DE102018132966A1

DE102018132966A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil

Info

Publication number: DE102018132966A1
Application number: DE102018132966.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Steven Maul; Friedhelm Guenter; Andre Philipskoetter; Daniel Kohl; Daniel Renz; Holger Schubert; Matthias Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Daimler AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Nagels (20) in wenigstens ein Bauteil (11, 12), wobei Schwingungen in den Nagel (20) eingekoppelt werden, und wobei eine Kraft (F) in eine Fügerichtung (R) auf den Nagel (20) ausgeübt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil (11, 12) eingedrückt wird, wobei eine Vorschubbewegung für den Nagel (20) von einem Antrieb (50) bereitgestellt wird, sowie eine Vorrichtung zum Einbringen eines Nagels (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil.
Stand der Technik
Fügeverfahren, wie Niet- oder Nagelverfahren, dienen zum Verbinden wenigstens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile (Fügepartner). Ein Stanznietverfahren zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet als Fügeelement mittels eines Fügewerkzeugs bzw. einer Setzeinheit, das einen Stempel umfasst, in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, beispielsweise in Form einer Matrize, der mit dem Fügewerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt werden kann, dass der Niet oder die Bauteile sich in einer bestimmten Art und Weise verformen, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen.
Für schwer und insbesondere nur einseitig zugängliche Bauteile kommt die Nagel-Technik bzw. das Einpressen oder Einbringen von Nägeln in die Bauteile in Betracht. Hierbei trifft typischerweise ein Nagel, in der Regel angetrieben durch eine über Druckluftentladung beschleunigte Masse bzw. einen Stößel, impulsartig mit hoher Geschwindigkeit (meist mehr als 5 m/s) auf die zu fügenden Bauteile und durchdringt diese mit seinem Schaft. Aufgrund einer kurzfristigen Temperatursteigerung in der Fügezone und der dadurch verbesserten Fließfähigkeit kann der Werkstoff der zu fügenden Bauteile in etwaige Rändelungen am Nagelschaft verdrängt werden. Damit wird ein hoher Form- und Kraftschluss erzielt. Die sehr hohen Fügegeschwindigkeiten und die Bauteilträgheit führen während des Eintreibens des Nagels zu geringen Bauteildeformationen. Gleichzeitig wird insbesondere bei höher- bzw. hochfesten Stahlwerkstoffen aufgrund der Verpressung und Stauchung des Werkstoffs bzw. der Bauteile ein Kraftschluss erreicht.
Nachteilig bei solchen Verfahren zum Einpressen oder Einbringen von Nägeln in die Bauteile sind jedoch die hohe Geräuschemission und die schon erwähnte und oftmals unterwünschte Verformung der Bauteile bzw. eine aufwändige Vorbereitung der Bauteile, um eine solche Verformung zu vermeiden.
Aus der JP H06-198576 A ist beispielsweise ein Ultraschall-Vibrator bekannt, der per Hand geführt und auf einen Nagel aufgesetzt werden kann, um den Nagel einfacher in ein Brett oder eine Platte einzubringen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Einbringen bzw. Einpressen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil, wobei Schwingungen in den Nagel eingekoppelt werden, insbesondere in longitudinaler Richtung (d.h. mit Schwingung in Fügerichtung), und wobei eine Kraft in eine Fügerichtung auf den Nagel ausgeübt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass eine Vorschubbewegung für den Nagel von einem Antrieb bereitgestellt wird und somit insbesondere gesteuert und/oder geregelt erfolgt. Insbesondere kann damit im Unterschied zu herkömlichen Impulsnagelverfahren die Eintreibgeschwindigkeit des Nagels frei vorgegeben werden, was umfangreiche Anwendungsfelder neu erschließt.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine industrielle Anwendung, beispielsweise in der Serienfertigung, etwa in der Automobilindustrie bzw. im Karosseriebau. Weiterhin wird ein reproduzierbares und auch automatisierbares Vorgehen zum Einbringen bzw. Einpressen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil bereitgestellt. Es sei angemerkt, dass grundsätzlich auf diese Weise zwar ein Nagel auch in nur ein Bauteil eingebracht werden kann, besonders bevorzugt ist aber das Einbringen eines Nagels in zwei oder mehr Bauteile, um diese miteinander zu verbinden.
Das vorgeschlagene Verfahren bietet weiterhin die Vorteile der herkömmlichen Nagel-Technik, d.h. es wird beispielsweise das Fügen ohne Vorlochen bei (nur) einseitiger Zugänglichkeit ermöglicht. Zugleich können aber auch Füge- und Taktzeiten minimiert werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch zum Fügen von hochfesten Werkstoffen wie Stählen und auch Faserverbundwerkstoffen. Es ist auch für einen Einsatz für Misch-, Mehrlagen- und Hybridverbindungen geeignet. Auch kann es in Kombination mit einer Klebetechnik verwendet werden, d.h. zwei oder ggf. mehr Bauteile werden miteinander verklebt und zusätzlich mit Nägeln verbunden bzw. fixiert. Oftmals dienen die Nägel dann nur der temporären Fixierung, während die Klebeverbindung aushärtet.
Neben diesen Vorteilen bietet das vorgeschlagene Verfahren außerdem noch weitere Vorteile bzw. die Vermeidung von Nachteilen herkömmlicher Nagel-Technik ohne Schwingungseinkopplung. Hohe Geräuschemissionen durch den bisher üblichen, impulsförmigen Setzprozess (Auftreffen des Nagels auf das Bauteil mit Schalldruckpegeln mitunter größer als 105 dB(A)) können vermieden oder zumindest reduziert werden. Entsprechend sind damit verbundene Maßnahmen zur Schallschutzisolierung mitunter einer kompletten Anlage (d.h. Einhausung der Anlagentechnik) nicht mehr oder zumindest nur noch in reduziertem Umfang nötig. Auch ist eine aufwändige Auslegung der Fügestellen bzw. der Bauteile zur Vermeidung von Bauteildeformationen nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang nötig, was insbesondere auf die durch die Schwingungseinkopplung reduzierte Kraft bzw. Fügekraft zurückzuführen ist.
Zudem ergeben sich mehr bzw. breitere Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere auch je nach Werkstoff, Bauteilgeometrie, Bauteildicke, Materialkombination und dergleichen. Eine Anpassung von Prozessparametern im laufenden Fügeprozess auf etwaige Störgrößen wie z.B. schwankende Gussdicken, Passungsprobleme und dergleichen sind deutlich einfacher bzw. in größerem Umfang als bisher möglich, was bisher aufgrund der hohen Eintreibgeschwindigkeit des Nagels nur bedingt bzw. gar nicht möglich war. Die Verwendung von Druckluft ist nicht mehr unbedingt nötig, was eine Kostenreduzierung mit sich bringt.
Vorzugsweise wird der Nagel mit einer Vorschubgeschwindigkeit zwischen 1 mm/s und 150 mm/s, bevorzugt zwischen 5 mm/s und 100 mm/s, besonders bevorzugt zwischen 10 mm/s und 50 mm/s, in das Bauteil eingedrückt. Bei diesen Vorschubgeschwindigkeiten handelt es sich um solche, mit denen einerseits eine hinreichend schnelle Einbringung des Nagels, andererseits aber auch keine zu starke, unerwünschte Verformung der Bauteile erreicht wird.
Insbesondere wird der Nagel in einer kontinuierlichen Bewegung in das Bauteil eingedrückt. Während des Eindrückens sind somit keine Haftreibungskräfte, sondern nur Gleitreibungskräfte zu überwinden.
Vorteilhafterweise wird der Nagel mit wenigstens zwei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten in das Bauteil eingedrückt. Mit anderen Worten kann die Vorschubbewegung mit zwei oder mehr verschiedenen Stufen der Vorschubgeschwindigkeit erfolgen, beispielsweise zunächst schneller, um den Nagel zügig einzudrücken, zum Schluss hingegen langsamer, um die Bauteile nicht zu stark zu verformen. An sich denkbar ist aber auch eine konstante oder sich kontinuierlich ändernde Vorschubgeschwindigkeit.
Bei den Schwingungen handelt es sich vorzugsweise um Ultraschallschwingungen, d.h. die Schwingungen werden vorzugsweise als Ultraschallschwingungen erzeugt. Zweckmäßig sind Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz. Hierzu kann, wie später noch erläutert wird, ein geeigneter Ultraschallgenerator verwendet werden, der - im Sinne eines Funktionsgenerators - mit einem (elektro-mechanischen) Schwingungskonverter (z.B. Piezokonverter) eines Schwingsystems verbunden wird.
Bevorzugt ist auch, wenn die Schwingungen derart erzeugt werden, dass eine Amplitude der Schwingungen, insbesondere an einem dem Nagel zugewandten Ende des Schwingsystems, zwischen 10 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 20 µm und 75 µm, betragen. Solche Amplituden sind mit Schwingsystemen, die typischerweise einen Schwingungskonverter, eine Sonotrode und ggf. einen Booster (Amplitudenverstärker) aufweisen, wie später noch näher erläutert, einfach bereitzustellen und zudem ausreichend für eine Reduzierung der nötigen Kraft zum Eindrücken des Niets.
Besonders bevorzugt ist es auch, wenn der Nagel mittels eines in Schwingung versetzten Werkzeugs, wie beispielsweise des schon erwähnten Schwingsystems bzw. eines Teils davon, beispielsweise der Sonotrode oder eines Stempels, hämmernd in das wenigstens eine Bauteil eingedrückt wird. Unter einem hämmernden Eindrücken soll dabei ein Eindrücken mittels sehr hoher Anzahl (beispielsweise mehrere Tausend innerhalb kurzer Zeit wie einer Sekunde) an Schlägen bzw. Impulsen des Werkzeugs auf den Nagel verstanden werden. Hierzu kann die Frequenz der Schwingung geeignet an eine typische Eigenfrequenz des Systems angepasst werden.
Die Vorschubbewegung erfolgt, wie erwähnt, vorzugsweise gesteuert und/oder geregelt. Hierbei kann ggf. auch zeitweise eine Steuerung und zeitweise eine Regelung vorgenommen werden. Zweckmäßig ist es dabei jedenfalls, wenn die Vorschubbewegung geschwindigkeitsgesteuert und/oder kraftgesteuert und/oder weggesteuert und/oder mit einer Geschwindigkeit und/oder einer Kraft und/oder einem Weg als Regelgröße geregelt erfolgt. Je nach aktueller Situation kann dabei die eine oder die andere Art zweckmäßiger sein. Es versteht sich, dass die einzelnen Varianten auch beliebig kombiniert werden können, und zwar beispielsweise in Abhängigkeit von bereits zurückgelegtem Weg, abhängig von der Zeit oder aber auch in Abhängigkeit einer aktuellen Kraft bzw. Ist-Kraft und/oder in Abhängigkeit von einer aktuellen Generatorleistung (des Schwingungserzeugers bzw. Ultraschallgenerators). Bei der Regelung können Geschwindigkeit, Kraft bzw. Weg als Sollwert vorgegeben werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil, mit einer Setzeinheit mit einem Schwingsystem, das in Schwingung versetzbar und mittelbar oder unmittelbar mit dem Nagel in Kontakt bringbar ist. Die Vorrichtung ist hierbei dazu eingerichtet, das Schwingsystem gesteuert und/oder geregelt in einer Vorschubbewegung in eine Fügerichtung zu bewegen, sodass eine Kraft auf den Nagel ausgeübt wird.
Bevorzugt ist dabei auch eine Halteeinrichtung vorgesehen, die insbesondere Teil der Setzeinheit ist, in welche der Nagel einbringbar und in Fügerichtung führbar ist. Dies erleichtert ein automatisiertes Vorgehen bei der Einbringung von Nägeln. Der Nagel kann in einer solchen Halteeinrichtung beispielsweise mittels Magnetkraft, Unterduck oder anderen Haltemitteln, auch mechanischen Haltemitteln, gehalten werden. Ebenso zweckmäßig ist eine geeignete Zuführung, mittels welcher Nägel der Setzeinheit bzw. der Halteeinrichtung zugeführt werden können, insbesondere automatisiert. Hierfür kann beispielsweise ein geeigneter Profilschlauch vorgesehen sein.
Vorzugsweise weist das Schwingsystem einen Schwingungskonverter, beispielsweise ein Piezo-Konverter, und eine Sonotrode, und insbesondere einen zwischen dem Schwingungskonverter und der Sonotrode angeordneten Booster, auf, wobei der Schwingungskonverter mit einem Schwingungserzeuger verbindbar ist. Bei einem solchen Schwingungserzeuger kann es sich, wie schon erwähnt, um einen Ultraschallgenerator, insbesondere in Form eines Funktionsgenerators, handeln. Ein solcher kann beispielsweise in einem Schaltschrank vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung weiterhin einen motorisch bewegbaren Roboterarm auf, an dessen Ende die Setzeinheit angeordnet ist. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Roboterarm eines stationär oder auch beweglich auf einem Boden angeordneten Fertigungs- oder Industrieroboters handeln. Zur geeigneten Steuerung des Roboters bzw. Roboterarms kann dann eine geeignete Steuer- und/oder Regeleinheit vorgesehen sein, beispielsweise ebenfalls in dem erwähnten Schaltschrank. Über eine solche Steuer- und/oder Regeleinheit kann dann zweckmäßigerweise auch der Ultraschallgenerator und ggf. ein Antrieb (wie er später noch erläutert wird) angesteuert werden.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, mittels des motorisch bewegbaren Roboterarms die Vorschubbewegung des Schwingsystems wenigstens teilweise und/oder wenigstens zeitweise zu erzeugen. Mit anderen Worten kann dann das Schwingsystem durch entsprechende Ansteuerung und Bewegung des Roboterarms auf den Nagel gedrückt werden, um so den Nagel in das wenigstens eine Bauteil einzudrücken. Die Vorschubbewegung wird dann durch einen antrieb des Roboterarms bereitgestellt. Dies ist insbesondere deswegen möglich, da aufgrund der Schwingungseinkopplung die nötige Fügekraft, die auf den Nagel zum Einbringen bzw. Einpressen aufgebracht werden muss, gegenüber einem herkömmlichen Verfahren ohne solche Schwingungseinkopplung deutlich reduziert ist. Eine solche reduzierte bzw. geringe Kraft kann auch mittels eines solchen Roboterarms aufgebracht werden. Die Setzeinheit kann hierzu besonders leicht ausgebildet werden.
Ebenso ist es aber bevorzugt, wenn die Setzeinheit weiterhin einen mit dem Schwingsystem gekoppelten Antrieb aufweist, wobei der Antrieb dazu eingerichtet ist, die Vorschubbewegung des Schwingsystems wenigstens teilweise und/oder wenigstens zeitweise zu erzeugen. Damit ist insbesondere eine besonders genaue bzw. definierte Vorschubbewegung möglich. Der Antrieb kann hierzu beispielsweise hydraulisch, pneumatisch oder servomotorisch ausgebildet sein.
Es sei erwähnt, dass die beiden erwähnten Varianten zum Erzeugen der Vorschubbewegung - einmal mit dem Roboterarm und einmal mit dem Antrieb in der Setzeinheit -separat eingesetzt werden können. Denkbar ist aber auch eine Kombination, d.h. es können beide Varianten zum Erzeugen der Vorschubbewegung beispielsweise zeitgleich oder abwechselnd oder hintereinander verwendet werden, sofern der Antrieb vorhanden ist.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Steuer- und/oder Regeleinheit auf und ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dies betrifft insbesondere die oben erwähnten Steuerung der Schwingungen und der Vorschubbewegung. Hinsichtlich der Vorteile und weiterer Ausgestaltungen der Vorrichtung sei an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen im Übrigen auf obige Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten. Es versteht sich, dass für das oben beschriebene Verfahren auch die erwähnte Vorrichtung verwendet werden kann, insbesondere auch in den verschiedenen bevorzugten Ausgestaltungen.
Das vorgeschlagene Verfahren wie auch die vorgeschlagene Vorrichtung, also die neuartige Kombination aus Ultraschallüberlagerung und Nageleinpresseinheit in einer Fügeanlage, sind, wie schon erwähnt, vorzugsweise für den Karosseriemischbau zweckmäßig, da dort verschiedenartigste Werkstoffe miteinander zu verbinden sind, bei denen oftmals nur eine einseitige Zugänglichkeit der Fügestellen bzw. Fügeflansche gegeben ist. Mit diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung können das Fließlochformschrauben und/oder das herkömmliche Einbringen von Nägeln durch die verfahrensbedingten und wirtschaftlichen Vorteile substituiert werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet neben der Automobilindustrie sind der Schienenfahrzeugbau und das Transportwesen, da hier profilintensive Bauweisen großflächiger Abmessungen zu verarbeiten und einseitige Zugänglichkeiten zum Fügepunkt gegeben sind.
Des Weiteren ist der Gondel- und Seilbahnbau ein mögliches Anwendungsgebiet. Hier können das vorgeschlagene Verfahren bzw. die vorgeschlagene Vorrichtung heutige Blindniet-Verbindungen ersetzen. Das für das Blindnieten erforderliche Vorlochen entfällt, sodass die Prozesskosten reduziert werden können.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform .
2 zeigt schematisch einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt einen Vergleich von Kräften bei einem nicht erfindungsgemäßen und einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
5 zeigt im Vergleich Resultate bei einem nicht erfindungsgemäßen und einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Vorrichtung 100 zum Einbringen eines Nagels in wenigstens ein Bauteil in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, mittels welcher auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der Vorrichtung 100 handelt es sich beispielhaft um einen Industrieroboter bzw. eine Fertigungseinrichtung, beispielsweise für einen Einsatz im automobilen Karosseriebau.
Die Vorrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und drei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Armglieder bzw. Komponenten 4, 5 und 6 auf, die zusammen einen motorisch bewegbaren Roboterarm bilden. Am Ende des Armes 6 ist eine Setzeinheit 10 angeordnet, wie sie beispielsweise in 2 noch detaillierter gezeigt wird und die hier nur grob schematisch angedeutet ist.
Weiterhin ist ein Schaltschrank 90 vorgesehen, in dem eine Steuer- und Regeleinheit 91 sowie ein als Ultraschallgenerator ausgebildeter Schwingungserzeuger 92 eingebracht sind. Während die Steuer- und Regeleinheit 91 zum Ansteuern sowohl des Roboterarms als auch der Setzeinheit 10 dient, kann der Ultraschallgenerator 92 an einen Schwingungskonverter der Setzeinheit 10 angeschlossen werden, wie später in Bezug auf 2 noch näher erläutert wird.
In 2 ist schematisch ein Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, nämlich insbesondere die Setzeinheit 10 aus 1. Die Setzeinheit 10 weist ein Schwingsystem 39 auf, das vorliegend einen elektro-mechanischen Schwingungskonverter 30, beispielsweise einen Piezo-Konverter, einen sog. Booster 31 (auch als Amplitudenverstärker bezeichnet) sowie eine Sonotrode 32 aufweist.
Der Schwingungskonverter 30 ist dabei an den elektrischen Schwingungserzeuger 92, wie er in 1 gezeigt ist, angebunden bzw. angeschlossen bzw. kann daran angebunden werden. Auf diese Weise kann das Schwingsystem 39 in Schwingung versetzt werden.
Das Schwingsystem 39 ist, hier über den Booster 31, in einer Gehäuseeinheit 35 gehalten. Diese Gehäuseeinheit 35 wiederum ist mit einem Antrieb 50 verbunden, sodass das Schwingsystem 39 derart an den Antrieb 50 angebunden ist, dass darüber eine Kraft F sowie eine Vorschubbewegung auf das Schwingsystem 39 übertragen werden kann, und zwar in eine Fügerichtung R.
An dem Antrieb 50, der hier nur grob schematisch dargestellt ist, ist ein Flansch 51 vorgesehen, mittels welchem der Antrieb 50 beispielsweise an dem Roboterarm bzw. dem Armglied 6, wie in 1 gezeigt, angebracht werden kann.
Weiterhin ist an der Gehäuseeinheit 35 mittels Federelementen 17 eine Halterung 16 angebracht, die beispielhaft einen Teil des Schwingsystems 39 umgibt und einen Nagel 20 halten und führen kann. Mittels einer Zuführung 95 kann ein solcher Nagel 20 beispielsweise in die Halterung 16 automatisch eingebracht werden, sodass dieser vor der Sonotrode 32 platziert ist.
Weiterhin sind zwei Bauteile 11, 12 gezeigt, wie sie beispielsweise mittels des Nagels 20 und unter Verwendung der Vorrichtung 100 bzw. der Setzeinheit 10 verbunden werden können. Hierzu kann die Setzeinheit mittels des Roboterarms in die in 2 gezeigte Position gebracht werden, in welcher die Halterung 16 beispielsweise an dem Bauteil 11 anliegt - wobei die Halterung 16 in diesem Sinne auch als Niederhalter dient - und der Nagel 20 in geeigneter Ausrichtung zu den Bauteilen 11, 12 gehalten ist.
Um den Nagel 20 nun in die Bauteile 11, 12 einzubringen und so die Bauteile miteinander zu verbinden, wird das Schwingsystem 39 unter Verwendung des Schwingungserzeugers 95 in Schwingung versetzt und unter Verwendung des Antriebs 50 in Fügerichtung R auf den Nagel 20 zubewegt und so mit diesem in Kontakt gebracht. Durch eine weitere, durch den Antrieb 50 erzeugte gesteuerte bzw. geregelte Vorschubbewegung kann der Nagel 20 somit in die Bauteile eingedrückt werden.
Aufgrund der Schwingungen, die sich vom Schwingsystem 39 auf den Nagel 20 und darüber ggf. auch auf die Bauteile 11, 12 übertragen, wird die nötige Kraft, um den Nagel in die Bauteile einzudrücken, deutlich reduziert (siehe auch 4).
Wie bereits erwähnt, kann diese Vorschubbewegung und die zu erzeugende Kraft F zusätzlich oder alternativ auch mittels des Roboterarms erzeugt werden. Wenn die Vorschubbewegung bzw. Kraft nur mittels des Roboterarms erzeugt werden soll, so kann der Antrieb 50 auch entfallen, d.h. die Setzeinheit weist keinen Antrieb auf, sondern die Gehäuseeinheit 35 kann vielmehr direkt an dem Roboterarm bzw. beispielsweise dem Armglied 6 wie in 1 gezeigt angebracht werden. Die Vorschubbewegung wird dann durch einen Antrieb des Roboterarms bereitgestellt.
In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind in vier Abbildungen jeweils Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie auch in 1 gezeigt ist, bzw. einer Setzeinheit, wie sie auch in 2 gezeigt ist, zu sehen. Insbesondere sind die Sonotrode 32 und die Halterung 16 sowie ein Nagel 20 gezeigt, ebenso zwei zu verbindende Bauteile 11 und 12. Es sei angemerkt, dass diese Komponenten nur in einer der vier Abbildungen mit Bezugszeichen versehen sind.
In der ersten Abbildung ganz links ist eine Situation gezeigt, in welcher der Nagel 20 mit der Spitze auf dem Bauteil 11 aufliegt, sozusagen positioniert ist, aber noch nicht eingedrungen ist. Es wird dann begonnen, über die Sonotrode 32 sowohl Schwingungen auf den Nagel 20 einzukoppeln, als auch eine Kraft auf den Nagel 20 in Richtung der Bauteile 11, 12 auszuüben.
In der zweiten Abbildung von links ist eine Situation gezeigt, in der der Nagel 20 aufgrund der auf ihn ausgeübten Kraft und Schwingungen in die Bauteile 11, 12 eindringt, und zwar bis er diese auch durchdrungen hat, wie in der dritten Abbildung von links gezeigt.
In der vierten bzw. ganz rechten Abbildung ist schließlich eine zu erreichende Endposition gezeigt, in welcher der Nagel 20 bis zum Anschlag mit dem Kopf auf dem Bauteil 11 in die Bauteile 11, 12 eingedrungen ist und ggf. durch letzte Ausübung einer Kraft und/oder Schwingung in den Bauteilen verspannt wird.
Nach Abschluss eines solchen Setzvorgangs kann die Setzeinheit von den Bauteilen entfernt werden, ein neuer Nagel kann in die Halterung 16 eingebracht werden und es kann ein neuer Setzvorgang gestartet werden.
In 4 ist ein Vergleich von Kräften bei einem nicht erfindungsgemäßen und einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist eine Kraft F über einem Weg x aufgetragen. Hierbei ist insgesamt der Weg dargestellt, den der Nagel während des ersten Kontakts mit dem Bauteil (vgl. Abbildung ganz links in 3) bis zum Anschlag (vgl. Abbildung ganz rechts in 3) zurücklegt.
Der obere Verlauf stellt dabei einen Kraftverlauf ohne Einkopplung von Schwingungen dar, der untere Verlauf hingegen stellt einen Kraftverlauf mit Einkopplung von Schwingungen dar, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt. Dabei ist deutlich die geringere maximal nötige Kraft zu sehen. Während im oberen Verlauf die Kraft einen maximalen Wert von beispielsweise ca. 5 kN erreicht, beträgt der maximale Wert beim unteren Verlauf lediglich ca. 1,8 kN.
In 5 sind im Vergleich Resultate bei einem nicht erfindungsgemäßen und einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform, dargestellt. Hierbei sind in der linken Abbildung zwei Bauteile 11, 12, die mittels eines Nagels 20 verbunden sind, ohne Einkopplung von Schwingungen gezeigt, in der rechten Abbildung hingegen mit Einkopplung von Schwingungen.
Dabei ist deutlich eine viel stärkere Verformung der Bauteile ohne Einkopplung von Schwingungen - und damit einer deutlich größeren Kraft, die nötig ist, wie in 4 gezeigt - zu erkennen, als mit Einkopplung von Schwingungen. In der linken Abbildung ist vielmehr zu sehen, dass der Nagel die Bauteile gar nicht (vollständig) durchdrungen hat.
Neben der geringeren nötigen Kraft und der geringeren Verformung der Bauteile führt das vorgeschlagene Verfahren zudem zu einer signifikanten Geräuschreduzierung, insbesondere aufgrund des Entfalls des bisher nötigen, massiven Einfach-Impulses mit Spitzenschalldruckpegeln von bis zu 180dB.
Außerdem sind eine bessere bzw. einfachere Prozessregelung und Prozessüberwachung gegeben, und zwar insbesondere durch die geregelte Setzeinheit mit den Prozessgrößen Kraft und/oder Weg und/oder Geschwindigkeit, zweckmäßigerweise aber auch Generatorleistung, ggf. auch Strom, Spannung, Frequenz und/oder Amplitude. Das vorgeschlagene Verfahren führt auch, wie schon erwähnt, zu einer höheren Reproduzierbarkeit des Prozesses mit einem geregelten Antrieb (Erhöhung der Prozesssicherheit), einem erweiterten Anwendungsbereich, z.B. Fügen dünnwandigerer Bauteile sowie dickwandigere und/oder höherfeste Bauteile, durch geringeren Verzug der gefügten Bauteilflansche (Leichtbaupotential) bzw. Reduktion des Fügekraftbedarfes. Ebenso führt es zu einer Kosteneinsparung durch Verzicht auf Druckluft beim eigentlichen Fügeprozess.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H06198576 A [0005]

Claims

Verfahren zum Einbringen eines Nagels (20) in wenigstens ein Bauteil (11, 12), wobei Schwingungen in den Nagel (20) eingekoppelt werden, und wobei eine Kraft (F) in eine Fügerichtung (R) auf den Nagel (20) ausgeübt wird, sodass dieser in das wenigstens eine Bauteil (11, 12) eingedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorschubbewegung für den Nagel (20) von einem Antrieb (50) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Nagel (20) mit einer Vorschubgeschwindigkeit zwischen 1 mm/s und 150 mm/s, bevorzugt zwischen 5 mm/s und 100 mm/s, in das wenigstens eine Bauteil (11, 12) eingedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Nagel mit wenigstens zwei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten in das wenigstens eine Bauteil (11, 12) eingedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schwingungen als Ultraschallschwingungen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schwingungen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bevorzugt zwischen 15 kHz und 50 kHz, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schwingungen derart erzeugt werden, dass eine Amplitude der Schwingungen, insbesondere an einem dem Nagel (20) zugewandten Ende eines Schwingsystems (39), zwischen 10 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 20 µm und 75 µm, betragen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Nagel (20) mittels eines in Schwingung versetzten Werkzeugs hämmernd in das wenigstens eine Bauteil (11, 12) eingedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorschubbewegung geschwindigkeitsgesteuert und/oder kraftgesteuert und/oder weggesteuert und/oder mit einer Geschwindigkeit und/oder mit einer Kraft (F) und/oder einem Weg (x) als Regelgröße geregelt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schwingungen in longitudinaler Richtung in den Nagel eingekoppelt werden.
Vorrichtung (100) zum Einbringen eines Nagels (20) in wenigstens ein Bauteil (11, 12), mit einer Setzeinheit (10) mit einem Schwingsystem (39), das in Schwingung versetzbar und mittelbar oder unmittelbar mit dem Nagel (20) in Kontakt bringbar ist, gekennzeichnet durch einen Antrieb (50) zum Bereitstellen einer Vorschubbewegung für das Schwingsystem (39) in eine Fügerichtung (R).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, mit einer Halteeinrichtung (16), die insbesondere Teil der Setzeinheit (10) ist, in welche der Nagel (20) einbringbar und in Fügerichtung (R) führbar ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Schwingsystem (39) einen Schwingungskonverter (30) und eine Sonotrode (32), und insbesondere einen zwischen dem Schwingungskonverter (30) und der Sonotrode (32) angeordneten Booster (31), aufweist, wobei der Schwingungskonverter (30) mit einem Schwingungserzeuger (92) verbindbar ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, weiterhin mit einem motorisch bewegbaren Roboterarm (4, 5, 6), an dessen Ende die Setzeinheit (10) angeordnet ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, die dazu eingerichtet ist, mittels des motorisch bewegbaren Roboterarms (4, 5, 6) die Vorschubbewegung des Schwingsystems (39) wenigstens teilweise und/oder wenigstens zeitweise zu erzeugen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Setzeinheit (10) weiterhin einen mit dem Schwingsystem (39) gekoppelten Antrieb (50) aufweist, wobei der Antrieb (50) dazu eingerichtet ist, die Vorschubbewegung des Schwingsystems (39) wenigstens teilweise und/oder wenigstens zeitweise zu erzeugen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, weiterhin mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit (91), wobei die Vorrichtung (100) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.