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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Bauelemente mittels mindestens eines Befestigungselementes, das durch beide Bauelemente durch in den Bauelementen vorgesehenen Öffnungen hindurchgeführt wird.
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Große Schalenstrukturen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung und Montage von Flugobjekten in der Luft- und Raumfahrt häufig vorkommen, werden heutzutage gefügt, ohne dass eventuelle technische Systeme an den Schalenstrukturen vorinstalliert sind. Erst nach dem Fügen der Schalenstrukturen werden dann an diesen die vorgesehenen technischen Systeme installiert.
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Der Grund hierfür liegt darin, dass große Schalenstrukturen in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere dann, wenn sie aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt wurden, durch eine in der Praxis weit verbreitete Fügetechnik - dem Bohren verbunden werden. Hierbei werden die Schalenstrukturen an ihren Fügebereichen aneinandergelegt, fixiert und dann eine entsprechende Bohrung durch die beiden im Fügebereich übereinandergelegten Schalenstrukturen eingebracht, wodurch die Bohrungen zwar passgenau sind, jedoch viel Schmutz und Staub bei dieser Art der Fügetechnik anfällt. Anschließend werden die Schalenstrukturen getrennt, entgratet, ggf. mit einer Dichtmasse versehen und anschließend mit Hilfe der eingebrachten Bohrungen und entsprechenden Befestigungselementen, wie beispielsweise Bolzen oder Nieten, kraft- und formschlüssig verbunden.
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Würden zu diesem Zeitpunkt die einzelnen Schalenstrukturen bereits vorinstallierte technische Systeme aufweisen, so wären diese während des Fügens gegenüber dem anfallenden Schmutz und Staub ungeschützt, was die Wahrscheinlichkeit von Defekten und Ausfällen bereits während der Montage erhöht.
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Ein weiteres Problem bei bekannten Fügetechniken besteht darin, dass die zu installierenden technischen Systeme meist in der geschlossenen Rumpfstruktur installiert werden müssen, was die Installation erschwert und somit zeit- und kostenintensiver macht.
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Vor diesem Hintergrund gibt es Bestrebungen, teilausgerüstete Schalenstrukturen in der Endmontage zu fügen, wobei es dann jedoch einer Fügetechnik bedarf, die möglichst schmutz- und staubfrei ist.
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Zwar biete sich hierfür die Fügetechnik des Klebens an. Allerdings sind für die Herstellung zulässiger Klebeverbindungen von Primärstrukturen sehr hohe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen sowie die Oberflächengüte der zu fügenden Bauteile notwendig. Daher gibt es derzeit noch keine Zulassung in der Luftfahrt für Klebungen von hochbelasteten Primärstrukturen.
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Ein weiterer Nachteil klebender Fügetechniken besteht zum einen darin, dass hierdurch eine nichtlösbare Verbindung hergestellt wird. Zwar wäre eine reversible Klebung mittels thermoplastischer Klebwerkstoffe möglich. Allerdings ist die Degradierung des Matrixmaterials beim erneuten Aufschmelzen derzeit noch unbekannt. Zum anderen arbeiten Klebverbindungen über Schub und müssen gegen Schälspannung geschützt werden. So wird zum Beispiel bei sogenannten Sandwich-Strukturen nur die äußeren Schichten miteinander verklebt, wodurch grundsätzlich die Gefahr von sogenannten die Bounding-Effekten entsteht. Gerade bei großen Rumpfstrukturen von Verkehrsflugzeugen ist dabei das Kleben von einzelnen großen Schalenstrukturen keine Alternative für die herkömmlichen Bolzenverbindungen.
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Aus der
DE 199 25 953 C1 ist eine Bolzenverbindung zur Übertragung von Querkräften in Faserverbundstrukturen bekannt, wobei wenigstens ein Bauteil aus geschichteten Faserverbundwerkstoffen besteht und eine Öffnung für wenigstens einen in Belastungsrichtung angeordneten Längsbolzen aufweist, wobei äußere Öffnungen der Bolzenlängsreihe eine größere Weite als die dazugehörigen Bolzen und somit einen Zwischenraum aufweisen, wobei im Zwischenraum ein Futter angeordnet ist, das einen niedrigeren Elastizitätsmodul als den des Faserverbundbauteils hat.
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Aus der
DE 10 2006 058 140 A1 ist eine Bolzenverbindung mit mehreren Bolzen bekannt, wobei eine nicht fluchtende Verbindung zweier Öffnungen, in die ein Bolzen hindurchgeschoben werden soll, mithilfe von exzentrischen Ausgleichsbuchsen ausgeglichen wird, indem die exzentrische Ausgleichsbuchse solange gedreht wird, bis die Öffnungen fluchten. Ein ähnliches Konzept ist auch aus der
DE 17 98 003 U bekannt. Problem hierbei ist, dass der maximale Ausgleich durch die Exzentrizität der Ausgleichsbuchse begrenzt ist.
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Aus der
EP 1 751 432 B1 ist bekannt, eine winklig verlaufende Flucht zweier Bohrungen mithilfe einer Buchse zu korrigieren, deren Innenwandung winklig zu der Außenwandung verläuft und wodurch die nicht vorhandene Flucht der beiden Bohrungen ausgeglichen werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Fügen zweier Bauelemente anzugeben, bei dem die Bauelemente mit Hilfe einer Bolzenverbindung form- und kraftschlüssig miteinander verbunden werden, wobei während der Montage der Bauelemente aufgrund von Bohrmaßnahmen kein Schmutz und Staub anfällt, sodass teilausgerüstete Bauelemente mit technischen Systemen in der Endmontage verwendet werden können.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird somit ein Verfahren zum Fügen zweier Bauelemente mittels mindestens eines Befestigungselementes vorgeschlagen, wobei das Befestigungselement durch beide Bauelemente hindurchgeführt wird. Ein derartiges Befestigungselement kann beispielsweise ein Bolzen oder ein Niet sein und kann einen kreisförmigen Querschnitt bzw. einen zylindrischen Körper aufweisen. Die verwendete Querschnittsform des Befestigungselementes ist dabei jedoch unerheblich und muss lediglich mit den Querschnitten der Öffnungen, die in den Bauelementen vorgesehen sind und durch die das Befestigungselement hindurchgeführt werden soll, korrespondieren. So sind neben runden Querschnitten auch rechteckige, quadratische oder ovale Querschnitte denkbar.
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Durch das Hindurchführen von Befestigungselementen durch beide Bauelemente hindurch werden die beiden Bauelemente innerhalb ihres Fügebereiches aneinandergepresst bzw. gedrückt, sodass eine formschlüssige (durch das Befestigungselement) und kraftschlüssige (aufgrund der Reibung zwischen den Bauelementen) Verbindung entsteht, die insbesondere Querkräfte (quer zur Richtung des Hindurchführens des Befestigungselementes) aufnehmen soll.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein erstes und ein zweites Bauelement bereitgestellt werden, wobei das erste Bauelement an mindestens einer vorgegebenen Position mindestens eine Öffnung aufweist, die mit eine in dem zweiten Bauelement korrespondierend vorgesehenen Öffnung (an einer zu der Position der Öffnung des ersten Bauelementes korrespondierenden Position) derart in Deckung bringbar ist, dass ein Befestigungselement zum Fügen der Bauelemente hindurchführbar ist. In Deckung bringbar meint hierbei, dass die Öffnung des ersten Bauelementes und die Öffnung des zweiten Bauelementes nicht passgenau übereinander liegen müssen, sondern voneinander abweichen können, wie später noch gezeigt wird. In Deckung bringbar meint im breitesten Sinne lediglich, dass die beiden Öffnungen (die zusammen ein Öffnungspaar bilden) so miteinander zusammenwirken können, dass ein Befestigungselement mit vorgegebenem Querschnittsmaß durch beide Öffnungen hindurchführbar ist, um mittels des hindurchgeführten Befestigungselementes die beiden Bauelemente aneinanderzufügen. Die Öffnungen weisen dafür einen Öffnungsquerschnitt auf, der mindestens dem Querschnittsmaß des Befestigungselementes entspricht.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erstes Bauelement bereitgestellt wird, bei dem die mindestens eine Öffnung ein Übermaß in Bezug auf das Querschnittsmaß des Befestigungselementes aufweist, sodass die Ausdehnung des Querschnittes des Befestigungselementes kleiner bzw. deutlich kleiner ist als das Maß bzw. die Ausdehnung des Querschnittes der Öffnung des ersten Bauelementes.
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Mit anderen Worten, die Öffnung in dem ersten Bauelement, die mit der Öffnung in dem zweiten Bauelement zum Hindurchführen des Befestigungselementes korrespondiert, weist ein Querschnittsmaß bzw. eine Ausdehnung auf, die größer bzw. wesentlich größer ist als das Querschnittsmaß des Befestigungselementes bzw. die Ausdehnung des Querschnittes des Befestigungselementes, wobei sich der Querschnitt auf den Abschnitt bzw. den Bereich des Befestigungselementes bezieht, der im gefügten Zustand der beiden Bauelemente und im hindurchgeführten Zustand des Befestigungselementes, wenn das Befestigungselement entsprechend befestigt ist, innerhalb der Öffnung verweilt. Bei einem klassischen Niet bzw. Bolzen ist dies letztlich der Bolzenschaft. Das Ausmaß der Öffnung des ersten Bauelementes ist somit größer als die Ausdehnung bzw. das Maß des Querschnitts des Befestigungselementes, sodass die Mantelfläche des Befestigungselementes nicht formschlüssig an der Innenwandung der Öffnung des ersten Bauelementes anliegen würde, wenn man das Befestigungselement durch die Öffnung des ersten Bauelementes hindurchführen würde.
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Vorzugsweise ist das Maß bzw. die Ausdehnung der Öffnung des ersten Bauelementes ebenfalls größer als das Maß bzw. die Ausdehnung der Öffnung des zweiten Bauelementes, wobei diese vorzugsweise eine Ausdehnung bzw. ein Maß aufweist, das dem Sollmaß der Querschnittsform des Befestigungselementes entspricht. Vorzugsweise ist das Maß bzw. die Ausdehnung der Öffnung des zweiten Bauelementes dergestalt, dass das Befestigungselement ohne Spiel in die Öffnung des zweiten Bauelementes eingeführt werden kann (innerhalb von Fertigungstoleranzen).
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Die so bereitgestellten Bauelemente werden nun relativ zueinander angeordnet, und zwar dergestalt, dass die mindestens eine Öffnung des ersten Bauelementes mit der korrespondierenden Öffnung des zweiten Bauelementes in Deckung gebracht wird. Dabei werden die Bauelemente derart relativ zueinander angeordnet, wie sie in der späteren Endmontage beim Fügen auch angeordnet werden müssten. Die Bauelemente werden in diesem Verfahrensschritt somit gemäß einer vorgegebenen Sollposition relativ zueinander angeordnet, sowie sie in der späteren Endmontage zum Zwecke des Fügens ebenfalls positioniert werden müssten.
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Vorzugsweise werden die so angeordneten Bauelemente temporär fixiert, um ein Verrutschen bzw. ein Verändern der relativen Position zueinander zu verhindern.
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Anschließend wird die mindestens eine Öffnung in dem ersten Bauelement in Bezug zu der korrespondierenden Öffnung in dem zweiten Bauelement mittels einer Messeinrichtung im temporär gefügten Zustand der beiden Bauelemente vermessen. Hierdurch ergibt sich die relative Position der Öffnung des zweiten Bauelementes in Bezug auf die in der Regel größere Öffnung des ersten Bauelementes, sodass der zum Durchführen des Befestigungselementes notwendige Korridor feststellbar ist, der sich vorzugsweise aus dem Öffnungsmaß der Öffnung in dem zweiten Bauelement ergibt. In diesem Falle, in dem die Öffnung des zweiten Bauelementes kleiner ist als die Öffnung in dem ersten Bauelement und dabei die Öffnung in dem ersten Bauelement vollständig abdeckt, entspricht der Korridor der Position der Öffnung des zweiten Bauelementes in Bezug auf die Öffnung des ersten Bauelementes.
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Aus den Messdaten, die beim Vermessen der Öffnung des ersten Bauelementes in Bezug auf die Öffnung des zweiten Bauelementes durch die Messeinrichtung erzeugt werden, wird nun mit Hilfe einer elektronischen Auswerteeinheit ein digitales 3D-Modell einer Ausgleichsbuchse für die mindestens eine Öffnung des ersten Bauelementes generiert, wobei die Ausgleichsbuchse eine äußere Mantelfläche hat, die der Innenwandung der Öffnung des ersten Bauelementes entspricht. Der innere Durchgang der Ausgleichsbuchse dient dabei zum Hindurchführen des Befestigungselementes und korrespondiert mit dem Korridor zum Hindurchführen des Befestigungselementes durch die Öffnungen der Bauelemente und entspricht dem Querschnittsmaß des Befestigungselementes. In dem Falle, in dem die Öffnung des zweiten Bauelementes vollständig innerhalb der Öffnung des ersten Bauelementes liegt, entspricht die Innenwandung der Ausgleichsbuchse der korrespondierenden Öffnung des zweiten Bauelementes, sodass durch die Ausgleichsbuchse die Öffnung des ersten Bauelementes auf das Maß der Öffnung des zweiten Bauelementes gebracht werden kann, wobei der Mittelpunkt des Innendurchganges der Ausgleichsbuchse den Mittelpunkt der Öffnung des zweiten Bauelementes entspricht.
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Vorzugsweise entspricht dabei das Maß bzw. die Ausdehnung des Innendurchgangs der Ausgleichsbuchse dem Sollmaß des Querschnitts des Befestigungselementes in dem entsprechenden Abschnitt des Befestigungselementes, sodass das Befestigungselement ohne Spiel (innerhalb von Fertigungstoleranzen) in die Ausgleichsbuchse eingeführt werden kann.
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Basierend auf dem so generierten digitalen 3D-Modell der Ausgleichsbuchse wird dies nun mit Hilfe einer automatisierten Herstellungsanlage hergestellt, wobei die automatisierte Herstellungsanlage beispielsweise eine Lasersinteranlage oder eine 3D-Druckanlage sein kann. Nachdem die Ausgleichsbuchse für das entsprechende Öffnungspaar hergestellt wurde, wird diese dann in die Öffnung des ersten Bauelementes eingesetzt, sodass das Befestigungselement formschlüssig und ohne Spiel (innerhalb von Fertigungstoleranzen) sowohl durch die Öffnung des ersten Bauelementes als auch durch die Öffnung des zweiten Bauelementes hindurchgeführt werden kann und die Bauelemente entsprechend aneinandergefügt werden können. Durch Fixieren bzw. Befestigen des Befestigungselementes, beispielsweise mittels eines Nietkopfes oder einer Schraube, werden die Bauelemente form- und kraftschlüssig aneinandergefügt.
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Hierdurch wir es möglich, teilausgerüstete Bauelemente in der Endmontage zu verwenden, da in der Endmontage nunmehr keine Bohrungen bzw. Öffnungen zum Hindurchführen von Befestigungselementen erzeugt werden müssen, was immer mit einer Schmutz- und Staubbelastung einhergeht. Vielmehr sind die Öffnungen zum Hindurchführen des Befestigungselementes in der Endmontage, d.h. beim Fügen der Bauelemente, bereits vorhanden, sodass die Bauelemente selber schon mit technischen Systemen ausgerüstet sein können, was die Endmontage bzw. die Montage der technischen Systeme insgesamt vereinfacht.
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Die beim Erzeugen der Öffnungen bedingten Fertigungstoleranzen, die in der Regel dazu führen würden, dass beim Fügen der Bauelemente die Öffnungen nicht so in Deckung gebracht werden können, dass das Befestigungselement sicher hindurchführbar ist, werden dadurch kompensiert, dass vor Ort, d.h. in der Endmontage, eine Ausgleichsbuchse hergestellt wird, die jene Fertigungstoleranzen ausgleicht. Somit lassen sich schließlich nicht nur vorgebohrte und teilausgerüstete Bauelemente verwenden, sondern die Endmontage wird auch in die Lage versetzt, die Bauteile mit einer sehr hohen Genauigkeit und Positionstreue an der vorgegebenen Sollposition zu fügen.
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Mit anderen Worten, der Toleranzausgleich in der Montage beim Fügen der Bauelemente wird nicht durch eine gemeinsame Bohrung erreicht, die immer mit einer Staub- und Schmutzemission einhergeht, sondern durch individuelles Anfertigen einer Toleranz ausgleichenden Buchse, die in einer der übergroßen, voreingebrachten Öffnungen eingesetzt und somit eine gemeinsame passgenaue Öffnung zum Hindurchführen des Befestigungselementes erzielt.
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Vorteilhafterweise wird demzufolge ein erstes Bauelement bereitgestellt, das mit einem technischen Systemteil ausgerüstet ist, und/oder das ein zweites Bauelement bereitgestellt wird, das mit einem technischen Systemteil ausgerüstet ist.
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Vorteilhafterweise wird das erste und/oder das zweite Bauelement bereitgestellt, indem in das erste Bauelement an der mindestens einen vorgegebenen Position die Öffnung eingebracht wird, bevor das erste Bauelement mit einem technischen System ausgerüstet wird, und/oder indem das zweite Bauelement an der zu der Position der Öffnung des ersten Bauelementes korrespondierenden Position eine Öffnung eingebracht wird, bevor das zweite Bauelement mit einem technischen System ausgerüstet wird.
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Vorteilhafterweise wird nach dem Einbringen der Öffnungen in die Bauelemente, aber vor dem Fügen der Bauelemente, das erste und/oder das zweite Bauelement mit einem technischen Systemteil ausgerüstet.
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Vorteilhafterweise werden die Öffnungen durch Bohren in das Bauelement eingebracht, sodass insbesondere kreisrunde Öffnungen entstehen. Das Befestigungselement weist hierfür einen Querschnitt auf, der diesen kreisrunden Öffnungen entspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Ausgleichsbuchse mittels eines Roboters in die Öffnung des ersten Bauelementes eingesetzt, wodurch die Ausgleichsbuchse präzise in Bezug auf die Öffnung des zweiten Bauelementes ausgerichtet in die Öffnung des ersten Bauelementes eingesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise wird zumindest das erste Bauelement so bereitgestellt, dass die mindestens eine Öffnung des ersten Bauelementes in einem Randbereich der Öffnung eine Markierung aufweist, die mittels der Messeinrichtung erfassbar ist. Eine solche Markierung kann z.B. dergestalt sein, dass sie optisch, elektronisch und/oder haptisch erfassbar ist, um so die Ausrichtung der Öffnung beim Vermessen der Öffnungen zueinander ermitteln zu können. Diese an dem ersten Bauelement angeordnete Markierung wird sodann mit Hilfe der Auswerteeinheit in das 3D-Modell der Ausgleichsbuchse integriert, sodass in Bezug auf die erfasste Markierung eine Art Koordinatensystem generiert werden kann, an dem sich die Vermessung orientiert. In das generierte 3D-Modell wird darüber hinaus ebenfalls eine Markierung angeordnet, um so die Ausrichtung der Ausgleichsbuchse in der Öffnung des ersten Bauelementes definieren zu können. Denn die Markierung an der Ausgleichsbuchse entspricht dabei der Ausrichtung in Bezug auf die Markierung an dem ersten Bauelement, wodurch beide Koordinatensysteme, nämlich das Koordinatensystem der Ausgleichsbuchse mit dem Koordinatensystem des Bauelementes, in Deckung werden können.
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Beim Einsetzen der Ausgleichsbuchse wird diese in Abhängigkeit von ihrer Markierung und der im Randbereich der Öffnung des ersten Bauelementes vorgesehenen Markierung ausgerichtet, sodass die Ausgleichsbuchse entsprechend ihrer Sollposition eingesetzt wird. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Roboters geschehen, der die Markierung an dem ersten Bauelement erfasst und entsprechend der Markierung an der Ausgleichsbuchse diese dann so gegen die Öffnung des ersten Bauelementes einsetzt, das die Ausgleichsbuchse entsprechend ihrer Sollposition eingesetzt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eines der Bauelemente aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und stellt insbesondere eine Schalenstruktur eines Flugzeuges dar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist jeweils das erste und das zweite Bauelement eine Mehrzahl von Öffnungen auf, sodass die Bauelemente mit Hilfe einer Mehrzahl von Befestigungselementen zusammengefügt werden können. Die Öffnungen des ersten Bauelementes korrespondieren dabei mit jeweils einer Öffnung des zweiten Bauelementes, sodass eine Mehrzahl von Öffnungspaaren gebildet wird.
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Für jedes Öffnungspaar wird nun gemäß dem vorliegenden Verfahren eine Ausgleichsbuchse hergestellt und eingesetzt, sodass jedes Befestigungselement passgenau in die vorgesehenen Öffnungen der jeweiligen Öffnungspaare eingeführt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden Bauelemente bereitgestellt, die eine Sandwich-Struktur aufweisen, die eine zwischen zwei Außenschichten angeordnete Kernschicht hat. Dabei sollen die Bauelemente mit einer derartigen Sandwich-Struktur miteinander gefügt werden, wobei hierfür die Bauelemente so bereitgestellt werden, dass das erste Bauelement im Fügebereich nur die Außenschichten ohne Kernschicht aufweist und das zweite Bauelement nur die Kernschicht ohne Außenschichten hat. Die Kernschicht des zweiten Bauelementes lässt sich sodann zwischen die vorgesehenen Außenschichten des ersten Bauelementes im Fügebereich einfügen, sodass im Fügebereich die Kernschichten des zweiten Bauelementes mit den Außenschichten des ersten Bauelementes ineinandergreifen und sich so überlappen.
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Die Bauelemente werden des Weiteren so bereitgestellt, dass entsprechende Öffnungen im Fügebereich vorgesehen sind, d.h. das zweite Bauelement weist entsprechende Öffnungen in der Kernschicht auf, während das erste Bauelement im Fügebereich Öffnungen in den Außenschichten hat. Dabei weist das erste Bauelement Öffnungen auf, die sowohl in der ersten als auch in der zweiten Außenschicht angeordnet sind, wobei eine Öffnung in der ersten Außenschicht mit einer Öffnung in der zweiten Außenschicht korrespondiert, um so das Befestigungselement durch die Öffnung der ersten Außenschicht hindurch durch die Öffnung der zweiten Außenschicht zu führen.
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Die Öffnungen des ersten Bauelementes im Fügebereich sind dabei mit einem Übermaß vorgesehen, so dass beim Fügen der Bauelemente für mindestens eine der Öffnungen eine Ausgleichsbuchse gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt und eingesetzt wird, um so einen passgenauen Befestigungskorridor zum Hindurchführen des Befestigungselementes bilden zu können.
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Demzufolge werden die Bauelemente ineinander geschoben und anschließend jede Öffnung der ersten Außenseite und jede Öffnung der zweiten Außenseite in Bezug zu den Öffnungen in der Kernschicht des zweiten Bauelementes vermessen und ein 3D-Modell einer Ausgleichsbuchse generiert, so dass basierend auf diesem 3D-Modell dann für jede Öffnung des ersten Bauelementes eine entsprechende Ausgleichsbuchse durch Lasersintern oder 3D-Druck hergestellt werden kann.
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Somit lassen sich auch Sandwichstrukturen ohne gemeinsames Bohren herstellen, so dass auch derartige Bauelemente teilausgerüstet in die Endmontage geliefert werden können.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einer Vorrichtung zur Herstellung einer derartigen Bolzenverbindung gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren gelöst, wobei die Vorrichtung eine Fixiereinrichtung zum Fixieren der aneinander angeordneten Bauelemente relativ zueinander aufweist, eine Messeinrichtung zum Vermessen der mindestens einen Öffnung in dem ersten Bauelement in Bezug zu der korrespondierenden Öffnung in dem zweiten Bauelement, eine Auswerteeinheit hat, die zum Generieren des digitalen 3D-Modells einer Ausgleichsbuchse ausgebildet ist, eine Herstellungsanlage aufweist, welche zum Herstellen der Ausgleichsbuchse gemäß dem erzeugten 3D-Modell ausgebildet ist sowie einen Roboter aufweist, der zum Aufnehmen der hergestellten Ausgleichsbuchse aus der automatisierten Herstellungsanlage und zum Einsetzen der hergestellten Ausgleichsbuchse in die vorgesehene Öffnung des ersten Bauelementes ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 - Schematische Darstellung einer Vorrichtung bzw. Anlage zur Durchführung des Verfahrens;
- 2 - Schematische Darstellung einer Bolzenverbindung in einer ersten Ausführungsform;
- 3 - Schematische Darstellung einer Bolzenverbindung in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch eine Anlage 10, mit der nahezu voll automatisiert ein erstes Bauelement 101 mit einem zweiten Bauelement 102 gefügt werden soll, ohne dass die Öffnungen zum Hindurchführen des für die form- und kraftschlüssige Verbindung notwendigen Befestigungselementes 103 in der Endmontage durch Bohren oder Ähnliches hergestellt werden müssen. Vielmehr befinden sich die Öffnungen 110 in dem ersten Bauelement 101 und 120 in dem zweiten Bauelement 102 bereits in den Bauelementen, wobei die Bauelemente 101 und 102 so bereitgestellt werden, dass die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 größer ist als der Querschnitt des Schaftes 104 des Befestigungselementes 103, so dass aufgrund von Fertigungstoleranzen entstehende Abweichungen der einzelnen Öffnungen zueinander ausgeglichen werden können.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 wird dabei eine Bolzenverbindung 100 durch das Befestigungselement 103 hergestellt, wobei die Bauelemente 101 und 102 nach dem Hindurchführen des Befestigungselementes 103 durch die entsprechenden Öffnungen 110 und 120 eine form- und kraftschlüssige Verbindung der beiden Elemente erlaubt.
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Vor dem Herstellen der Bolzenverbindung 100 werden die beiden Bauelemente 101 und 102 zunächst aneinander angeordnet, und zwar so, wie sie später auch aneinandergefügt werden sollen. Die beiden Bauelemente 101 und 102 werden somit relativ zueinander an einer vorgegebenen Sollposition (innerhalb von fertigungsbedingten Toleranzen) angeordnet und mithilfe einer Fixiereinrichtung 20 fixiert.
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Die Fixiereinrichtung 20 ist im Ausführungsbeispiel der 1 so ausgebildet, dass sie die beiden flächigen Bauelemente 101 und 102 klemmend fixiert. Selbstverständlich sind in Bezug auf die Fixiereinrichtung 20 viele Elemente denkbar, die ein lösbares Anordnen der beiden Bauelemente 101 und 102 zum Zwecke der Montage ermöglicht.
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Sind die beiden Bauelemente 101 und 102 in ihrer Sollposition fixiert, so ist, wie in 1 zu erkennen, die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 größer als die Öffnung 120 des zweiten Bauelementes, wobei die Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 im Ausführungsbeispiel der 1 dem Maß des Querschnittes des Schaftes 104 des Befestigungselementes 103 entspricht. Mit anderen Worten, die Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 weist somit einen Querschnitt auf, der dem Querschnitt des Schaftes 104 des Befestigungselementes 103 so entspricht, dass das Befestigungselement 103 ohne Spiel passend in die Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 eingeführt werden kann. Ohne Spiel meint hierbei innerhalb von Fertigungstoleranzen.
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Die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 ist gegenüber der Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 größer, so dass beim Einführen des Befestigungselementes 103 hier ein Spiel entstehen würde, das einer entsprechenden form- und kraftschlüssigen Verbindung abträglich wäre. Da aufgrund von fertigungsbedingten Toleranzen die Mittelpunkte der beiden Öffnungen 110 und 120 nach dem fixierenden Anordnen der beiden Bauelemente 101 und 102 zueinander nicht fluchten oder zumindest in der Regel nicht fluchten würden, kann durch eine entsprechende Herstellung einer Ausgleichsbuchse 105, die in die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 eingeführt wird, erreicht werden, dass die Mittelpunkte der beiden Öffnungen in dem Bauelementen 101 und 102 fluchten, so dass das Befestigungselement 103 passgenau eingeführt und form- und kraftschlüssig fixiert werden kann. Mit anderen Worten, der Mittelpunkt der Öffnung ohne Ausgleichsbuchse fluchtet mit dem Mittelpunkt des Durchgangs der Ausgleichsbuchse, wenn diese in die entsprechende Öffnung eingesetzt wurde.
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In der Regel würde dabei die Ausgleichsbuchse einen Innendurchgang aufweisen, der nicht exzentrisch zu der Ausgleichsbuchse liegt, wodurch die Exzentrizität im Verhältnis der beiden Öffnungen 110 und 120 zueinander ausgeglichen werden kann.
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Hierfür weist die Anlage 10 eine Messeinrichtung 30 auf, die beispielsweise ein Lasermessinstrument sein kann, wobei die Messeinrichtung 30 nunmehr die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 in Bezug auf die Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 vermisst. Die durch die Messeinrichtung 30 erzeugten Messdaten werden dann in eine Auswerteeinheit 40 eingespeist, die dabei so ausgebildet ist, dass sie basierend auf den Messdaten von der Messeinrichtung 30 dann ein digitales 3D-Modell einer Ausgleichsbuchse 105 für die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 generiert.
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Das von der Auswerteeinheit 40 generierte 3D-Modell der Ausgleichsbuchse, das beispielsweise in herkömmlichen CAD/CAM-Formaten vorliegen kann, ist dabei dergestalt, dass die Ausgleichsbuchse eine äußere Mantelfläche (äußeren Umfang bzw. äußere Seitenfläche) aufweist, die der Innenwandung (innere Seitenfläche) 111 der Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 entspricht. Dadurch kann die Ausgleichsbuchse 105 passgenau und formschlüssig in die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 eingefügt werden.
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Um ein Fluchten der Öffnungsmittelpunkte zwischen dem ersten Bauelement 101 und dem zweiten Bauelement 102 zu erreichen, weist die Ausgleichsbuchse einen Innendurchgang 106 (2, 3) auf, der der Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 entspricht, so dass der Mittelpunkt bzw. Mitteldurchgang des Innendurchganges 106 der Ausgleichsbuchse 105 mit dem Mittelpunkt bzw. Mitteldurchgang der Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 fluchtet. Somit kann das Befestigungselement im Ausführungsbeispiel der 1, 2 und 3 passgenau in die Öffnungen eingeführt werden.
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Mit anderen Worten, die Innenwandung (innere Seitenfläche) des Innendurchganges 106 der Ausgleichsbuchse 105 entspricht dabei der Innenwandung (innere Seitenfläche) 121 der Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102, so dass das Befestigungselement 103 passgenau eingeführt und durch die beiden Bauelemente 101 und 102 hindurchgeführt werden kann. Die bestehende Exzentrizität zwischen der Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 und der Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 wird durch die Ausgleichsbuchse aufgehoben.
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Die Anlage 10 weist des Weiteren eine mit der Auswerteeinheit 40 verbundene automatisierte Herstellungsanlage 50 auf, die beispielsweise eine Lasersinteranlage oder ein 3D-Drucker sein kann. Basierend auf dem generierten 3D-Modell der Ausgleichsbuchse 105 wird nun eine Ausgleichsbuchse materiell und physisch hergestellt, und zwar mithilfe der automatisierten Herstellungsanlage 50 in Abhängigkeit von dem generierten 3D-Modell der Ausgleichsbuchse 105. Wird als zugrundeliegendes Material für die Bauelemente 101 und 102 beispielsweise ein Faserverbundwerkstoff verwendet, so kann das Material zur Herstellung der Ausgleichsbuchse 105 beispielsweise ein Titanwerkstoff oder ein Aluminiumwerkstoff sein. Denkbar ist aber auch, dass hier ein Kunststoffmaterial verwendet wird, das mithilfe einer als 3D.Drucker ausgebildeten automatisierten Herstellungsanlage 50 die Ausgleichsbuchse 105 nach Vorgaben des generierten 3D-Modells herstellt.
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Nachdem die automatisierte Herstellungsanlage 50 die Ausgleichsbuchse 105 hergestellt hat, wird dies der Auswerteeinheit 40 signalisiert, woraufhin die Auswerteeinheit 40 mithilfe einer Steuerungslogik 60 einen Roboter 70 ansteuert, der die Ausgleichsbuchse 105 aus der automatisierten Herstellungsanlage 50 aufnimmt und in die vorgesehene Öffnung 110 des ersten Bauelementes einfügt. Der Roboter 70 kann dabei beispielsweise ein Knickarmroboter oder ein anderweitiger Industrieroboter sein, dessen Endeffektor eine Aufnahmeeinrichtung 71 ist, die zum Aufnehmen der hergestellten Ausgleichsbuchse 105 aus der automatisierten Herstellungsanlage 50 und zum Einsetzen der Ausgleichsbuchse in die Öffnung 110 des ersten Bauelementes 101 ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise weist das Befestigungselement 103 zumindest an der Seite des ersten Bauelementes 101 einen Kopf bzw. Flansch 108 auf, dessen Querschnittausdehnung größer ist als die Ausgleichsbuchse 105. Hierdurch wird erreicht, dass der Kopf bzw. Flansch 108 des Befestigungselementes 103 nicht nur die Ausgleichsbuchse 105 flächig kontaktiert, sondern auch im Randbereich der Öffnung 110 im ersten Bauelement 101 an dem ersten Bauelement 101 anliegt, sodass eine entsprechende Flächenpressung der beiden Fügepartner 101 und 102 realisiert werden kann.
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Ist in beiden Öffnungen der beiden Bauelemente 101 und 102 jeweils eine Ausgleichsbuchse vorgesehen, so ist es vorteilhaft, wenn an dem Befestigungselement 103 jeweils an beiden Enden ein entsprechender Kopf bzw. Flansch vorgesehen ist, der größer ist als die jeweilige Ausgleichsbuchse, um die Flächenpressung über die Bauelemente zu bewirken.
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2 zeigt ein Beispiel, bei dem das erste Bauelement 101 flächig an dem zweiten Bauelement 102 anliegt, wobei eine flächige Seite des ersten Bauelementes und eine flächige Seite des zweiten Bauelementes jeweils eine Außenfläche darstellen.
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Dargestellt sind in 2 jeweils drei Öffnungspaare, so dass sowohl im ersten Bauelement 101 als auch im zweiten Bauelement 102 jeweils drei Öffnungen vorgesehen sind. Die Anzahl der Öffnungen ist dabei beliebig und für die Erfindung nicht beschränkend und hängt letztendlich von den Anforderungen im jeweiligen Einsatzgebiet ab.
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Für jedes Öffnungspaar bzw. für jede Öffnung 110 in dem ersten Bauelement 101 wurde dabei individuell eine Ausgleichsbuchse 105 angefertigt, wobei sich die Position des Innendurchgangs 106 bei jeder Ausgleichsbuchse unterscheiden kann.
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Im Randbereich der jeweiligen Öffnungen 110 kann dabei eine Markierung 112 vorgesehen sein, um die Ausrichtung der Exzentrizität der Öffnung 110 des ersten Bauelementes in Bezug auf die Öffnung 120 des zweiten Bauelementes 102 hinsichtlich der Orientierung und Ausrichtung bestimmen zu können. Diese Markierung 112 wird dabei von der Messeinrichtung 30 mit erfasst und in das 3D-Modell der Ausgleichsbuchse mit integriert. In der Ausgleichsbuchse 105 wird des Weiteren ebenfalls eine Markierung angeordnet, die in Bezug auf die erfasste Markierung 112 am ersten Bauelement vorgesehen ist, so dass durch Ausrichten der Markierung 107 an der Ausgleichsbuchse an der Markierung 112 am ersten Bauelement 101 die Ausgleichsbuchse 105 in ihrer entsprechenden Sollposition angeordnet werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist ein erstes Bauelement 101 gezeigt, das eine Sandwichstruktur aufweist. Hierfür weist das erste Bauelement 101 eine erste Außenschicht 113 und eine zweite Außenschicht 114 auf zwischen denen eine Kernschicht 115 vorgesehen ist. Im Fügebereich befindet sich darüber hinaus keine Kernschicht 115.
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In den Außenschichten 113 und 114 befinden sich gemäß der vorliegenden Erfindung Öffnungen 110, wobei eine Öffnung in der ersten Außenschicht 113 jeweils eine korrespondierende Öffnung in der zweiten Außenschicht 114 hat, durch die ein gemeinsames Befestigungselement 103 geführt werden soll.
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In ähnlicher Art und Weise ist auch das zweite Bauelement 102 ausgebildet, das ebenfalls eine erste Außenschicht 123 und eine zweite Außenschicht 124 aufweist, wobei zwischen den Außenschichten 123 und 124 eine Kernschicht 125 vorgesehen ist. Im Fügebereich sind allerdings entgegen dem ersten Bauelement 101 keine Außenschichten 123 und 124 vorgesehen, so dass im Fügebereich des zweiten Bauelementes 102 lediglich eine Kernschicht 125 verbleibt.
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Durch die Kernschicht 125 sind jeweils Öffnungen geführt, die mit den Öffnungen des ersten Bauelementes in den Außenschichten 113 und 114 korrespondieren und so beim Zusammenschieben entsprechende Öffnungspaare zum Hindurchführen eines Befestigungselementes 103 bilden.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 sind dabei die Öffnungen in den Außenschichten 113 und 114 des ersten Bauelementes 101 in einem Übermaß gefertigt, so dass für diese Öffnungen in Bezug auf die korrespondierende Öffnung in der Kernschicht 125 des zweiten Bauelementes 102 eine Ausgleichsbuchse gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt und in die jeweilige Öffnung eingesetzt wird.
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Somit kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 eine Bolzenverbindung geschaffen werden, mit der sich Sandwichstrukturen form- und kraftschlüssig miteinander verbinden lassen, ohne dass hierfür in der Endmontage entsprechende Passbohrungen hergestellt werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 10 -
- Anlage
- 20 -
- Fixiereinrichtung
- 30 -
- Messeinrichtung
- 40 -
- Auswerteeinheit
- 50 -
- automatisierte Herstellungsanlage
- 60 -
- Steuerungslogik
- 70 -
- Roboter
- 71 -
- Aufnahmeeinheit des Roboters
- 100 -
- Bolzenverbindung
- 101 -
- erstes Bauelement
- 102 -
- zweites Bauelement
- 103 -
- Befestigungselement
- 104 -
- Schaft des Befestigungselementes
- 105 -
- Ausgleichsbuchse
- 106 -
- Innendurchgang der Ausgleichsbuchse
- 107 -
- Markierung der Ausgleichsbuchse
- 108 -
- Flansch des Befestigungselementes
- 110 -
- Öffnung im ersten Bauelement
- 111 -
- Innenwandung der Öffnung des ersten Bauelementes
- 112 -
- Markierung am ersten Bauelement
- 113 -
- erste Außenschicht des ersten Bauelementes
- 114 -
- zweite Außenschicht des ersten Bauelementes
- 115 -
- Kernschicht des ersten Bauelementes
- 120 -
- Öffnung im zweiten Bauelement
- 121 -
- Innenwandung der Öffnung im zweiten Bauelement
- 123 -
- erste Außenschicht des zweiten Bauelementes
- 124 -
- zweite Außenschicht des zweiten Bauelementes
- 125 -
- Kernschicht des zweiten Bauelementes
