DE102019102681A1

DE102019102681A1 - Nietkleben eines Werkstückstapels mit einem oder mehreren Polymerverbundwerkstücken

Info

Publication number: DE102019102681A1
Application number: DE102019102681.4A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang; Bradley J. Blaski; Richard C. Janis; Mark A. Voss
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2019-08-08
Also published as: CN110116509A; US20190240723A1; CN110116509B; US10722936B2

Abstract

Ein Verfahren zum Nietkleben eines Werkstückstapels, der ein oder mehrere Polymerverbundwerkstücke, wie beispielsweise Kohlenstofffaser-Verbundwerkstücke, beinhaltet, besteht aus mehreren Schritten. In einem Schritt wird der Klebstoff auf eine Oberfläche des Werkstückstapels aufgetragen. In einem weiteren Schritt werden Werkstücke - einschließlich des/der Polymerverbundwerkstoff(e) - zusammengefügt. In noch einem weiteren Schritt ist der Klebstoff teilweise oder mehr ausgehärtet. In einem weiteren Schritt wird ein Niet durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff hindurch angebracht. Das Verfahren verstärkt die resultierende Nietklebeverbindung, indem es Bruch, Rissbildung und/oder Abplatzung minimiert oder ganz ausschließt.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Nietkleben und, insbesondere auf das Nietkleben eines Werkstückstapels, der ein oder mehrere Polymerverbundwerkstücke beinhaltet.
Das Nietkleben ist ein Prozess, der von zahlreichen Branchen eingesetzt wird, um zwei oder mehr Werkstücke miteinander zu verbinden. Im Allgemeinen verbindet das Nietkleben Werkstücke sowohl durch Kleben als auch durch Nieten. So nutzt beispielsweise die Automobilindustrie das Nietkleben, um Werkstücke bei der Herstellung von Ladeflächen sowie andere Fahrzeugkomponenten und -strukturen miteinander zu verbinden. Im Beispiel einer Ladefläche werden eine Reihe von Nietklebeverbindungen an Stellen um die Ladefläche herum angebracht, um diese zu fixieren. Darüber hinaus wird das Nietkleben immer häufiger in Fällen eingesetzt, in denen leichtere Materialien - wie beispielsweise Polymerverbundwerkstoffe - in immer mehr Herstellungsprodukten verwendet werden, unabhängig davon, ob es sich um Automobile, Flugzeuge, Wasserfahrzeuge oder andere Produkte handelt.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zum Nietkleben eines Werkstückstapels mit einem oder mehreren Polymerverbundwerkstücken mehrere Schritte beinhalten. Ein Schritt besteht darin, einen Klebstoff auf eine oder mehrere Oberflächen des Werkstückstapels aufzutragen. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Zusammenführen von Werkstücken des Werkstückstapels mit dem dazwischen befindlichen Klebstoff. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Aushärten des Klebstoffs in einen teilweise ausgehärteten Zustand. Noch ein weiterer Schritt beinhaltet das Anbringen eines Niets durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet. Und noch ein weiterer Schritt beinhaltet das Aushärten des Klebstoffs nach der Nietmontage in einen vollständig ausgehärteten Zustand.
In einer Ausführungsform beinhalten das eine oder die mehreren Polymerverbundwerkstücke ein erstes Kohlenstofffaser-Verbundwerkstück und ein zweites Kohlenstofffaser- Verbundwerkstückwerkstück.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Montage des Niets die Verwendung von selbststanzenden Nieten.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Anbringen des Niets das Schneiden eines Lochs durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Anbringen des Niets das Einsetzen des Niets durch das Loch und das Gesenken eines Kragens zu einem Schaft des Niets.
In einer Ausführungsform liegt ein Verhältnis der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im teilausgehärteten Zustand zur Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im voll ausgehärteten Zustand unter etwa 70 Prozent (%).
In einer Ausführungsform liegt das Verhältnis der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im teilausgehärteten Zustand zur Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im voll ausgehärteten Zustand in einem Bereich von etwa 60 Prozent (%) bis 70 Prozent (%).
In einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem Niet und dem Werkstückstapel inmitten der Nietmontage ein Dämpfer, um die Stoßkraft der Nietmontage dort abzuleiten.
In einer Ausführungsform ist der Dämpfer ein oder mehrere Kissenelemente, die von einem Schaft des Niets getragen werden, von einem Kragen des Niets getragen werden oder sowohl vom Schaft als auch von dem Kragen getragen werden.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Montage des Niets eine Verlängerung der Stoßkraft der Nietmontage über die Zeit.
In einer Ausführungsform wird die Verlängerung der Stoßkraft der Nietmontage über die Zeit durch eine Servosteuerung bewirkt.
In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zum Nietkleben eines Werkstückstapels mit einem oder mehreren Polymerverbundwerkstücken mehrere Schritte beinhalten. Ein Schritt besteht darin, einen Klebstoff auf eine oder mehrere Oberflächen des Werkstückstapels aufzutragen. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Zusammenführen von Werkstücken des Werkstückstapels mit dem dazwischen befindlichen Klebstoff. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Aushärten des Klebstoffs in einen teilweise ausgehärteten Zustand. Ein Verhältnis der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im teilausgehärteten Zustand zur Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im voll ausgehärteten Zustand liegt unter etwa 70 Prozent (%). Noch ein weiterer Schritt beinhaltet das Anbringen eines Niets durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet. Und noch ein weiterer Schritt beinhaltet das Aushärten des Klebstoffs nach der Nietmontage in einen vollständig ausgehärteten Zustand.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein weiterer Schritt des Verfahrens das Bohren eines Lochs durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Montage des Niets die Verwendung von selbststanzenden Nieten.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Aushärten des Klebstoffs nach der Nietmontage in einen vollständig ausgehärteten Zustand, dass der Klebstoff unter Umgebungsbedingungen in den vollständig ausgehärteten Zustand aushärten kann.
In einer Ausführungsform ist/sind eines oder mehrere Kissenelemente, die von einem Schaft des Niets getragen werden, von einem Kragen des Niets getragen werden oder sowohl vom Schaft als auch von dem Kragen getragen werden. Das/die Kissenelement(e) leiten die Stoßkraft der Nietmontage ab.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Montage des Niets durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff eine Servosteuerung, um die Stoßkraft der Nietmontage über die Zeit zu verlängern.
In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zum Nietkleben eines Werkstückstapels mit einem oder mehreren Polymerverbundwerkstücken mehrere Schritte beinhalten. Ein Schritt besteht darin, einen Klebstoff auf eine oder mehrere Oberflächen des Werkstückstapels aufzutragen. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Zusammenführen von Werkstücken des Werkstückstapels mit dem dazwischen befindlichen Klebstoff. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Aushärten des Klebstoffs in einen teilweise ausgehärteten Zustand. Ein Verhältnis der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im teilausgehärteten Zustand zur Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im voll ausgehärteten Zustand liegt unter etwa 70 Prozent (%). Noch ein weiterer Schritt beinhaltet das Schneiden eines Lochs durch den Werkstückstapel, während sich der Klebstoff im teilausgehärteten Zustand befindet. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Gesenken eines Kragens zu einem Schaft des eingesetzten Niets, während sich der Klebstoff im teilausgehärteten Zustand befindet. Und noch ein weiterer Schritt ist das Aushärten des Klebstoffs in einen vollständig ausgehärteten Zustand nach dem Einsetzen des Niets und nach dem Gesenken des Kragens.
In einer Ausführungsform ist/sind eines oder mehrere Kissenelemente, die von einem Schaft des Niets getragen werden, von einem Kragen des Niets getragen werden oder sowohl vom Schaft als auch von dem Kragen getragen werden. Das/die Kissenelement(e) leiten die Stoßkraft der Nietmontage ab.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Einsetzen des Niets durch das Loch in den Werkstückstapel eine Servosteuerung, um die Stoßkraft des Einsetzens des Niets über die Zeit zu verlängern.
Figurenliste
Ein oder mehrere Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und worin gilt:

1 ist ein Diagramm, das die Ermüdungsfestigkeit von bisher bekannten Nietklebeverbindungen und Nietverbindungen mit den auf der X-Achse angegebenen Ermüdungslebenszyklen und der auf der Y-Achse angegebenen aufgebrachten Last in Pfund (lb.) darstellt;
2 ist eine Mikrostruktur einer bisher bekannten Nietklebeverbindung, die einer Dauerfestigkeitsprüfung unterzogen wurde;
3 verdeutlicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Nietkleben eines Werkstückstapels, der eine oder mehrere Polymerverbundwerkstücke beinhaltet;
4 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Nietkleben eines Werkstückstapels, der eine oder mehrere Polymerverbundwerkstücke beinhaltet;
5 ist ein Diagramm, das eine verlängerte Stoßkraft der Nietmontage über die Zeit darstellt, wobei die Zeit auf der X-Achse und die Kraft auf der Y-Achse angegeben sind; und
6 ist eine Mikrostruktur einer Nietklebeverbindung, die gemäß der Ausführungsform des Verfahrens gebildet wurde, dargestellt in 3.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mehrere Ausführungsformen eines Verfahrens zum Nietkleben von Werkstückstapeln sind in den Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Die Verfahren beseitigen Mängel, die auftreten, wenn die Werkstückstapel ein oder mehrere Werkstücke aus Polymerverbundwerkstoffen beinhalten. Die Verfahren verstärken Nietklebeverbindungen, indem sie Brüche, Risse, Abplatzungen oder eine Kombination derselben an den Verbindungen minimieren oder ganz ausschließen, die ansonsten bei der Nietmontage auftreten könnten und zu einer Schwächung der Nietklebeverbindungen führen könnten. Die Gesamtqualität der Nietklebeverbindungen wird dadurch verbessert. Während die im Folgenden beschriebenen Verfahren im Kontext von Automobilkomponenten und -strukturen beschrieben werden, sollten Fachleute verstehen, dass die Verfahren in anderen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Eisenbahn, Hochbau und Industrieanlagen, eingesetzt werden können.
Bei einem bisher bekannten Ansatz des Nietklebens werden ein Paar Polymerverbundwerkstoffe zusammen mit einem zwischen den Werkstücken angeordneten Klebstoff gestapelt. Der Klebstoff ist vollständig ausgehärtet und wird zum Abkühlen an der Luft gehalten, wodurch die Werkstücke aus Polymerverbundwerkstoffen zusammengefügt werden. Nach dem vollständigen Aushärten und Abkühlen wird ein Niet durch die Kunststoffverbundwerkstücke und durch den vollständig ausgehärteten und abgekühlten Klebstoff hindurch befestigt. Das Profil der Stoßkraft der Nietbefestigung im Zeitverlauf für diesen bisher bekannten Ansatz ist in 5 durch das Bezugszeichen 1100 dargestellt, wobei die Zeit auf einer X-Achse 1200 und die Kraft auf einer Y-Achse 1300 angegeben ist. Das Profil 1100 demonstriert einen eher starken Kraftzuwachs, der schnell umgesetzt wird. Der bisher bekannte Ansatz des Nietklebens könnte sich in bestimmten Fällen als geeignet erweisen; tatsächlich wurde festgestellt, dass die quasistatische Festigkeit (in Pfund für die Verbindungsabmessungen: 125 Millimeter (mm) (Länge) x (×) 38 mm (Breite) Coupons mit 23 mm Überlappung) oder Überlappungsscherfestigkeit einer Nietklebeverbindung, die durch den bisher bekannten Ansatz bei Kohlenstofffaser-Verbundwerkstücken gebildet wird, ist messbar größer als die statische Festigkeit einer reinen Nietverbindung ohne Klebstoff, die bei Kohlenstofffaser-Verbundwerkstücken gebildet wird. Aber, und nun unter Bezugnahme auf 1, wurde weiter festgestellt, dass diese zuvor bekannten Nietklebeverbindungen nicht immer die reinen Nietverbindungen bei Dauerfestigkeitsprüfungen übertreffen. Im Diagramm von 1 werden die Ermüdungslebenszyklen auf einer X-Achse 1400 und die aufgebrachte Last in Pfund (lb.) auf einer Y-Achse 1500 angegeben. Die Nietklebeverbindungen sind durch die Bezugszeichen 1600 dargestellt, und die reinen Nietverbindungen sind durch die Bezugszeichen 1700 dargestellt. In diesem Beispiel wurden die Dauerfestigkeitsprüfungen, die Nietklebeverbindungen 1600 und die reinen Nietverbindungen 1700 zu verschiedenen Zeiten unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt; die Prüfung beinhaltete den Einsatz einer servohydraulischen Prüfmaschine durch die MTS Systems Corporation of Eden Prairie, Minnesota U.S.A.; die Prüfung wurde unter der Bedingung einer konstanten Lastamplitudensteuerung durchgeführt; die zyklische Belastung war eine sinusförmige Wellenform mit dem Lastverhältnis von R=0,1, wobei R das Verhältnis von Mindestlast zu Höchstlast unter der Frequenz von 5 Hertz (Hz) ist; die Lebensdauer der Verbindungen wurde durch die Zyklen bei vollständiger Trennung der Verbindungen bestimmt. Wie im Diagramm demonstriert, haben die reinen Nietverbindungen 1700 die Prüfung konsequenter bestanden als die Nietklebeverbindungen 1600. Die reinen Nietverbindungen 1700 rechts von der vertikalen Linie (R=0,1) waren Verbindungen, die den Prüfvorgang ohne Fehler überstanden haben und bei denen der Prüfvorgang abgebrochen wurde. Selbstverständlich können andere Tests zu anderen Ergebnissen führen.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie der Kausalität beschränken zu wollen, wird derzeit angenommen, dass die unzureichende Ermüdungsfestigkeit der geprüften Nietklebeverbindungen 1600 auf Bruch, Risse, Abplatzungen oder eine Kombination derselben zurückzuführen ist, die an den Nietklebeverbindungen 1600 durch die von der Nietbefestigung ausgeübte Stoßkraft induziert werden. Die Mikrostruktur von 2 ist repräsentativ für einen Querschnitt einer Nietklebeverbindung 1600, die nach dem bisher bekannten Ansatz des Nietklebens hergestellt wurde. In 2 werden ein Paar Kohlenstofffaser-Verbundwerkstücke 1610 über einen vollständig ausgehärteten und gekühlten Klebstoff 1612 mit einer Bohrung 1614 zusammengeführt, durch die ein Niet befestigt wurde, nachdem der vollständig ausgehärtete und abgekühlte Zustand des Klebstoffs hergestellt wurde. Risse oder Abplatzungen 1616 - sowohl bei den Kohlenstofffaser-Verbundwerkstücken 1610 als auch an einer Klebstoff-Werkstück-Schnittstelle - werden in der Mikrostruktur beobachtet. Es wird angenommen, dass diese Rissbildung/Abplatzung 1616 durch die Stoßkraft der Nietbefestigung hervorgerufen wurde, da eine ähnliche Rissbildung in einem Mikrostrukturbild einer reinen Klebeverbindung vor der Nietbefestigung nicht beobachtet wurde.
Um diese Mängel zu beheben und diese beobachteten Risse zu minimieren und in einigen Fällen ganz auszuschließen - sowie Brüche und Abplatzungen zu minimieren oder auszuschließen - sind Ausführungsformen eines Verfahrens zum Nietkleben in den 3-5 dargestellt. Die Verfahren verstärken Nietklebeverbindungen und verbessern die Gesamtqualität der Nietklebeverbindungen. In der Ausführungsform von 3 kann ein erstes Polymerverbundwerkstück 10 ein Werkstück sein, das bei der Herstellung einer Automobilkomponente oder -struktur, wie beispielsweise einer Ladefläche, verwendet wird. Das erste Polymerverbundwerkstück 10 kann aus verschiedenen Polymerverbundwerkstoffen aus einer Polymermatrix und einer durch die Polymermatrix gebundenen Verstärkung bestehen. In einem konkreten Beispiel ist das erste Polymerverbundwerkstückwerkstück 10 ein Kohlenstofffaser-Verbundwerkstück aus einem Nylon-6-Kunststoff mit 30 Gew.-% (%) Kohlenstofffaser. Das erste Polymerverbundwerkstück 10 kann eine Dickenabmessung 12 aufweisen, die zwischen etwa 1,0-4,0 mm liegt; andere Dickenabmessungen und Bereiche sind möglich. Des Weiteren ist in der Ausführungsform von 3 auch ein zweites Polymerverbundwerkstück 14 vorgesehen. Wie das erste Polymerverbundwerkstück 10 kann auch das zweite Polymerverbundwerkstück 14 ein Werkstück sein, das bei der Herstellung einer Automobilkomponente oder -struktur, wie beispielsweise einer Ladefläche, verwendet wird. Das zweite Polymerverbundwerkstück 14 kann aus verschiedenen Polymerverbundwerkstoffen aus einer Polymermatrix und einer durch die Polymermatrix gebundenen Verstärkung bestehen. In einem konkreten Beispiel ist das zweite Polymerverbundwerkstückwerkstück 14 ein Kohlenstofffaser-Verbundwerkstück aus einem Nylon-6-Kunststoff mit 30 Gew.-% (%) Kohlenstofffaser. Das zweite Polymerverbundwerkstückwerkstück 14 kann eine Dickenabmessung 16 aufweisen, die zwischen etwa 1,0-4,0 mm liegt; andere Dickenabmessungen und Bereiche sind möglich. In einer Ausführungsform müssen die ersten und zweiten Kunststoffverbundwerkstücke 10, 14 nicht notwendigerweise aus den gleichen Materialien bestehen, noch müssen die Werkstücke die gleichen Dicken aufweisen. Zusammen bilden die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 einen Werkstückstapel 18. In weiteren, in den Figuren nicht abgebildeten Ausführungsformen und je nach Anwendung kann der Werkstückstapel 18 jedoch mehr als zwei Werkstücke beinhalten, wie beispielsweise drei Werkstücke oder vier Werkstücke.
Noch unter Bezugnahme auf 3 wird in einem Schritt dieses Verfahrens ein Klebstoff 20 auf eine Oberfläche 22 des ersten Polymerverbundwerkstoffs 10 aufgebracht. Der Klebstoff 20 wird auf eine Fläche oder mehr einer Stelle der nachfolgenden Nietmontage aufgetragen. Der Klebstoff 20 könnte auch auf andere Oberflächen des Werkstückstapels 18 aufgebracht werden, einschließlich auf eine Oberfläche des zweiten Polymerverbundwerkstoffs 14. Der Klebstoff 20 kann unterschiedliche Zusammensetzungen in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen und kann aus unterschiedlichen Klebstofftypen bestehen; tatsächlich kann die genaue Zusammensetzung und der genaue Typ unter anderem durch die Zusammensetzung der zugehörigen Werkstücke bestimmt werden. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Klebstoff 20 ein zweiteiliger viskoser Klebstoff auf Polyurethanbasis, der beispielsweise unter dem Produktnamen Pliogrip™ 8500 bekannt ist und von der Firma Ashland Inc. aus Ashland, Kentucky U.S.A. im Handel erhältlich ist; andere Produkte und andere Lieferanten sind möglich. Im ausgehärteten Zustand kann der Klebstoff 20 eine Dickenabmessung im Bereich von ca. 0,2-2,0 mm aufweisen; andere Dickenabmessungen und Bereiche sind möglich.
In einem weiteren Schritt dieses Verfahrens und nachdem der Klebstoff 20 aufgetragen wurde, aber vor dem Aushärten, werden die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 zusammengefügt und in einer überlappenden Konfiguration miteinander verbunden. Der Klebstoff 20 ist eingeklemmt und befindet sich zwischen den ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücken 10, 14, wie in 3 abgebildet. In der überlappenden Konfiguration wird der Klebstoff 20 dann zu einem teilweise ausgehärteten Aushärtungszustand ausgehärtet. Der teilausgehärtete Zustand ist ein bewährter Zustand der Aushärtung, der geringer ist als ein vollständig ausgehärteter Zustand. Tatsächlich kann der genaue Aushärtungszustand, der einen teilweise ausgehärteten Zustand darstellt, in verschiedenen Ausführungsformen variieren und von der Zusammensetzung und dem Typ des Klebstoffs 20 abhängig sein. In mindestens einigen Ausführungsformen ist der teilausgehärtete Zustand eine Aushärtungsbedingung, wobei die Maßhaltigkeit des Klebstoffs 20 und des Stapelaufbaus 18 im Allgemeinen beibehalten wird und wobei die Grünfestigkeit des Klebstoffs 20, der die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 vor der vollständigen Aushärtung zusammenhält, im Allgemeinen erhalten bleibt. Darüber hinaus kann die Aushärtetechnik, die durchgeführt wird, um einen bestimmten Aushärtungszustand, ob teilweise oder verstärkt, zu bewirken, in verschiedenen Ausführungsformen variieren und ebenfalls von der Zusammensetzung und dem Typ des Klebstoffs 20 abhängig sein. In der Ausführungsform des Klebstoffs 20, der ein zweiteiliger viskoser Klebstoff auf Polyurethanbasis ist, kann die Aushärtetechnik, die zum Herstellen eines teilausgehärteten Zustandes durchgeführt wird, das Erwärmen (z. B. Induktionserwärmung, leichte Erwärmung, Verwendung einer Heizplatte oder einer anderen Art der Erwärmung), das Abkühlen unter Umgebungsbedingungen oder eine Kombination von Erwärmen und Abkühlen beinhalten.
Noch ein weiterer Schritt des Verfahrens von 3 ist die Nietmontage. Das genaue Nietmontageverfahren und die Schritte in diesem Verfahren können in verschiedenen Ausführungsformen variieren und von der durchgeführten Niettechnik abhängig sein. So kann beispielsweise bei der Nietmontage in diesem Schritt neben anderen möglichen Nietverfahren und -techniken auch Stanznieten, Blindnieten oder Nietmuttern verwendet werden. In der Ausführungsform von 3 beinhaltet das Nietmontageverfahren das Schneiden eines Lochs 24 durch die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 und durch den Klebstoff 20. Das Schneiden erfolgt unmittelbar nach dem Aushärten des Klebstoffs 20 in dem zuvor beschriebenen, teilweise ausgehärteten Aushärtungszustand und während sich der Klebstoff 20 noch im teilweise ausgehärteten Zustand befindet. In einem Beispiel wird das Schneiden durch Bohren des Lochs 24 durch die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 und durch den Klebstoff 20 ausgeführt. Anschließend wird ein Niet 26 in das Loch 24 eingesetzt, wiederum, während sich der Klebstoff 20 noch im teilausgehärteten Zustand befindet. Ein Schaft 28 des Niets 26 wird in das Loch 24 eingeführt und von diesem aufgenommen, und ein Kragen 30 wird in die Stiftnuten des Schaftes 28 eingepresst. In einem konkreten Beispiel verwendet das Nietmontageverfahren das Produkt mit der Bezeichnung Avdelok® Schließringbolzen von Stanley Engineered Fastening of New Britain, Connecticut U. S.A.; andere Produkte und andere Lieferanten sind möglich.
Noch unter Bezugnahme auf 3 wird in einem letzten Schritt des Nietklebens in dieser Ausführungsform die teilweise ausgehärtete und genietete Verbindung auf einen vollständig ausgehärteten Verfestigungszustand ausgehärtet. Der vollständig ausgehärtete Zustand ist ein bewährter Aushärtungszustand, der die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 über den Klebstoff 20 endgültig miteinander verbindet. Wie bei der teilweisen Aushärtung kann die Aushärtetechnik, die durchgeführt wird, um den vollständig ausgehärteten Zustand zu bewirken, in verschiedenen Ausführungsformen variieren und von der Zusammensetzung und vom Typ des Klebstoffs 20 abhängig sein. In der Ausführungsform des Klebstoffs 20, der ein zweiteiliger viskoser Klebstoff auf Polyurethanbasis ist, kann die Aushärtetechnik zur Herstellung des vollständig ausgehärteten Zustandes das Erwärmen (z. B. Induktionserwärmung, konvektive Erwärmung, Kontakterwärmung oder eine andere Art der Erwärmung), das Abkühlen unter Umgebungsbedingungen oder eine Kombination aus Erwärmen und Abkühlen beinhalten.
Im Gegensatz zum bisher bekannten Ansatz des Nietklebens hat sich gezeigt, dass das Verfahren des Nietklebens von 3 nicht zu Bruch, Rissbildung und/oder Abplatzung führt. Es wird derzeit angenommen, dass der teilweise ausgehärtete Klebstoff 20 ein gewisses Dämpfungsverhalten aufweisen kann, das einen Teil der durch die Nietmontage ausgeübten Stoßkraft aufnimmt und dadurch Rissbildung, Bruch und/oder Abplatzung minimiert oder ganz ausschließt. Es kann auch sein, dass der teilweise ausgehärtete Zustand des Klebstoffs 20 eine Aushärtebedingung darstellt, die weniger anfällig für Bruch, Rissbildung und/oder Abplatzungen ist. Die Mikrostruktur von 6 ist repräsentativ für eine durch das Nietklebeverfahren von 3 hergestellte Nietklebeverbindung 32. In 6 sind die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 Kohlenstofffaser-Verbundwerkstücke aus einem Nylon-6-Kunststoff mit 30 Gew.-% Kohlefaser und der Klebstoff 20 ist ein zweiteiliger viskoser Klebstoff auf Polyurethanbasis. Der Klebstoff 20 wurde in einem Ofen bei etwa 300 Grad Fahrenheit (°F) für 30 Sekunden erwärmt und anschließend unter Umgebungsbedingungen für etwa 30 Minuten abgekühlt; diese Bedingung bildete den hergestellten teilausgehärteten Zustand. Anschließend wurde der Niet 26, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, eingebaut und anschließend vollständig ausgehärtet. Wie aus der Mikrostruktur von 6 ersichtlich ist, ist keine nennenswerte Rissbildung bzw. Verformung erkennbar, während der Klebstoff 20 unmittelbar angrenzend an den Niet 26 eine gewisse Druckbelastung erfahren hat.
Es wurden Tests durchgeführt, um das optimale Ausmaß der teilweisen Aushärtung zu bestimmen und gleichzeitig die Druckbelastung des Klebstoffs 20 durch die Nietmontage zu reduzieren, wenn der Klebstoff 20 weniger als vollständig ausgehärtet ist. In den durchgeführten exemplarischen Tests waren die ersten und zweiten Polymerverbundwerkstücke 10, 14 Kohlenstofffaser-Verbundwerkstücke aus einem Nylon-6-Kunststoff mit 30 Gew.-% Kohlenstofffaser und der Klebstoff 20 war ein zweiteiliger viskoser Klebstoff auf Polyurethanbasis, der dazwischen angeordnet war. Der teilweise ausgehärtete Aushärtungszustand wurde durch eine konvektive Ofenheizung erreicht, die dem Klebstoff 20 zugeführt wurde, woraufhin der Klebstoff 20 verschiedenen Abkühlzeiten unter Umgebungsbedingungen unterzogen wurde. In einem ersten Versuch wurde der Klebstoff 20 für 2 Minuten auf ca. 300 Grad Fahrenheit (°F) induktiv erwärmt und anschließend unter Umgebungsbedingungen für etwa 3 Minuten abgekühlt; diese Bedingung bildete den hergestellten teilausgehärteten Zustand. Nach dem Abkühlen wurde ein Niet montiert, während sich der Klebstoff 20 noch im teilausgehärteten Zustand befand. Die damit verbundene Nietmontage war ähnlich wie die vorstehend beschriebene Nietmontage unter Bezugnahme auf 3. Nach der Nietmontage wurde der Klebstoff 20 weiter in einen vollständig ausgehärteten Zustand gehärtet, wiederum wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die Untersuchung der Mikrostruktur der resultierenden Nietklebeverbindung ergab keine erkennbaren Risse. Des Weiteren wurde für den ersten Versuch die Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im teilausgehärteten Zustand (und ohne Nietmontage) getestet und mit der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im ausgehärteten Zustand (und ohne Nietmontage) verglichen. In der hier durchgeführten exemplarischen Lap-Shear-Festigkeitsprüfung wurden die Proben in einem Zugprüfgerät nach der Norm ASTM International D1002-2001 bis zum vollständigen Bruch belastet. Die teilweise ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit wurde durch die vollständig ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit dividiert, um einen Prozentsatz oder ein Verhältnis zwischen diesen beiden zu erhalten. Beim ersten Versuch betrug der erbrachte Prozentsatz 19 %.
In einem zweiten Versuch wurde der Klebstoff 20 für 2 Minuten auf ca. 300 Grad Fahrenheit (°F) induktiv erwärmt und anschließend unter Umgebungsbedingungen für etwa 10 Minuten abgekühlt; diese Bedingung bildete den hergestellten teilausgehärteten Zustand. Nach dem Abkühlen wurde ein Niet montiert, während sich der Klebstoff 20 noch im teilausgehärteten Zustand befand. Die damit verbundene Nietmontage war ähnlich wie die vorstehend beschriebene Nietmontage unter Bezugnahme auf 3. Nach der Nietmontage wurde der Klebstoff 20 weiter in einen vollständig ausgehärteten Zustand gehärtet, wiederum wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die Untersuchung der Mikrostruktur der resultierenden Nietklebeverbindung ergab keine erkennbaren Risse. Des Weiteren wurde für den zweiten Versuch die Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im teilausgehärteten Zustand (und vor der Nietmontage) getestet und mit der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im ausgehärteten Zustand (und ohne Nietmontage) verglichen. In der hier durchgeführten exemplarischen Lap-Shear-Festigkeitsprüfung wurden die Proben in einem Zugprüfgerät nach der Norm ASTM International D1002-2001 bis zum vollständigen Bruch belastet. Die teilweise ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit wurde durch die vollständig ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit dividiert, um einen Prozentsatz oder ein Verhältnis zwischen diesen beiden zu erhalten. Beim zweiten Versuch betrug der erbrachte Prozentsatz 61,8 %.
In einem dritten Versuch wurde der Klebstoff 20 für 2 Minuten auf ca. 300 Grad Fahrenheit (°F) induktiv erwärmt und anschließend unter Umgebungsbedingungen für etwa 30 Minuten abgekühlt; diese Bedingung bildete den hergestellten teilausgehärteten Zustand. Nach dem Abkühlen wurde ein Niet montiert, während sich der Klebstoff 20 noch im teilausgehärteten Zustand befand. Die damit verbundene Nietmontage war ähnlich wie die vorstehend beschriebene Nietmontage unter Bezugnahme auf 3. Nach der Nietmontage wurde der Klebstoff 20 weiter in einen vollständig ausgehärteten Zustand gehärtet, wiederum wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die Untersuchung der Mikrostruktur der resultierenden Nietklebeverbindung ergab keine erkennbaren Risse. Des Weiteren wurde für den dritten Versuch die Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im teilausgehärteten Zustand (und vor der Nietmontage) getestet und mit der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im ausgehärteten Zustand (und ohne Nietmontage) verglichen. In der hier durchgeführten exemplarischen Lap-Shear-Festigkeitsprüfung wurden die Proben in einem Zugprüfgerät nach der Norm ASTM International D1002-2001 bis zum vollständigen Bruch belastet. Die teilweise ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit wurde durch die vollständig ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit dividiert, um einen Prozentsatz oder ein Verhältnis zwischen diesen beiden zu erhalten. Beim dritten Versuch betrug der erbrachte Prozentsatz 66,5 %.
Schließlich wurde der Klebstoff 20 in einem vierten Versuch für 2 Minuten auf ca. 300 Grad Fahrenheit (°F) induktiv erwärmt und anschließend unter Umgebungsbedingungen für etwa 60 Minuten abgekühlt; diese Bedingung bildete den hergestellten teilausgehärteten Zustand. Nach dem Abkühlen wurde ein Niet montiert, während sich der Klebstoff 20 noch im teilausgehärteten Zustand befand. Die damit verbundene Nietmontage war ähnlich wie die vorstehend beschriebene Nietmontage unter Bezugnahme auf 3. Nach der Nietmontage wurde der Klebstoff 20 weiter in einen vollständig ausgehärteten Zustand gehärtet, wiederum wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Versuchen ergab die Untersuchung der Mikrostruktur der resultierenden Nietklebeverbindung im vierten Versuch eine beobachtbare Rissbildung. Des Weiteren wurde für den vierten Versuch die Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im teilausgehärteten Zustand (und vor der Nietmontage) getestet und mit der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs 20 im ausgehärteten Zustand (und ohne Nietmontage) verglichen. In der hier durchgeführten exemplarischen Lap-Shear-Festigkeitsprüfung wurden die Proben in einem Zugprüfgerät nach der Norm ASTM International D1002-2001 bis zum vollständigen Bruch belastet. Die teilweise ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit wurde durch die vollständig ausgehärtete Überlappungsscherfestigkeit dividiert, um einen Prozentsatz oder ein Verhältnis zwischen diesen beiden zu erhalten. Beim vierten Versuch betrug der erbrachte Prozentsatz 79,3 %.
Basierend zumindest teilweise auf den durchgeführten Tests und den erzielten Ergebnissen wurde festgestellt, dass das optimale Verhältnis von teilausgehärteter Zugscherfestigkeit zu vollständig ausgehärteter Zugscherfestigkeit, die beobachtbare Brüche, Risse und/oder Abplatzungen minimiert oder ganz ausschließt, ein Verhältnis von weniger als etwa 70 % ist; oder, genauer gesagt, ein Verhältnis innerhalb eines ungefähren Bereichs von 60 % bis 70 % ist.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 werden in einer weiteren Ausführungsform eines Nietklebeverfahrens ein oder mehrere Dämpfer 34, 36 in das Verfahren eingebracht, um Bruch, Rissbildung und/oder Abplatzungen zu minimieren oder ganz auszuschließen. Der/die Dämpfer 34, 36 dienen dazu, ein Dämpfungsverhalten zu erzeugen, das einen Teil der durch die Nietmontage ausgeübten Stoßkraft aufnimmt und so die ausgeübte Stoßkraft über einen Zeitraum verlängert, der größer ist, als es sonst der Fall wäre. Der/die Dämpfer 34, 36 können verschiedene Formen in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen und können auf unterschiedliche Weise in das Verfahren des Nietklebens integriert werden. In der Ausführungsform von 4 beispielsweise nimmt der Dämpfer die Form eines ersten Dämpfungselements 34 und eines zweiten Dämpfungselements 36 an. Das erste und zweite Dämpfungselement 34, 36 kann aus einem Kunststoff- oder Gummimaterial oder dergleichen bestehen und kann eine Ringform aufweisen, wie in 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind das erste und zweite Dämpfungselement 34, 36 in den Schritt der Nietmontage integriert. Das erste Dämpfungselement 34 wird vom Schaft 28 des Niets 26 getragen und sitzt im eingebauten Zustand zwischen einem Kopf 38 des Niets 26 und einer Außenfläche 40 des zweiten Polymerverbundwerkstoffs 14. Ebenso wird das zweite Dämpfungselement 36 vom Kragen 30 des Niets 26 getragen und sitzt im eingebauten Zustand zwischen dem Kragen 30 und dem ersten Polymerverbundwerkstoff 10 und ist sandwichartig angeordnet. In anderen Ausführungsformen muss jedoch nur das erste Dämpfungselement 34 oder nur das zweite Dämpfungselement 36 bereitgestellt werden; tatsächlich haben Tests ergeben, dass die Verwendung nur des zweiten Dämpfungselements 36 (d. h. ohne das erste Dämpfungselement 34) mit Klebstoff, der vor der Nietmontage vollständig ausgehärtet ist, Bruch, Rissbildung und/oder Abplatzung minimiert oder ganz ausschließt. An einer dieser Stellen kann das erste und/oder zweite Dämpfungselement 34, 36 eine galvanische Korrosion verhindern, die sich ansonsten beim Einsatz zwischen dem Werkstück 10, 14 und dem Niet 26 entwickeln könnte. Des Weiteren kann der Klebstoff 20 in dieser Ausführungsform vor der Nietmontage teilweise oder vollständig ausgehärtet werden, da die ersten und/oder zweiten Dämpfungselemente 34, 36 der Dämpfungsfunktion dienen.
In noch einer weiteren Ausführungsform minimiert oder schließt ein Verfahren zum Nietkleben Bruch, Rissbildung und/oder Abplatzung durch Verlängerung oder Erweiterung der bei der Nietmontage ausgeübten Stoßkraft über einen Zeitraum, der größer ist, als es sonst bei der Implementierung einer Servosteuerung in der Nietmontage der Fall wäre, ganz aus. Diese Implementierung kann verschiedene Formen in verschiedenen Ausführungsformen annehmen. Im Beispiel von 5 verwaltet eine Servosteuerung die Stoßkraft einer Nietklebepistole zum Einsetzen von Nieten. Die Stoßkraft wird so gesteuert, dass sie ein Profil 1800 aufweist, wie im Diagramm abgebildet. Im Vergleich zum Profil 1100 des bisher bekannten Ansatzes weist das Profil 1800 eine schrittweise Kraft auf, die über einen längeren Zeitraum ausgeübt wird. Das Profil 1800 kann in anderen Ausführungsformen variieren. Des Weiteren kann der Klebstoff 20 in dieser Ausführungsform vor der Nietmontage teilweise oder vollständig ausgehärtet werden, da die implementierte Servosteuerung die ausgeübte Stoßkraft verlängert.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung eines oder mehrerer Aspekte der Offenbarung ist. Die Offenbarung ist nicht auf die besondere(n) hierin offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung gemachten Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Offenbarung oder der Definition der in den Patentansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen, außer dort, wo ein Begriff oder Ausdruck ausdrücklich vorstehend definiert wurde. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der/den ausgewiesenen Ausführungsform(en) sind für Fachleute offensichtlich. Alle diese anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollten im Geltungsbereich der angehängten Patentansprüche verstanden werden.
Wie in dieser Spezifikation und den Patentansprüchen verwendet, sind die Begriffe „z. B.“, „beispielsweise“, „Beispielsweise“, „wie z. B.“ und „wie“ und die Verben „umfassend“, „einschließend“ „aufweisend“ und deren andere Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Auflistung von einer oder mehreren Komponenten oder anderen Elementen verwendet werden, jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Auflistung andere zusätzliche Komponenten oder Elemente nicht ausschließt. Andere Begriffe sind in deren weitesten vernünftigen Sinn auszulegen, es sei denn, diese werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Verfahren zum Nietkleben eines Werkstückstapels, der mindestens ein Polymerverbundwerkstück umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Auftragen eines Klebstoffs auf mindestens eine Oberfläche des Werkstückstapels; Zusammenbringen von Werkstücken des Werkstückstapels mit dem zwischen den Werkstücken befindlichen Klebstoff; Aushärten des Klebstoffs in einen teilweise ausgehärteten Zustand; Anbringen eines Niets durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet; und Aushärten des Klebstoffs nach der Nietmontage in einen vollständig ausgehärteten Zustand.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das mindestens eine oder die mehreren Polymerverbundwerkstücke ein erstes Kohlenstofffaser-Verbundwerkstück und ein zweites Kohlenstofffaser-Verbundwerkstückwerkstück beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Anbringen des Niets die Verwendung von Stanznieten beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin ein Verhältnis der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im teilausgehärteten Zustand zur Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im voll ausgehärteten Zustand unter etwa 70 Prozent (%) liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Verhältnis der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im teilausgehärteten Zustand zur Zugscherfestigkeit des Klebstoffs im voll ausgehärteten Zustand in einem Bereich von etwa 60 Prozent (%) bis 70 Prozent (%) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin ein Dämpfer zwischen dem Niet und dem Werkstückstapel inmitten der Nietmontage angeordnet ist, um die Stoßkraft der Nietmontage dort abzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Dämpfer mindestens ein Dämpfungselement ist, das von einem Schaft des Niets getragen wird, von einem Kragen des Niets getragen wird oder von sowohl dem Schaft als auch dem Kragen getragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Anbringen des Niets das Verlängern der Stoßkraft der Nietmontage über die Zeit beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die Verlängerung der Stoßkraft der Nietmontage über die Zeit über eine Servosteuerung erfolgt.
Verfahren zum Nietkleben eines Werkstückstapels, der mindestens ein Polymerverbundwerkstück umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Auftragen eines Klebstoffs auf mindestens eine Oberfläche des Werkstückstapels; Zusammenbringen von Werkstücken des Werkstückstapels mit dem zwischen den Werkstücken befindlichen Klebstoff; Aushärten des Klebstoffs in einen teilweise ausgehärteten Zustand, worin ein Verhältnis der Zugscherfestigkeit des Klebstoffs in dem teilweise ausgehärteten Zustand zur Zugscherfestigkeit des Klebstoffs in einem vollständig ausgehärteten Zustand weniger als etwa 70 Prozent (%) beträgt; Schneiden eines Lochs durch den Werkstückstapel und durch den Klebstoff, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet; Einsetzen des Niets durch das Loch im Werkstückstapel, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet; Gesenkschmieden eines Kragens an einen Schaft des eingesetzten Niets, während sich der Klebstoff im teilweise ausgehärteten Zustand befindet; und Aushärten des Klebstoffs in einen vollständig ausgehärteten Zustand nach dem Einsetzen des Niets und nach dem Gesenkschmieden des Kragens.