei um eine Strukturanordnung 16 mit zwei Bauteilen 1, 12 im Stumpfstoß, welche über den Verbindungsabschnitt 2' mit einer Nietverbindung 17 verbunden sind.
Das erste Bauteil 1 und ein weiteres Bauteil 12 werden dazu im Stumpfstoß zueinander angeordnet und mit einem als Doppler ausgebildeten Verbindungsabschnitt 2' im Bereich des Stumpfstoßes überdeckt. Der Verbindungsabschnitt 2' ist mit jedem der Bauteile 1, 12 jeweils überlappend angeordnet und jeweils mittels zumindest einer, bevorzugt wie hier dargestellt mit mehreren, insbesondere drei, Fügelinien 13 von Durchgangslöchern 3 mit jeweils eingesetztem und befestigtem Niet 4 verbunden.
Bei dieser Ausführungsform stellt somit der als Doppler ausgebildete Verbindungsabschnitt 2' das mit dem ersten Bauteil 1 im Überlappstoß angeordnete mit mittels Nietverbindung verbundene zweite Bauteil dar.
Auch hier verlaufen die Fügelinien 13 entsprechend entlang eines Randes 14 des ersten Bauteils 1.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Beispielsweise können für unterschiedliche Anwendungen unterschiedlichste Arten von Nieten, beispielsweise anstatt Vollnieten auch Hohlnieten, Blindnieten, Spreiznieten oder dergleichen, eingesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform ist es denkbar, eines der Bauteile mit vorgebohrten Löchern vorzusehen, so dass das gemeinsame Durchgangsloch mittels Laserstrahldurchbohren lediglich durch den Faserverbundwerkstoff des anderen Bauteils erzeugbar ist. Anschließend können die Bauteile vernietet werden. Insbesondere können derart vorgebohrte Löcher des vorgebohrten Bauteils mit Senkungen zur bündigen Aufnahme eines Nietkopfs vorgesehen werden.
Bei dem ersten und zweiten Bauteil 1, 2 kann es sich anstatt einem Hautabschnitt um jegliche Art von Strukturbauteil einer Strukturanordnung handeln.
Alternativ zu einem Rumpf für ein Luft oder Raumfahrzeug können auch Hautabschnitte anderer Arten von Faserverbundwerkstoffe enthaltenden Fahrzeughäuten, beispielsweise Karosserieteile eines Kraftfahrzeugs oder Rumpfteile eines Bootes oder Schiffs, in der erfindungsgemäßen Weise mit einer Nietverbindung 17 versehen werden.
Bezugszeichenliste

1: erstes Bauteil
2, 2': zweites Bauteil
3: Durchgangsloch
4: Niet
5: Laserstrahl
6: Bohrschablone
7: Roboter
8: Laseroptik
9: Laserquelle
10: Materialdampf
11: Bohrungswand
12: weiteres Bauteil
13: Fügelinie
14: Rand
15: Lichtleiter
16: Strukturanordnung
17: Nietverbindung
18: erster Hautabschnitt
19: zweiter Hautabschnitt
20: Fahrzeughaut
21: konischer Ansatz
22: Nietkopf
101: erster Hautabschnitt
102: zweiter Hautabschnitt
103: Durchgangsbohrung
104: Niet
105: Bohrmaschine
106: Bohrschablone
107: Klebestreifen

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung (17) eines Faserverbundbauteils, mit den Schritten: Positionieren eines ersten Bauteils (1), welches einen Faserverbundwerkstoff enthält, in einem Überlappstoß mit einem zweiten Bauteil (2; 2'); Laserstrahlbohren eines gemeinsamen Durchgangslochs (3) zumindest durch den Faserverbundwerkstoff des ersten Bauteils (1); Einsetzen eines Niets (4) in das Durchgangsloch (3); und Befestigen des Niets (4) mit dem ersten und mit dem zweiten Bauteil (1, 2; 1, 2').
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahlbohren mittels eines Hochenergie-Laserstrahls (5), insbesondere mit einer Laserstrahlleistung im Kilowattbereich, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (2) ebenfalls einen Faserverbundwerkstoff enthält, welcher bei dem Laserstrahlbohren durchbohrt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff Kohlenstofffasern enthält, welche teilweise durch das Laserstrahlbohren durchbohrt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (5) zum Laserstrahlbohren in an einen gewünschten Lochdurchmesser angepasster Weise aufgeweitet oder defokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) zur Ausbildung eines konischen Ansatzes (21) des Durchgangslochs (3), welcher zur Versenkung eines Nietkopfes (22) ausgebildet wird, zunächst stärker und anschließend immer weniger bis auf den gewünschten Lochdurchmesser aufgeweitet oder defokussiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Bauteil (1) flächig ausgebildet vorgesehen wird und/oder eine Vielzahl von gemeinsamen Durchgangslöchern (3) des ersten Bauteils (1) und zweiten Bauteils (2; 2') mittels Laserstrahlbohren in einer sich entlang eines Randes (14) des ersten Bauteils (1) erstreckenden Linie eingebracht werden, wobei zur Ausbildung einer, insbesondere gleichmäßig durchgehenden, Fügelinie (13) je ein Niet (4) in die Durchgangslöcher (3) eingesetzt und mit dem ersten und dem zweiten Bauteil (1, 2; 1, 2') befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl paralleler Fügelinien (13) entlang eines Randes (14) des ersten Bauteils (1) vorgesehen wird.
Strukturanordnung (16), mit einem ersten Bauteil (1), welches einen Faserverbundwerkstoff enthält, und einem zweiten Bauteil (2; 2'), wobei das erste und das zweite Bauteil mit einer Nietverbindung (17) verbunden sind, welche mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
Strukturanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchgangsloch (3) der Nietverbindung (17) eine Bohrungswand (11) aufweist, welche eine zerspanungsfrei hergestellte, insbesondere mit direkt aus schmelzflüssigem Zustand erstarrtem Material bedeckte oder durch direktes Verdampfen hergestellte, Oberfläche (11) aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Fahrzeughaut (20), insbesondere für ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit den Schritten: Bereitstellen eines ersten Bauteils (1) in Form eines ersten Hautabschnitts (18), welcher ein Faserverbundmaterial enthält; Bereitstellen eines zweiten Bauteils (2; 2'), insbesondere in Form eines zweiten Hautabschnitts (19) oder eines Verbindungsabschnitts (2') zum Verbinden des ersten Hautabschnitts (18) im Stumpfstoß mit einem zweiten Hautabschnitt (19); und Verbinden des ersten Bauteils (1) mit dem zweiten Bauteil (2; 2') mittels einer Nietverbindung (17), die mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.
Fahrzeughaut (20), insbesondere eines Luft- oder Raumfahrzeugs, hergestellt mit einem Verfahren gemäß Anspruch 11.
Verwendung eines Laserstrahlbohrprozesses zum Herstellen einer Nietverbindung (17) eines Faserverbundbauteils, insbesondere mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahlbohrprozess zum Herstellen einer Nietverbindung (17) einer Fahrzeughaut (20), insbesondere eines Luft- oder Raumfahrzeugs, mit einem Verfahren gemäß Anspruch 11 verwendet wird.