DE102017114560A1

DE102017114560A1 - Niet und Verfahren zum verbessertem Toleranzausgleich

Info

Publication number: DE102017114560A1
Application number: DE102017114560.5A
Authority: DE
Inventors: Alexei Vichniakov; Tassilo Witte
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Niet mit einem im Wesentlichen zylindrischen oder konischen Schaft und einem Kopf, der auf der zum Schaft hin befindlichen Oberfläche des Kopfes eine Beschichtung mit thermoplastischem Material aufweist, und die restliche Oberfläche des Niets im Wesentlichen frei von einer Beschichtung mit thermoplastischem Material ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft neuartige Niete zum Verbinden von Bauteilen. Insbesondere betrifft die Erfindung Niete sowie auf ein Verfahren zum Verbinden von Großbauteilen zum Einsatz auf dem Gebiet der Herstellung von Luft- oder Raumfahrzeugen oder von Teilen von Luft- oder Raumfahrzeugen mit verbessertem Toleranzausgleich solcher Verbindungen.
Hintergrund der Erfindung
Großbauteile, etwa Rumpfschalen, Flügel- und Leitwerksbeplankungen, aber auch großflächige Bauteile von Schiffen, Brücken oder Häusern können vorgefertigt zum Einbauort geliefert werden. Flächige Bauteile können miteinander oder mit einer vorgefertigten Tragstruktur verbunden werden, etwa können Schalenelemente mit Spanten verbunden werden. Dabei können zum Zusammenfügen solcher Bauteile Niete verwendet werden. Solche Bauteile können Bohrungen aufweisen, die zum Zusammenfügen der Bauteile dienen. Es kann im Produktionsablauf vorteilhaft sein, solche Bohrungen bereits bei der Fertigung der einzelnen Großbauteile vorzunehmen. Dies kann den Vorteil haben, die Großbauteile nicht vor Ort bohren zu müssen. Solche Bauteile können mit Verbindungselementen zusammengefügt werden. Die in Kontakt kommenden Bauteile und/oder Verbindungselemente können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Es kann dabei dazu kommen, dass in der Verbindungsstelle ein Toleranzausgleich an Bohrungen erforderlich wird. Daher kann es wünschenswert sein, die Toleranzen der Bohrungen in der zu verbindende Bauteilen in technisch einfacher und wirtschaftlich effektiver Weise auszugleichen.
Im Stand der Technik ist bekannt, den Durchmesser der Bohrungen in der zu verbindenden Bauteilen größer zu gestalten, als den Durchmesser des Verbindungselementes. Beim Vernieten das führt zu einem deutlichen Verlust von Verbindungseigenschaften, weil ein Spalt entsteht und der Verbindungniet die Belastung nicht über die komplette Fläche aufnimmt, sondern nur in den Kontaktbereichen. Ein Auffüllen von solchen Spalten ist eine unerwartet komplizierte Aufgabe. Aufgrund der geringen Abmessungen und insbesondere bei kleineren Spalten hat sich herausgestellt, dass eine porenfreie und gleichmäßige Verteilung von Füllstoff zwischen dem Niet und gebohrtem Loch kaum möglich ist. Beispielsweise kann das Volumen von Zusatzstoff unabhängig von der Dezentrierung des Verbindungselementes und der Ausschnitten in der zu verbindenden Bauteilen, ergo schwierig zu bemessen sein.
Beschreibung der Erfindung
Es hat sich nun überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar herausgestellt, dass ein Niet mit einem im Wesentlichen zylindrischen oder konischen Schaft und einem Kopf, der auf der zum Schaft hin befindlichen Oberfläche des Kopfes eine Beschichtung mit thermoplastischem Material aufweist, und die restliche Oberfläche des Niets im Wesentlichen frei von einer Beschichtung mit thermoplastischem Material ist, den Nachteilen des Standes der Technik abhilft. Mit einem solchen Niet kann ein Raum zwischen Niet und Bauteil mit Füllmaterial, d.h. dem thermoplastischem Material, ausgefüllt werden, wenn der Niet beim Verarbeiten aufgeheizt wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn das thermoplastische Material ähnliche Eigenschaften aufweist, wie die zu verbindenden Bauteile. Nach dem Aushärten vermag das thermoplastische Material die Verbindungsfestigkeit deutlich zu verbessern. Das thermoplastische Material kann zusätzlich elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen.
Bevorzugt ist es, wenn die Menge des thermoplastischen Materials so beschaffen ist, dass sie geeignet ist, nach Aufschmelzen und anschließendem Konsolidieren Schaft und die zum Schaft hin befindliche Oberfläche des Kopfes zu beschichten. Weiter bevorzugt ist es, wenn ein erfindungsgemäßes Niet bis auf die Beschichtung mit thermoplastischem Material im Wesentlichen aus einer Metalllegierung besteht, bevorzugt auf Basis von Titan, Aluminium, Magnesium. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Beschichtung mit thermoplastischem Material im Wesentlichen aus PEKK (Poly(etherketonketon)) besteht. Ebenso bevorzugt ist es, wenn die Beschichtung mit thermoplastischem Material im Wesentlichen aus PEEK (Polyetherertherketon), PEI (Polyetherimid), PPS (Polyphenylensulfid) oder PA (Polyamid) besteht. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Beschichtung mit thermoplastischem Material im Wesentlichen aus PEKK besteht. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Beschichtung mit thermoplastischem Material zusätzlich Fasern enthält. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Ausfüllen des Raumes zwischen einem Niet und dem Rand wenigstens einer Bohrung beim Fügen von vorgebohrten Bauteilen wobei ein erfindungsgemäßes Niet verwendet wird und das thermoplastische Material durch Zuführen von Energie erweicht oder verflüssigt wird und nach dem Fixieren des Niets so konsolidiert wird, dass der Raum zwischen Niet und den Bauteilen mit thermoplastischem Material gefüllt wird. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Bauteile Bauteile eines Luft- oder Raumfahrzeugs sind, etwa Schalenelemente. Weiter bevorzugt ist es, wenn das Niet beim Fügen der Bauteile gestaucht wird. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Energie zum Aufschmelzen des thermoplastischen Materials durch thermisches Aufheizen zugeführt wird. Ebenso bevorzugt ist es, wenn die Energie zum Aufschmelzen des thermoplastischen Materials durch induktives Aufheizen, Aufheizen mittels Laserstrahl oder mittels Plasmastrahl zugeführt wird. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Energie zum Aufschmelzen des thermoplastischen Materials durch thermisches Aufheizen zugeführt wird.
Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsformen entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
Figurenliste

1 stellt einen erfindungsgemäßen Niet mit Füllstoff dar.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Niet sowie ein sowie ein Verfahren zum toleranzfreien und elektrisch isoliertem Verbinden eines Bauteils mit solchen Nieten.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Niet sowie ein sowie ein Verfahren zum toleranzfreien Verbinden von Bauteilen mit solchen Nieten.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrative und nicht beschränkend sind.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt ein Niet 1 mit einem Kopf 2 und einem Schaft 3 zum vernieten eines Werkstücks 5. Dazu kann das Niet in ein Bohrloch 6 eingeführt werde. Das Bohrloch 6 ist so ausgeformt, dass es Kopf 2 und Schaft 3 des Niets 1 aufnehmen kann. Auf der Unterseite des Kopfes 2 befindet sich eine Schicht thermoplastisches Material 4, das elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Als thermoplastisches Material wird hier PEKK verwendet. Der Kopf 2 kann die Form eines Kegelstumpfes haben, es sind auch andere Formen der Köpfe von Niets denkbar, etwa ein Rundkopf 2a.
2 zeigt die Verarbeitung des in 1 dargestellten Niets zum Vernieten von Werkstücken. Nachdem das Niet 1 in einem Bohrloch 6 positioniert wurde kann durch Zuführen von Wärme 7 das thermoplastische Material 4 aufgeschmolzen werden. Das aufgeschmolzene Material 4 verteilt sich durch Schwerkraft oder Kapillarität auf der mit dem Werkstück 5 in Kontakt stehenden Oberfläche des Niets 1 und erkaltet. Man erhält eine isolierende Schicht 8 im Kontaktbereich zwischen Niet 1 und Werkstück 5.
3 zeigt die Verarbeitung des in 1 dargestellten Niets zum Vernieten von zwei Werkstücken. Die Werkstücke 5 a und 5 b weisen Bohrlöcher auf, die so ausgeformt wurden, dass ein Niet 1 im Wesentlichen mit den Rändern der Borlöcher der Werkstücke 5a und 5b in Kontakt kommt. Ein Teil 3a des Schaftes 3 des Niets 1 ragt aus den zu verbindenden Werkstücken hinaus. Nachdem das Niet 1 positioniert wurde kann durch Zuführen von Wärme 7 das thermoplastische Material 4 aufgeschmolzen werden. Das aufgeschmolzene Material 4 verteilt sich durch Schwerkraft oder Kapillarität auf der mit den Werkstücken 5a und 5b in Kontakt stehenden Oberfläche des Niets 1 und erkaltet. Man erhält eine isolierende Schicht 8 im Kontaktbereich zwischen Niet 1 und den Werkstück 5a und 5b. Anschließend kann das Niet durch Aufsetzen eines Oberwerkzeugs 9 und eines Unterwerkzeugs 10 durch ein Kräftepaar 11 gestaucht werden. Dabei bildet sich eine Verdickung 12 aus dem zuvor herausragenden Teil 3a des Schaftes 3.
Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung, ist es beabsichtigt, dass derartige Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exemplarisch und nicht restriktiv sind, so dass die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.
Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken.
Bezugszeichenliste

1: Niet erstes Bauteil
1a: des ersten Bauteils
2: Kopf zweites Bauteil
2a: Rundkopf
3: Schaft resultierendes Bohrloch
3a: Stufe
4: thermoplastisches Material
5: Werkstück
5a: (erstes) Werkstück
5b: (zweites) Werkstück
6: Bohrloch
7: Zuführen von Wärme
8: Isolierende Schicht
9: Oberwerkzeug
9a: Bohrung im Oberwerkzeug
10: Unterwerkzeug
11: Kräftepaar
12: Verdickung

Claims

Niet 1 mit einem im Wesentlichen zylindrischen oder konischen Schaft 3 und einem Kopf 2, der auf der zum Schaft hin befindlichen Oberfläche des Kopfes 2 eine Beschichtung mit thermoplastischem Material 4 aufweist, und die restliche Oberfläche des Niets 1 im Wesentlichen frei von einer Beschichtung mit thermoplastischem Material ist.
Niet 1 nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des thermoplastischen Materials 4 so beschaffen ist, dass sie geeignet ist, nach Aufschmelzen und anschließendem Konsolidieren Schaft 3 und die zum Schaft hin befindliche Oberfläche des Kopfes 2 zu beschichten.
Niet 1 nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es bis auf die Beschichtung mit thermoplastischem Material 4 im Wesentlichen aus einer Metalllegierung besteht, bevorzugt auf Basis von Titan, Aluminium, Magnesium.
Niet 1 nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit thermoplastischem Material 4 im Wesentlichen aus PEKK besteht.
Niet 1 nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit thermoplastischem Material 4 zusätzlich Fasern enthält.
Verfahren zum Ausfüllen des Raumes zwischen Niet 1 und Rand einer Bohrung 6 beim Fügen von vorgebohrten Bauteilen 5 wobei ein Niet nach einem der vorangehenden Patentansprüche verwendet wird und das thermoplastische Material 4 durch Zuführen von Energie erweicht oder verflüssigt wird und nach dem Fixieren des Niets so konsolidiert wird, dass der Raum zwischen Niet 1 und den Bauteilen 5 mit thermoplastischem Material gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 wobei die Bauteile Bauteile eines Luft- oder Raumfahrzeugs sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Niet 1 beim Fügen der Bauteile 5 gestaucht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Aufschmelzen des thermoplastischen Materials 4 durch thermisches Aufheizen zugeführt wird.