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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zum Verbinden von Polymerverbundwerkstoffen und anderen Materialien unter Verwendung von selbststanzender Nieten.
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HINTERGRUND
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Die hierin bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Kontextes der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder im in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung nicht anderweitig als Stand der Technik gelten, gelten gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch konkludent als Stand der Technik.
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Kohlefaserverstärkte Thermoplaste (CFRTP) wie kohlenstofffaserverstärkte Nylon-Verbundwerkstoffe weisen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf, was diese Materialien für den Einsatz in Automobilanwendungen wünschenswert macht. Um zum Beispiel das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, wurden diese Materialien in Teilen wie Luftansaugkrümmer, Luftfiltergehäuse, Resonatoren, Zahnräder, Kühlerlüfter und Kühlerbehältern verwendet. Trotz dieser Vorteile ist die Anzahl der Anwendungen für CRFTP-Materialien aufgrund der aktuellen Prozesse, die für die Verbindung von CRFTP-Materialien zur Verfügung stehen, begrenzt. Daher besteht ein Bedarf an verbesserten Prozessen zum Verbinden von CRFTP-Materialien.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein erstes exemplarisches Verfahren zum Verbinden der ersten und zweiten Materialschichten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Aufbringen einer Klebstoffschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht und die vollständige Aushärtung oder zumindest teilweise Aushärtung der Klebeschicht. Das erste exemplarische Verfahren beinhaltet ferner das Durchstechen der ersten Schicht mit einem kopflosen Ende einer Niete, nachdem die Klebeschicht ausgehärtet ist, die zweite Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets verformt und das kopflose Ende des Niets radial nach außen gebogen wird.
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Ein zweites exemplarisches Verfahren zum Verbinden erster und zweiter Materialschichten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Aufbringen einer Klebstoffschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht und die vollständige Aushärtung oder zumindest teilweise Aushärtung der Klebeschicht. Das zweite exemplarische Verfahren beinhaltet ferner das Durchstechen der ersten Schicht mit einem kopflosen Ende eines Nietes, nachdem die Klebeschicht ausgehärtet ist, Verformen der zweiten Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets und Biegen des kopflosen Endes des Niets radial nach außen und axial nach oben in Richtung der ersten Schicht.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken den Umfang der Offenbarung nicht ein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin:
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1A, 1B und 1C sind schematische Schnittansichten eines exemplarischen Selbststanz-Nietsystems zum Verbinden von zwei Materialschichten ohne Klebstoff gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2A, 2B und 2C sind schematische Schnittansichten eines exemplarischen Selbststanz-Nietsystems zum Verbinden von zwei Materialschichten mit Klebstoff gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist eine tatsächliche Schnittansicht eines exemplarischen Nietgelenks ohne Klebstoff gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist eine tatsächliche Schnittansicht eines exemplarischen Nietgelenks mit Klebstoff gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei ein Stanzniet in zwei Materialschichten eingefügt wird, nachdem der Klebstoff ausgehärtet werden kann;
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5 ist eine tatsächliche Schnittansicht eines exemplarischen Nietgelenks mit Klebstoff gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei ein Stanzniet in zwei Materialschichten eingeführt wird, bevor der Klebstoff aushärten kann; und
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6 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Verbinden von zwei Materialschichten unter Verwendung eines Stanzniets gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein Prozess zum Verbinden von CRFTP-Materialien wird als Stanznieten bezeichnet. In diesem Prozess wird ein Stanzniet in mehrere Materialschichten (oder Werkstücken) eingefügt, um die Schichten miteinander zu verbinden. Der Niet beinhaltet einen Kopf und ein kopfloses Ende oder Schaft, um das Material durchbohren zu können. Wenn der Niet nach unten in die Schichten eingeführt wird, durchdringt der Schaft durch die obere Schicht und verformt dann die untere Schicht ohne Durchstechen in die untere Schicht. Wenn der Schaft die untere Schicht verformt, sitzt der Kopf in der oberen Schicht, und eine Düse biegt den Schaft radial nach außen, sodass die Schichten zwischen dem Kopf und dem Schaft geklemmt werden.
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Das Verbinden von CRFTP-Materialien mit dem selbststanzenden Niet erfüllt die Befestigungsgeschwindigkeit und die Schälfestigkeitsanforderungen der meisten Fahrzeuganwendungen. Aufgrund der großen Verformungsrate, die mit diesem Verfahren verbunden ist, und der begrenzten Formbarkeit von CRFTP-Materialien bei Raumtemperatur kann jedoch ein selbststanzendes Nieten zu Rissbildung führen. Teilrissbildung kann die Festigkeit des Nietgelenks verringern, was die Teilequalität verringern kann.
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Ein selbststanzender Nietvorgang gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt diese Probleme unter Verwendung eines Nietes und einer Matrize, die so ausgelegt sind, dass der Schaft des Niets in die untere Schicht durchdringt, bevor der Schaft radial nach außen und nach oben gebogen wird. Darüber hinaus sind die Nieten und die Matrize so ausgelegt, dass der Schaft des Niets nicht nur radial nach außen gebogen wird, sondern auch nach oben zu den Werkstücken gebogen wird, um eine Hinterschneidung zu bilden. Im Gegenzug bildet sich zwischen dem Niet und den Werkstücken eine mechanische Verriegelung, was die Teilrissbildung minimiert und die Empfindlichkeit der Gelenkfestigkeit verringert, um die Rissbildung zu bewältigen.
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Es gibt mehrere Parameter, die sich auf die Gestaltung des Niets und der Matrize beziehen, die beeinflussen, ob der Schaft des Niets die untere Schicht durchdringt und ob der Schaft nach dem Durchstechen der Werkstücke nach oben zu den Werkstücken gebogen wird. Darüber hinaus beeinflussen die Lehre (oder Dicke) der Werkstücke und die Reihenfolge, in der die Werkstücke aufeinander gestapelt werden, das Verhalten des Niets während des Fügevorgangs. Daher können umfangreiche Test- und Fehlerprüfungen erforderlich sein, um die optimalen Prozessparameter wie Niet- und Düsenkonstruktionen zu finden, die eine maximale Verbindungsfestigkeit ergeben.
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In einem Beispiel können die Entwürfe eines Nietes und einer Düse optimiert werden, um eine maximale Verbindungsfestigkeit zu erzielen, wenn der Niet verwendet wird, um eine 3-Millimeter (mm) Schicht aus CRFTP-Material zu verbinden, die auf eine 2-mm-Schicht aus CRFTP-Material gestapelt wird. Wenn jedoch die 2-mm-Schicht auf die 3-mm-Schicht gestapelt wird, können die Niete und die Matrize neu gestaltet werden, um eine maximale Verbindungsfestigkeit zu erzielen. So kann der Niet und die Matrize jedes Mal neu gestaltet werden, wenn sich die Stapelreihenfolge der Schichten ändert.
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Ein selbststanzendes Nietverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung behandelt diese Probleme durch Aufbringen eines Klebstoffs zwischen zwei Materialschichten und ermöglicht das vollständige Aushärten oder zumindest teilweisem Aushärten des Klebstoffs vor dem Einsetzen des Niets in die beiden Schichten. Durch das Aufbringen von Klebstoff zwischen den beiden Schichten und dem Aushärten des Klebstoffs wird der Niet im Wesentlichen in ein einzelnes Werkstück mit zwei Schichten eingesetzt, anstatt in zwei getrennte Werkstücke eingesetzt zu werden. Infolgedessen können die Konstruktionen des Nietes und der Matrize optimiert werden, um eine maximale Verbindungsfestigkeit unabhängig von der Reihenfolge zu erhalten, in der die Schichten aufeinander gestapelt werden. Somit kann ein selbststanzender Nietvorgang unter Verwendung von Klebstoff gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um die Anzahl von Niet- und Matrizenentwürfen zu reduzieren.
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Wie vorstehend angedeutet, wird bei herkömmlichen selbststanzenden Nietvorgängen, wenn der Niet nach unten in zwei Schichten aus CRFTP-Material eingeführt wird, der Schaft durch die obere Schicht durchdringt und dann die untere Schicht ohne Durchstechen in die untere Schicht verformt. Wenn daher Klebstoff zwischen der oberen und der unteren Schicht aufgebracht wird und der Klebstoff aushärtet bevor der Niet nach unten in die Schichten eingeführt wird, kann das Einsetzen des Niets zu einer Teilrissbildung führen, was zu einer teilweisen Delaminierung um den Klebstoff führen kann. Daher beinhalten herkömmliche selbststanzende Nietvorgänge nicht das Aufbringen von Klebstoff zwischen zwei Schichten aus CRFTP-Material, bevor ein Niet in die gehärteten Schichten eingeführt wird.
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Im Gegensatz dazu wird, wie vorstehend erörtert, bei einem selbststanzenden Nietvorgang gemäß der vorliegenden Offenbarung, wenn der Niet nach unten in zwei Schichten aus CRFTP-Material eingeführt wird, der Schaft die untere Schicht durchdringen. Zusätzlich ist der Schaft radial nach außen und nach oben gebogen, um eine mechanische Verriegelung zwischen dem Niet und den Werkstücken zu bilden. Somit kann Klebstoff zwischen den beiden Schichten aufgebracht werden und vor dem Einsetzen des Niets in die beiden Schichten aushärten, da die mechanische Verriegelung eine Teilrissbildung und eine Delaminierung minimiert, die andernfalls auftreten kann, wenn Klebstoff zwischen den Schichten aufgebracht wird. Somit kann Klebstoff verwendet werden, um die Anzahl von Niet- und Matrizenkonstruktionen zu reduzieren, die für eine Fahrzeuganwendung erforderlich sind, ohne die Schälfestigkeit der Nietverbindung zu verringern.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1A, 1B und 1C, ist ein exemplarisches Selbststanz-Nietverfahren zum Verbinden mehrerer Materialschichten ohne Klebstoff dargestellt. Bei diesem Verfahren werden eine erste Materialschicht 10 aus Material und eine zweite Materialschicht 12 auf einer Matrize 14 angeordnet, die unterhalb eines Nietsetzwerkzeuges 16 angeordnet ist. Die erste und die zweite Schicht 10 und 12 können relativ flache Platten sein, und die Matrize 14 kann zylindrisch mit einem hohlen Innenraum oder Hohlraum 18 sein. Das Nieteinführwerkzeug 16 beinhaltet ein Rohr 20 mit einem hohlen Innenraum 22 und einen Kolben 24, der innerhalb des hohlen Innenraums 22 des Rohres 20 beweglich ist. Der Kolben 24 hält einen Stanzniet 26 mit einem Kopf 28 und einem kopflosen Ende oder Schaft 30. Der Schaft 30 ist so konfiguriert, dass er durch Material durchdringt. Der Schaft 30 weist beispielsweise ein distales Ende 31 auf, das scharf ist. Alternativ kann das distale Ende 31 des Schaftes 30 stumpf sein.
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Sobald die erste und die zweite Schicht 10 und 12 auf der Matrize 14 positioniert sind, wird das Nieteinführwerkzeug 16 in einer Abwärtsrichtung 17 bewegt, bis das Rohr 20 des Nieteinführungswerkzeugs 16 die erste Schicht 10 berührt, wie in 1A gezeigt. In dieser Position sind die ersten und zweiten Schichten 10 und 12 zwischen dem Rohr 20 des Nieteinführwerkzeugs 16 und der Matrize 14 geklemmt. Der Kolben 24 des Nieteinführungswerkzeugs 16 wird dann betätigt, um den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 zu einer Bodenfläche 32 der Matrize 14 zu bewegen.
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Wenn der Kolben 24 den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt der Schaft 30 des Niets 26 die erste Schicht 10, wie in 1B gezeigt. Wenn der Kolben 24 weiterhin den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt und verformt der Schaft 30 des Niets 26 die zweite Schicht 12, wie in 1C gezeigt. Wenn der Schaft 30 die zweite Schicht 12 verformt, biegt ein halbkugelförmiger Vorsprung 34, der auf der Bodenfläche 32 der Matrize 14 ausgebildet ist, den Schaft 30 radial nach außen und in einer Aufwärtsrichtung 35 zu der ersten Schicht 10 hin. Der Kolben 24 kann in der Abwärtsrichtung 17 bewegt werden, bis sich der Kolben 24 um mindestens einen vorbestimmten Abstand bewegt hat und/oder bis die Kraft, die durch den Kolben 24 auf den Niet 26 ausgeübt wird, größer oder gleich einer vorbestimmten Kraft ist.
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Wenn der Kolben 24 aufhört, sich in der Abwärtsrichtung 17 zu bewegen, sitzt der Kopf 28 des Niets 26 vollständig in der ersten Schicht 10 und der Schaft 30 ist radial nach außen und nach oben gebogen, um eine mechanische Verriegelung zu bilden. Als Ergebnis werden die erste und die zweite Schicht 10 und 12 zwischen dem Kopf 28 des Niets 26 und dem Schaft 30 des Niets 26 so festgeklemmt, dass die ersten und zweiten Schichten 10 und 12 durch die Niete 26 miteinander verbunden sind. Das Nieteinführwerkzeug 16 wird dann in der Aufwärtsrichtung 35 bewegt, wobei der Niet 26 in der ersten und der zweiten Schicht 10 und 12 in Position bleibt. Die Abwärts- und Aufwärtsrichtungen 17 und 35 können als axiale Richtungen bezeichnet werden, und die radial nach außen gerichtete Richtung, in der der Schaft 30 gebogen ist, ist senkrecht zu diesen axialen Richtungen.
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Der Schaft 30 kann nur teilweise in die zweite Schicht 12 eingesetzt werden, oder der Schaft 30 kann vollständig durch die zweite Schicht 12 eingeführt werden. Zusätzlich kann der Schaft 30 nach oben in Richtung der ersten Schicht 10 gebogen werden, indem er den Grad variiert. So kann beispielsweise der Schaft 30 nur geringfügig nach oben gebogen werden, wie in 1C gezeigt, oder der Schaft 30 kann um einen größeren Grad nach oben gebogen werden, sodass das distale Ende des Schaftes 30 zur ersten Schicht 20 weist.
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Mehrere Parameter, die sich auf die Gestaltung des Niets 26 und der Matrize 14 beziehen, können optimiert werden, um sicherzustellen, dass der Schaft 30 die zweite Schicht 12 durchdringt und der Schaft 30 nach dem Durchstechen der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 nach oben in Richtung der ersten Schicht 10 gebogen wird. Diese Auslegungsparameter können eine Länge 36 des Niets 26, eine Höhe 38 des Vorsprungs 34, andere geometrische Aspekte des Vorsprungs 34, eine Tiefe 40 des Hohlraums 18 in der Matrize 14, einen Durchmesser 42 des Hohlraums 18, ein Volumen des Hohlraums 18 und/oder eine Beziehung zwischen zwei oder mehreren der vorgenannten Parameter beinhalten. Zusätzlich können ein oder mehrere dieser Entwurfsparameter auf der Grundlage einer ersten Dicke 44 der ersten Schicht 10, einer zweiten Dicke 46 der zweiten Schicht 12, der in den ersten und zweiten Schichten 10 und 12 beinhalteten Materialtypen und/oder die Festigkeit des Materials, das in den ersten und zweiten Schichten 10 und 12 beinhaltet sind, ermitteln.
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In einem Beispiel kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 40 Prozent größer sein als eine Summe der ersten und zweiten Dicken 44 und 46. Wenn also die erste und die zweite Dicke 44 und 46 jeweils 2,5 mm betragen, kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 7 mm betragen. In anderen Beispielen kann die Höhe 38 des Vorsprungs 34 in einem Bereich von 0 mm bis 2 mm liegen und die Tiefe 40 des Hohlraums 18 kann in einem Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegen.
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In 1A, 1B und 1C ist der Abschnitt der Bodenfläche 32 der Matrize 14, der den Vorsprung 34 umgibt, flach. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann jedoch die Bodenfläche 32 der Matrize 14 eine ringförmige Rinne definieren, die sich vollständig um den Vorsprung 34 herum erstreckt und einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Die Mulde kann in die zweite Schicht 12 und/oder den Schaft 30 eingreifen, um den Schaft 30 in der Aufwärtsrichtung 35 zu biegen.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2A, 2B und 2C, ist ein exemplarischer selbststanzender Nietvorgang zum Verbinden mehrerer Materialschichten mit Klebstoff dargestellt. Bei diesem Verfahren wird eine Schicht 48 aus Klebstoff auf mindestens eine der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 aufgebracht, und dann wird die erste Schicht 10 auf die zweite Schicht 12 gelegt, sodass die Klebeschicht 48 zwischen der ersten und der zweiten Schicht 10 und 12 angeordnet ist. In einem Beispiel ist der Klebstoff Plexus® MA530.
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Die Klebeschicht 48 weist eine dritte Dicke 50 auf, die eine Funktion der ersten und zweiten Dicken 44 und 46 der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 und/oder der Materialfestigkeit der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 sein kann. In einem Beispiel kann die dritte Dicke 50 zwischen 3 Prozent und 30 Prozent der Summe der ersten und zweiten Dicken 44 und 46 liegen. Wenn also die erste und die zweite Dicke 44 und 46 jeweils 2,5 mm betragen, kann die dritte Dicke 50 zwischen 0,15 mm und 1,5 mm liegen. In einem anderen Beispiel kann die dritte Dicke 50 kann zwischen 5 Prozent und 25 Prozent der Summe der ersten und zweiten Dicken 44 und 46 liegen. Wenn also die erste und die zweite Dicke 44 und 46 jeweils 2,5 mm betragen, kann die dritte Dicke 50 zwischen 0,25 mm und 1,25 mm liegen.
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Nach der Klebstoffschicht 48 zwischen der ersten und zweiten Schichten 10 und 12, die Klebeschicht 48 wird vollständig auszuhärten oder mindestens teilweise härten. In einem Beispiel, das es ermöglicht, dass die Klebeschicht 48 vollständig aushärtet, beinhaltet das Aussetzen der Klebeschicht 48 auf Raumtemperatur für eine erste vorbestimmte Zeitspanne (z. B. 60 Minuten bis 90 Minuten). In einem anderen Beispiel, das es ermöglicht, dass die Klebeschicht 48 vollständig aushärtet, wird das Erwärmen der Klebeschicht 48 auf eine vorbestimmte Temperatur (z.B. ungefähr 100 Grad Celsius (°C)) für eine zweite vorbestimmte Periode (z.B. 10 Minuten) eingestellt. In einem anderen Beispiel, das es ermöglicht, dass die Klebeschicht 48 zumindest teilweise aushärtet, besteht die Belichtung der Klebeschicht 48 auf Raumtemperatur für mindestens einen ersten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 % (%), 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 %) der ersten vorbestimmten Periode. In einem anderen Beispiel, das es der Kleberschicht 48 ermöglicht, zumindest teilweise zu härten, wird das Erwärmen der Klebeschicht 48 auf die vorbestimmte Temperatur für mindestens einen zweiten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 %) der zweiten vorbestimmten Periode.
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Sobald die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise gehärtet ist, sind die erste und die zweite Schicht 10 und 12 und die Klebeschicht 48 auf der Matrize 14 positioniert, wie in 2A gezeigt. Der Rest des Verfahrens ähnelt dem mit Bezug auf die 1A, 1B und 1C. Im Gegensatz zu dem Verfahren der 1A, 1B und 1C wird jedoch der Niet 26 in die Klebeschicht 48 sowie die erste und die zweite Schicht 10 und 12 eingesetzt.
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Sobald die erste und die zweite Schicht 10 und 12 auf der Matrize 14 positioniert sind, wird das Nieteinführwerkzeug 16 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, bis das Rohr 20 des Nieteinführungswerkzeugs 16 die erste Schicht 10 berührt, wie in 2A gezeigt. In dieser Position sind die ersten und zweiten Schichten 10 und 12 zwischen dem Rohr 20 des Nieteinführwerkzeugs 16 und der Matrize 14 geklemmt. Der Kolben 24 des Nietsetzwerkzeugs 16 wird dann betätigt, um den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 zur Bodenfläche 32 der Matrize 14 zu bewegen.
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Wenn der Kolben 24 den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt der Schaft 30 des Niets 26 die erste Schicht 10, wie in 2B gezeigt. Wenn der Kolben 24 weiterhin den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt und verformt der Schaft 30 des Niets 26 die zweite Schicht 12, wie in 2C gezeigt. Wenn der Schaft 30 die zweite Schicht 12 verformt, biegt der Vorsprung 34 auf der Bodenfläche 32 der Matrize 14 den Schaft 30 radial nach außen und in der Aufwärtsrichtung 35 zu der ersten Schicht 10 hin. Der Kolben 24 kann in der Abwärtsrichtung 17 bewegt werden, bis sich der Kolben 24 um mindestens einen vorbestimmten Abstand bewegt hat und/oder bis die Kraft, die durch den Kolben 24 auf den Niet 26 ausgeübt wird, größer oder gleich einer vorbestimmten Kraft ist.
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Wenn der Kolben 24 aufhört, sich in der Abwärtsrichtung 17 zu bewegen, sitzt der Kopf 28 des Niets 26 vollständig in der ersten Schicht 10 und der Schaft 30 ist radial nach außen und nach oben gebogen, um eine mechanische Verriegelung zu bilden. Als Ergebnis werden die erste und die zweite Schicht 10 und 12 zwischen dem Kopf 28 des Niets 26 und dem Schaft 30 des Niets 26 so festgeklemmt, dass die ersten und zweiten Schichten 10 und 12 durch die Niete 26 miteinander verbunden sind. Das Nieteinführwerkzeug 16 wird dann in der Aufwärtsrichtung 35 bewegt, wobei der Niet 26 in der ersten und zweiten Schicht 10 und 12 und der Klebeschicht 48 in Position bleibt.
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Der Schaft 30 kann nur teilweise in die zweite Schicht 12 eingesetzt werden, oder der Schaft 30 kann vollständig durch die zweite Schicht 12 eingeführt werden. Zusätzlich kann der Schaft 30 nach oben in Richtung der ersten Schicht 10 gebogen werden, indem er den Grad variiert. So kann beispielsweise der Schaft 30 nur geringfügig nach oben gebogen werden, wie in 2C gezeigt ist, oder der Schaft 30 kann um einen größeren Grad nach oben gebogen werden, so dass das distale Ende des Schwanzes 30 zur ersten Schicht 20 zeigt.
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Mehrere Parameter, die sich auf die Gestaltung des Niets 26 und der Matrize 14 beziehen, können optimiert werden, um sicherzustellen, dass der Schaft 30 die zweite Schicht 12 durchdringt und der Schaft 30 nach dem Durchstechen der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 nach oben in Richtung der ersten Schicht 10 gebogen wird. Diese Auslegungsparameter können die Länge 36 des Niets 26, die Höhe 38 des Vorsprungs 34, andere geometrische Aspekte des Vorsprungs 34, die Tiefe 40 des Hohlraums 18 in der Matrize 14, den Durchmesser 42 des Hohlraums 18, Volumen des Hohlraums 18 und/oder eine Beziehung zwischen zwei oder mehreren der vorgenannten Parameter beinhalten. Zusätzlich kann ein oder mehrere dieser Entwurfsparameter auf der Grundlage der ersten Dicke 44 der ersten Schicht 10, der zweiten Dicke 46 der zweiten Schicht 12, die in den ersten und zweiten Schichten 10 und 12 beinhaltete Materialart(en) und/oder die Festigkeit der in den ersten und zweiten Schichten 10 und 12 beinhalteten Materialien bestimmt werden.
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In einem Beispiel kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 40 Prozent größer sein als eine Summe der ersten und zweiten Dicken 44 und 46. Wenn also die erste und die zweite Dicke 44 und 46 jeweils 2,5 mm betragen, kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 7 mm betragen. In anderen Beispielen kann die Höhe 38 des Vorsprungs 34 in einem Bereich von 0 mm bis 2 mm liegen und die Tiefe 40 des Hohlraums 18 kann in einem Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegen.
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Die vorstehend beschriebenen Stanznieten können verwendet werden, um mehrere Schichten aus CRFTP-Material zu verbinden, um mehrere Schichten eines anderen Materialtyps zu verbinden oder mehrere Schichten von ungleichen Materialien zu verbinden. In einem Beispiel beinhaltet jede der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 einen polymeren Verbundstoff wie CRFTP. In einem anderen Beispiel beinhaltet eine der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 einen polymeren Verbundstoff, wie beispielsweise CRFTP, und der andere der ersten und zweiten Schicht beinhaltet ein Metall, wie beispielsweise Edelstahl. In einem weiteren Beispiel beinhaltet jede der ersten und zweiten Schichten 10 und 12 ein Metall, wie beispielsweise Edelstahl.
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Ein Beispiel für eine Nietverbindung 52 ohne Klebstoff ist in 3 gezeigt, und ein Beispiel einer Nietverbindung 54 mit Klebstoff ist in 4 gezeigt. Die Nietverbindung 52 wurde unter Verwendung des selbststanzenden Nietverfahrens unter Bezugnahme auf die 1A, 1B und 1C hergestellt. Die Nietverbindung 54 wurde unter Verwendung der selbststanzenden Nietverfahren unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C beschrieben. In beiden der Nietverbindungen 52 und 54 sind die ersten und zweiten Schichten 56 und 58 des CRFTP-Materials durch einen Stanzniet 60 aus Edelstahl miteinander verbunden. Jedoch beinhaltet nur die genietete Verbindung 54 eine Schicht 62 aus Klebstoff, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht 56 und 58 aufgebracht ist und vor dem Einsetzen der Niete 60 in die Schichten 56 und 58 aushärten kann. Die Prüfung der Nietverbindungen 52 und 54 ergab, dass die Schälfestigkeit der Nietverbindung 52 tatsächlich geringer war als die Schälfestigkeit der Nietverbindung 54. Somit verringert das Aufbringen des Klebstoffs zwischen der ersten und der zweiten Schicht 56 und 58 nicht nur die Anzahl der für eine Fahrzeuganwendung erforderlichen Niet- und Formenkonstruktionen, sondern erhöht auch die Schälfestigkeit der Nietverbindung.
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5 zeigt eine Nietverbindung 64 mit einem Klebstoff, der unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt wurde, das dem selbststanzenden Nietverfahren ähnlich ist, das unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C beschrieben ist. Anstelle des Aufbringens der Klebeschicht 62 zwischen der ersten und der zweiten Schicht 56 und 58 und dem Aushärten des Klebstoffs vor dem Einsetzen des Niet 60 in die Schichten 56 und 58, wurde der Niet 60 in die Schichten 56 und 58 eingeführt, bevor der Klebstoff ausgehärtet wurde. Die Prüfung dieser genieteten Verbindung zeigte, dass ihre Schälfestigkeit geringer war als die Schälfestigkeit der Nietverbindung 54. Der Grund für diesen Unterschied in der Schälfestigkeit ist, dass Klebstoff aus der ungehärteten Verbindung von 5 herausgedrückt wird, wenn der Niet 60 in die Schichten 56 und 58 eingeführt wird. Daher bleibt nur eine kleine Menge an Klebstoff zwischen den Schichten 56 und 58 übrig, um die Schichten 56 und 58 zusammen zu halten. Somit wird, sodass der Klebstoff vor dem Einsetzen des Niets 60 in die Schichten 62 und 64 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise gehärtet werden kann, die Schälfestigkeit der Nietverbindung verbessert.
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Darüber hinaus beeinflusst die Stapelreihenfolge der Schichten 56 und 58 in der Nietverbindung 64 wie das Nietgelenk 52 ohne Klebstoff das Verhalten des Niets 60, wenn der Niet 60 in die Schichten 56 und 58 eingesetzt wird. So kann, wie die Nietverbindung 52, eine erschöpfende Versuchs- und Fehlerprüfung erforderlich sein, um die optimalen Prozessparameter für die Nietverbindung 64 zu finden, wie beispielsweise Niet- und Düsenkonstruktionen, die eine maximale Verbindungsfestigkeit ergeben. Daher wird es ermöglicht, dass der Klebstoff vor dem Einsetzen des Niets 60 in die Schichten 56 und 58 vollständig aushärten kann oder zumindest teilweise aushärtet, um diese zusätzlichen Arbeiten und damit verbundenen Kosten zu vermeiden.
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Unter Bezugnahme auf 6, beginnt ein exemplarisches Verfahren 70 zum Verbinden erster und zweiter Materialschichten bei 72. Bei 74 wird die Klebeschicht 48 zwischen der ersten und der zweiten Schicht 10 und 12 aufgebracht. Bei 76 kann die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise ausgehärtet werden. In einem Beispiel, was es ermöglicht, dass die Klebeschicht 48 vollständig aushärtet, beinhaltet das Aussetzen der Klebeschicht 48 auf Raumtemperatur für eine erste vorbestimmte Zeitspanne (z. B. 60 Minuten bis 90 Minuten). In einem anderen Beispiel, wodurch die Kleberschicht 48 vollständig ausgehärtet wird, beinhaltet das Erwärmen der Klebeschicht 48 auf eine vorbestimmte Temperatur (z.B. 100 ºC) für eine zweite vorbestimmte Periode (z.B. 10 Minuten). In einem anderen Beispiel, wodurch die Kleberschicht 48 zumindest teilweise aushärtet, beinhaltet das Aussetzen der Klebeschicht 48 auf Raumtemperatur für mindestens einen ersten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 %) Der ersten vorbestimmten Periode. In einem anderen Beispiel, wobei die Klebstoffschicht 48 zumindest teilweise aushärtet, beinhaltet das Erhitzen der Klebeschicht 48 auf die vorbestimmte Temperatur für mindestens einen zweiten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 %) der zweiten vorbestimmten Periode.
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Bei 78 bestimmt das Verfahren 70, ob die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise gehärtet ist. In einem Beispiel kann das Verfahren 70 bestimmen, dass die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet ist, wenn die Klebeschicht 48 für die zweite vorbestimmte Periode auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt wurde. Wenn die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise gehärtet ist, setzt sich das Verfahren 70 bei 80 fort. Andernfalls kehrt das Verfahren 70 zu 76 zurück.
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Bei 80 sind die erste und die zweite Schicht 10 und 12 auf der Matrize 14 positioniert. Bei 82 wird der Niet 26 durch die erste Schicht 10 und zumindest teilweise in die zweite Schicht 12 eingeführt. Bei 84 ist das kopflose Ende oder der Schaft 30 des Niets 26 radial nach außen und axial nach oben zur ersten Schicht 10 hin gebogen. Das Verfahren 70 endet bei 86.
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Die vorhergehende Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Anwendungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt, und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor. Es sei darauf hingewiesen, dass einer oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern. Ferner, obwohl jede der Ausführungsformen vorstehend dahingehend beschrieben ist, dass sie bestimmte Merkmale aufweist, kann/können eines oder mehrere dieser Funktionen, die in Bezug auf jede Ausführungsform der Offenbarung beschrieben sind, in jeder der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder kombiniert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben wird. Mit anderen Worten ausgedrückt schließen sich die beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig aus und Permutationen von einer oder mehreren Ausführungsformen gegeneinander bleiben innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung.
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Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltkreiselementen, Halbleiterschichten usw.) werden unter Verwendung von verschiedenen Begriffen beschrieben, einschließlich „verbunden“, „eingerastet“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „oben auf“, „über“, „unter“ und „angeordnet“. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, kann eine Beziehung eine direkte Beziehung sein, wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und zweiten Element in der oben genannten Offenbarung beschrieben wird, wenn keine anderen intervenierenden Elemente zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden sind, kann jedoch auch eine indirekte Beziehung sein, wenn ein oder mehrere intervenierende(s) Element(e) (entweder räumlich oder funktional) zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden ist/sind. Wie hierin verwendet, sollte der Satz „zumindest eines von A, B und C” so zu verstehen sein, dass damit eine Logik gemeint ist (A ODER B ODER C), unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen ODER, und sollte nicht dahingehend zu verstehen sein, dass gemeint ist „zumindest eines von A, zumindest eines von B und zumindest eines von C.“
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Keines der in den Ansprüchen genannten Elemente ist als Mittel für eine Funktion (sog. „means plus function“) gemäß 35 U.S.C. §112(f) zu verstehen, es sei denn, ein Element wird ausdrücklich unter Verwendung des Begriffes „means for“ (Mittel für) beschrieben oder falls in einem Verfahrensanspruch die Begriffe „Vorgang für“ oder „Schritt für“ verwendet werden.
