DE102019100451A1 - Verfahren zum Verbinden von Thermoplastischen Verbundwerkstoffteilen 2 - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von Thermoplastischen Verbundwerkstoffteilen 2 Download PDF

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Abstract

Verbundene Bauteile aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen, wobei die Verbindung der Bauteile durch Nadeln erfolgt, die unter Druck und Rotation in das dadurch erweichten Matrixmaterial der Bauteile eingeführt werden sowie ein Verfahren zum Verbinden von solchen Bauteilen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Verbundwerkstoffteilen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Thermoplastische Verbundwerkstoffe können als Alternative zu Verbundwerkstoffen auf der Basis von duromeren Harzen verwendet werden. Ihrer Matrix besteht im Gegensatz zu üblichen Verbundwerkstoffen nicht aus Polyester- oder Epoxydharz, sondern aus einem Thermoplastischen Kunststoff. Als solche Matrix bildenden thermoplastischen Kunststoffe können PEEK, PEKK, PAEK, PEAK, PPS, PEI, PA, PES verwendet werden. In den thermoplastischen Kunststoff sind Verstärkungsfasern eingebettet. Als Verstärkungsfasern können Kohlenstofffasern, Kevlar- oder Glasfasern eingesetzt werden. Die Verstärkungsfasern sind dabei wie in herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen in die Matrix eingebettet.
    Aus Verbundwerkstoffen hergestellte Werkstücke können auf verschiedene Weise miteinander verbunden werden. Ein solches Verbinden kann durch Kleben erfolgen. Nicht in allen Anwendungsgebieten sind Klebeverbindungen üblich und verbreitet, beispielsweise in lasttragenden Bereichen von Fahrzeugen Strukturen. Ein Grund dafür ist die mangelhafte Prüfbarkeit der Verbindung: Eine Klebeverbindung, die zwischen zwei flächig verklebten teilen angeordnet ist, bleibt dem Auge des prüfenden Betrachters verborgen. Eine andere Verbindungstechnik ist das Verwenden von Befestigungselementen wie Nieten, Schrauben und/oder Bolzen. Um solche Befestigungselemente einzusetzen, müssten die zu verbindenden Werkstücke an den Verbindungsstellen gebohrt werden. Im Fall von Bauteilen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen stellt das Bohren des Werkstücks keine triviale Bearbeitung dar, weil das Matrixmaterial des thermoplastischen Verbundwerkstücks durch die Reibungswärme des Bohr Vorganges erwärmt wird. Außerdem werden durch das Bohren die lasttragenden Verstärkungsfasern durchtrennt.
  • Weiterhin sind selbstschneidende Schrauben als Verbindungsmittel bekannt, die mit einem durch die Reibungswärme des Einschraubens erweichbaren Dichtmaterials ausgestattet sind. Auch dieses Verbindungsmittel setzt ein vorheriges Bohren mit der damit einhergehenden Schwächung des Fasermaterials voraus.
  • Dem Stand der Technik fehlte es also an einer Verbindungstechnik, die es erlaubt Werkstücke aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen ohne Schwächung der Verstärkungsfasern dauerhaft miteinander zu verbinden.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Es hat sich nun für den Fachmann völlig überraschend herausgestellt, dass verbundene Bauteile aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen , wobei die Verbindung der Bauteile durch Nadeln erfolgt, die unter Druck und Rotation in das dadurch erweichten Matrixmaterial der Bauteile eingeführt werden, den Nachteilen des Standes der Technik abhelfen. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen umfassend das Positionieren der Bauteile zueinander, das Aufsetzen einer Nadel unter Druck, Versetzen der Nadel in eine Rotationsbewegung, so dass das thermoplastische Matrixmaterial erweicht und die Nadel durch das erweichte Matrixmaterial der Bauteile geschoben wird, Erstarren des thermoplastischen Matrixmaterials. Nadeln im Sinne der Erfindung können auch Stifte oder andere Verbindungselemente sein.
    Bei all dem ist es bevorzugt, wenn die Nadeln nicht senkrecht zur Bauteiloberfläche an der Ein- oder Austrittstelle angeordnet sind. Weiterhin ist bevorzugt, wenn der Winkel der die Bauteile miteinander verbindenden Nadel zur Oberfläche der verbundenen Bauteile weniger als 80°, bevorzugt weniger als 70°, besonders bevorzugt weniger als 60°, und ganz besonders bevorzugt weniger als 50° beträgt. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Nadel zylinderförmig ist. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Oberfläche der Nadel geriffelt ist. Weiterhin ist bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Nadeln paarweise über Kreuz zueinander angeordnet sind und dabei der Winkel benachbarter Nadeln zueinander im Wesentlichen 90° beträgt. Weiterhin ist bevorzugt, wenn der überstehende Teil der Nadeln so behandelt wird, dass eine ebene Bauteilfläche resultiert. Dies kann geschehen, indem der überstehende Teil der Nadeln umgebogen wird und/oder indem der überstehende Teil der Nadeln abgeschnitten wird. Weiterhin ist bevorzugt, wenn der überstehende Teil der Nadeln mit einem zusätzlichen Befestigungsmittel auf der Oberfläche der Bauteile fixiert wird. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Bauteile zusätzlich durch ein thermoplastisches Schweißverfahren miteinander verbunden werden. Ein solches thermoplastisches Schweißverfahren kann Laser-Schweißen, UltraschallSchweißen, Induktionsschweißen, Widerstandsschweißen oder Wärmeleitungsschweißen sein, entweder ein einzelnes dieser Verfahren oder eine Kombination mehrerer dieser Verfahren. Weiterhin ist bevorzugt, wenn eine Bauteiloberfläche ein Blitzschutzmaterial aufweist. Weiterhin ist bevorzugt, wenn das Blitzschutzmaterial aus metallischem Streckgitter besteht. Weiterhin ist bevorzugt, wenn eine Bauteiloberfläche ein Blitzschutzmaterial aus einer metallischen Lochfolie aufweist. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Kraft, mit der die Nadeln auf die Bauteil Oberfläche gedrückt werden, zwischen 50 und 1000 N, bevorzugt zwischen100 und 500 N liegt. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Rotationsfrequenz der rotierenden Nadel 5.000-2000 Umdrehungen pro Minute beträgt. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die überstehenden Teile der Nadeln anschließend umgebogen werden, so dass die aus dem Bauteil herausragenden Teile der Nadeln flach auf der oder den Bauteiloberfläche(n) zu liegen kommt oder kommen. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die überstehenden Teile der Nadeln anschließend so umgebogen werden, so dass die aus dem Bauteil herausragenden Teile der Nadeln mit einem ersten Teil flach auf der oder den Bauteiloberfläche(n) zu liegen kommt oder kommen und mit einem zweiten zum Teil im Wesentlichen senkrecht in die Bauteiloberfläche eindringen. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Nadeln eines der zu verbindenden Bauteile nur zum Teil durchdringen, bevorzugt zu höchstens 2/3 bezogen auf die jeweilige Bauteildicke. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Nadeln so ausgeführt sind, dass sie wenigstens eine vordefinierte Bruchstelle aufweisen, die im Wesentlichen bündig zur Bauteiloberfläche positioniert wird. solche Sollbruchstellen können auf beiden aus den Bauteilen herausragenden Abschnitten der Nadeln positioniert sein, im Wesentlichen bündig zur Bauteiloberfläche. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Nadeln einen Kopf aufweisen, der bündig zur Bauteiloberfläche positioniert wird. Dieser Kopf kann ein Flachkopf, ein Halbrundkopf oder ein Senkkopf sein. Weiterhin ist bevorzugt, wenn ein solcher Kopf bündig zur Bauteiloberfläche positioniert wird. Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Verbindungsstelle vor und oder während des Einführens der Nadeln zusätzlich (Heißluft, Induktion, Laserlicht, Infrarot, usw.) aufgewärmt wird. Weiterhin ist bevorzugt, wenn aus Bauteiloberflächen herausragende Teile der Nadeln jeweils in einem separaten Schritt entfernt werden, bevorzugt unter Verwendung von vordefinierten Bruchstellen (Sollbruchstellen). Die Erfindung umfasst auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Flugzeug mit erfindungsgemäßen Bauteilen.
  • 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.
    • 1 zeigt zwei verbundene Bauteile (1) aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen. Dabei wird das verbundene Bauteil (1) aus einem ersten Bauteil (2) mit einem zweiten Bauteil (3) unter Verwendung von Nadeln (4) zusammengefügt. Die Nadeln (4) sind zylindrisch geformt und können eine glatte Oberfläche (4a) oder eine geriffelte Oberfläche (4b) aufweisen. Nadeln mit glatter Oberfläche (4a) weisen Vorteile bei ihrer Fertigung auf. Sie lassen sich besonders einfach herstellen. Nadeln mit geriffelter Oberfläche (4b) weisen Vorteile bei ihrer Verarbeitung sowie hinsichtlich der Haltbarkeit des zusammengesetzten Bauteils (1) auf. Durch die geriffelte Oberfläche kann durch eine dünnere Nadel Reibungswärme mit einer höheren Leistungsdichte erzeugt werden, was eine schnellere Verarbeitung der Nadel ermöglicht. Darüber hinaus halten die geriffelte Nadeln nachdem Erstarren des thermoplastischen Matrixmaterials die Bauteile (2) und (3) besser zusammen. Zusätzlich kommt es bei Verwendung geriffelter und dünnerer Nadeln zu weniger Verformungen und zu weniger Schäden der lasttragenden Fasern in den Bauteilen (2) und (3), so dass das verbundene Bauteil verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
    • 2 zeigt die Verarbeitung erfindungsgemäßer Nadeln (4) zu erfindungsgemäßen Bauteilen (1). Die Nadel (4) wird in Rotation (5) versetzt und mit Druck (6) auf die Oberfläche des Bauteils (2) gedrückt. Dabei bildet sich durch die entstehende Reibungswärme an der Spitze der Nadel (4) eine Zone mit geschmolzenen Matrixmaterial (7), in die die Nadel (4) vorgeschoben werden kann. Dabei werden die lasttragenden Fasern des Bauteils (2) im Wesentlichen nicht beschädigt, sondern so deformiert, dass die Nadel (4) durch die Faserlagen des Bauteils (2) hindurch dringen kann.
    • 3 zeigt verbundenen Bauteile (2,3), bei denen die Nadeln (4) nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Vielmehr bilden die Nadeln (4) einen Winkel (8) zueinander. In 3 beträgt dieser Winkel (8) 90°, es sind aber auch andere Winkel (8) der Nadeln (4) zueinander realisierbar. Eine Vielzahl solcher im rechten Winkel zueinander angeordneten Nadeln (4) kann die mechanischen Eigenschaften des verbundenen Bauteils (1) weiter verbessern. Die Nadeln (4) können parallel zur Oberfläche der Bauteile (2,3) abgeschnitten und die Oberfläche durch Schleifen und Polieren egalisiert werden.
    • Figur vier zeigt auf der Oberfläche der Bauteile (2,3) herausragende Abschnitte (9) der Nadeln (4), die durch umbiegen die Festigkeit des verbundenen Bauteils (1) weiter erhöhen können. Dazu kann der herausragende Abschnitt (9) der Nadel (4) mit Hilfe eines Biegewerkzeugs (19) umgebogen werden. Vorteilhaft kann es sein, wenn der herausragende Teil (9) der Nadeln (4) mehrere Biegestellen (11) aufweist. Ein Schenkel (12) des herausragenden Abschnitts (9) kann unter Druck in die Oberfläche des Bauteils (2) hineingetrieben werden.
  • Es wird angemerkt, dass beschriebenen Ausführungsformen lediglich illustrative und nicht beschränkend sind.
  • Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Beispielen 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.

Claims (16)

  1. Verbundene Bauteile aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen, wobei die Verbindung der Bauteile durch Nadeln erfolgt, die unter Druck und Rotation in das dadurch erweichten Matrixmaterial der Bauteile eingeführt werden.
  2. Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen umfassend das Positionieren der Bauteile zueinander, das Aufsetzen einer Nadel unter Druck, Versetzen der Nadel in eine Rotationsbewegung, so dass das thermoplastische Matrixmaterial erweicht und die Nadel durch das erweichte Matrixmaterial der Bauteile geschoben wird, Erstarren des thermoplastischen Matrixmaterials.
  3. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Nadeln nicht senkrecht zur Bauteiloberfläche an der Ein- oder Austrittstelle angeordnet sind.
  4. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Nadel geriffelt ist.
  5. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Nadeln paarweise über Kreuz zueinander angeordnet sind und dabei der Winkel benachbarter Nadeln zueinander im Wesentlichen 90° beträgt.
  6. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der überstehende Teil der Nadeln so behandelt wird, dass eine ebene Bauteilfläche resultiert.
  7. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zusätzlich durch ein thermoplastisches Schweißverfahren miteinander verbunden werden.
  8. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Bauteiloberfläche ein Blitzschutzmaterial aufweist.
  9. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft, mit der die Nadeln auf die Bauteil Oberfläche gedrückt werden, zwischen 50 und 1000 N, bevorzugt zwischen100 und 500 N liegt.
  10. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsfrequenz der rotierenden Nadel 5.000-2000 Umdrehungen pro Minute beträgt.
  11. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die überstehenden Teile der Nadeln anschließend so umgebogen werden, so dass die aus dem Bauteil herausragenden Teile der Nadeln mit einem ersten Teil flach auf der oder den Bauteiloberfläche(n) zu liegen kommt oder kommen und mit einem zweiten zum Teil im Wesentlichen senkrecht in die Bauteiloberfläche eindringen.
  12. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Nadeln eines der zu verbindenden Bauteile nur zum Teil durchdringen, bevorzugt zu höchstens 2/3 bezogen auf die jeweilige Bauteildicke.
  13. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Nadeln so ausgeführt sind, dass sie wenigstens eine vordefinierte Bruchstelle aufweisen, die im Wesentlichen bündig zur Bauteiloberfläche positioniert wird.
  14. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Nadeln einen Kopf aufweisen, der bündig zur Bauteiloberfläche positioniert wird.
  15. Bauteile oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle vor und oder während des Einführens der Nadeln zusätzlich (Heißluft, Induktion, Laserlicht, Infrarot, usw.) aufgewärmt wird.
  16. Fahrzeug, insbesondere Flugzeug mit Bauteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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