DE102019105459B4 - Verfahren zum Verbinden von Faserverbundwerkstoffen - Google Patents

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Abstract

Verfahren (50) zum Verbinden erster und zweiter Materialschichten (10, 25), wobei das Verfahren (50) umfasst:Anordnen (55) eines Abschnitts eines Formeinsatzes (15) mit einem unteren Ende (14) in eine Oberseite (12) einer ersten Materialschicht (10);Aufbringen (60) einer Klebeschicht (20) zwischen der Oberseite (12) der ersten Schicht (10) und einer Unterseite einer zweiten Materialschicht (25), um eine Dicke der Klebelinie (22) zu erzeugen;Durchstechen (70) einer Oberseite (12) der zweiten Materialschicht (25) mit einem kopflosen Ende (32) eines Befestigungselements (30);Verriegeln (75) des kopflosen Endes (32) des Befestigungselements (30) in den Formeinsatz (15); undAufbringen (80) einer Schutzschicht (35) auf die Oberseite (12) der zweiten Materialschicht (25), um das verriegelte Befestigungselement (30) abzudecken.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zum Verbinden von Polymerverbundwerkstoffen und anderen Materialien unter Verwendung von Fließschrauben oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln.
  • Hintergrund
  • Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Zusammenhangs der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, gelten gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik.
  • Die DE 10 2014 218 193 A1 beschreibt ein Verbindungselement zum Fügen von mindestens zwei Fügeteilen mittels eines mechanischen Fügeverfahrens, wobei mindestens ein Fügeteil einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, wodurch die Festigkeit und somit die Lebensdauer erhöht wird und gleichzeitig eine gute Automatisierbarkeit im Fertigungsprozess möglich ist. Am oder im stiftförmigen Abschnitt des Verbindungselements ist mindestens eine Kavität angeordnet, wobei in zumindest einer Kavität ein bei Wärmeeinwirkung expandierbares Material angeordnet ist.
  • Die DE 10 2012 013 325 A1 beschreibt ein Verfahren zum Fügen von Bauelementen aus unterschiedlichen Werkstoffen. Um einen verbesserten Bauteilverbund aus einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement und einem dritten Bauelement zu ermöglichen erfolgen, ein Vorsehen eines Fügehilfsmittels, ein Herstellen eines Teilverbundes aus einem der zwei Bauelemente mittels des Fügehilfsmittels, mit: Durchdringen der zwei der Bauelemente mittels des Fügehilfsmittels sowie Herstellen einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen den zwei der Bauelemente und dem Fügehilfsmittel und ein Fügen des den Teilverbund durchdringenden Fügehilfsmittels mit einem verbleibenden der Bauelemente durch ein Pressschweißverfahren. Die Offenbarung betrifft ferner einen Bauteilverbund mit einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement, einem dritten Bauelement und einem Fügehilfsmittel, wobei das Fügehilfsmittel zwei der Bauelemente durchdringt und mit einem verbleibenden der Bauelemente mittels einer Pressschweißverbindung verbunden ist, der insbesondere hergestellt ist nach dem o.g. Verfahren.
  • Die US 2016/0 193 988 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden eines ersten und eines zweiten flächigen Teils mit jeweils einer Außenfläche und einer Innenfläche, wobei in einem ersten Schritt an zwei einander zugewandten Fügebereichen der flächigen Teile ein abgesenkter Bereich vorgesehen wird. Die abgesenkten Bereiche sind so geformt, dass das Niveau der Außenfläche im Bereich der abgesenkten Bereiche unterhalb des Niveaus der Außenfläche der benachbarten Bereiche der flächigen Teile liegt. In einem weiteren Schritt werden die beiden flächigen Teile unter Verwendung eines Klebstoffs derart zueinander positioniert, dass die beiden abgesenkten Bereiche eine Ausnehmung bilden, wobei entweder ein Fügebereich den anderen Fügebereich überlappt und der Klebstoff direkt zwischen den überlappenden Fügebereichen vorgesehen wird oder eine Fügehilfe verwendet wird, die die Fügebereiche der flächigen Teile zumindest teilweise überlappt, wobei der Klebstoff zwischen jedem Fügebereich der beiden flächigen Teile und der Fügehilfe vorgesehen wird. In einem weiteren Schritt wird im Bereich der Ausnehmung zwischen den Fügebereichen oder bei Verwendung einer Fügehilfe zwischen den Fügebereichen und der Fügehilfe ein mechanisches Gelenk eingebaut, um eine Montageverbindung herzustellen. In einem weiteren Schritt wird im Bereich der Ausnehmung zwischen den Fügebereichen oder bei Verwendung eines Fügehilfsmittels zwischen den Fügebereichen und dem Fügehilfsmittel eine mechanische Verbindung eingebaut, um ein montagemäßiges Anschließen zu ermöglichen. In einem weiteren Schritt wird die Ausnehmung mit einer Füllmasse gefüllt, um eine Nivellierung bezüglich des Niveaus der Außenfläche der benachbarten Bereiche der flächigen Teile zu ermöglichen.
  • Kohlefaserverstärkte Thermoplaste (CFRTP) wie kohlefaserverstärkte Nylon-Verbundwerkstoffe weisen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, was diese Materialien für den Einsatz in Automobilanwendungen wünschenswert macht. Um zum Beispiel das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, wurden diese Materialien in Teilen wie Luftansaugkrümmer, Luftfiltergehäuse, Resonatoren, Zahnräder, Kühlerlüfter, Ladeflächen und Kühlerbehältern verwendet. Trotz dieser Vorteile ist die Anzahl der Anwendungen für CRFTP-Materialien aufgrund der aktuellen Prozesse, die für die Verbindung von CRFTP-Materialien zur Verfügung stehen, begrenzt. Daher besteht ein Bedarf an verbesserten Prozessen zum Verbinden von CRFTP-Materialien.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Eine oder mehrere exemplarische Ausführungsformen lösen das vorstehend genannte Problem, indem sie ein Verfahren zum Verbinden der ersten und zweiten Materialschicht bereitstellen.
  • Gemäß der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Verbinden der ersten und zweiten Materialschichten das Anordnen eines Abschnitts eines Formeinsatzes mit einem unteren Ende in einer Oberseite aus einer ersten Materialschicht. Das Verfahren beinhaltet das Aufbringen einer Klebeschicht zwischen der Oberseite der ersten Schicht und einer Unterseite einer zweiten Materialschicht, um eine Dicke der Klebelinie zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet das Durchstechen einer Oberseite der zweiten Materialschicht mit einem kopflosen Ende eines Befestigungselements. Das Verfahren beinhaltet das Ineinandergreifen des kopflosen Endes des Befestigungselements in den Formeinsatz. Das Verfahren beinhaltet das Aufbringen einer Schutzschicht auf die Oberseite der zweiten Materialschicht, um das verzahnte Befestigungselement abzudecken.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Befestigungselement eine Fließschraube.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Positionieren der ersten und zweiten Schicht auf einer Matrize, nachdem die Klebeschicht zwischen den ersten und zweiten Schichten aufgebracht wurde und bevor die zweite Materialschicht mit dem kopflosen Ende der Fließschraube durchstochen wurde.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Fließschraube verriegelt, bis das kopflose Ende das untere Ende des Formeinsatzes durchdringt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhalten die ersten und zweiten Schichten jeweils ein Kohlefaser-Verbundmaterial.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Dicke der Klebelinie im Bereich von 0,1 mm bis 1,5 mm liegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ragt ein oberes Ende des Formeinsatzes über die Oberseite der ersten Materialschicht hinaus, und zwar in einem vorgegebenen Abstand gleich der Dicke der Klebelinie.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das zumindest teilweise Aushärten der Klebeschicht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Durchstechen einer Oberseite der zweiten Materialschicht mit einem kopflosen Ende einer Fließschraube, nachdem die Klebeschicht zumindest teilweise ausgehärtet ist.
  • Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken den Umfang der Offenbarung nicht ein.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, wobei gilt:
    • 1A ist eine Darstellung einer ersten Materialschicht mit einem Formeinsatz, der in einer Oberseite gemäß einer exemplarischen Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbinden der ersten und zweiten Materialschicht angeordnet ist;
    • 1B ist eine Darstellung der ersten Materialschicht und des Formeinsatzes von 1A, die ferner eine Klebeschicht beinhaltet, die gemäß den Aspekten der exemplarischen Ausführungsform auf die Oberseite der ersten Schicht aufgebracht ist;
    • 1C ist eine Darstellung von 1B, die ferner eine zweite Materialschicht und ein Fügebefestigungselement gemäß den Aspekten der exemplarischen Ausführungsform beinhaltet;
    • 1D ist eine Darstellung von 1C, worin die ersten und zweiten Materialschichten verbunden sind und eine Schicht einer Schutzschicht die Oberseite der zweiten Materialschicht gemäß den Aspekten der exemplarischen Ausführungsform bedeckt; und
    • 2 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Verbinden der ersten und zweiten Materialschichten gemäß der exemplarischen Ausführungsform.
  • In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ein Verfahren zum Verbinden von CRFTP-Materialien wird mittels eines Befestigungsprozesses wie dem Einsetzen von Fließschrauben durchgeführt. In diesem Prozess wird eine Fließschraube in mehrere Materialschichten (oder Werkstücken) eingefügt, um die Schichten miteinander zu verbinden. Die Materialschichten können, sind jedoch nicht darauf beschränkt, alle polymeren Verbundwerkstoffe, Polymere, polymere Verbundwerkstoff-Metall-Kombinationen beinhalten. Die Fließschraube beinhaltet einen Kopf und ein kopfloses Ende oder Schaft, um das Material durchbohren zu können. Wird die Fließschraube nach unten in die Schichten eingeführt, durchdringt das kopflose Ende die obere Schicht und dann die untere Schicht. Es ist jedoch üblich, dass diese Art der mechanischen Befestigung von Schichten aus CRFTP-Materialien eine geringe Verbindungsfestigkeit aufweist, da die befestigten Verbindungen im Laufe der Zeit anfällig für eine Schwächung durch verzinkte Korrosion aufweisen.
  • Ein Verfahren zum Verbinden von ersten und zweiten Materialschichten, insbesondere CRFTP-Materialien, gemäß Aspekten der exemplarischen Ausführungsform löst diese Probleme unter Verwendung einer Fließschraube und eines Formeinsatzes, die so gestaltet sind, dass das kopflose Ende der Fließschraube in und durch eine obere Materialschicht eindringt und dann in einen in einer unteren Materialschicht angeordneten Formeinsatz ineinander greift. Der Formeinsatz dient zur Verbesserung der mechanischen Verriegelung zwischen der Fließschraube und den Materialschichten sowie der gesamten Verbindungsqualität. Der Formeinsatz kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Die Grundvoraussetzung ist, dass der Formeinsatz härter sein muss als der Verbundwerkstoff, in den er eingeformt wird, und weicher als das Befestigungselement, das in diesen eingesetzt wird, z. B. Metall, gehärtetes Metall und Polymerverbundwerkstoffe. Die Größe des Formeinsatzes kann variieren. Er kann klein zum Einsetzen eines Befestigungselements oder groß/lang zum Einsetzen mehrerer Befestigungselemente sein, z. B. ein Streifen entlang eines Teilflansches. Der Formeinsatz kann auch auf eine einzelne Materialbahn aufgebracht werden oder an mehreren Materialstapeln mitwirken, ohne den Umfang der exemplarischen Ausführungsform zu überschreiten.
  • Unter Bezugnahme nun auf die 1A, 1B, 1C und 1D ist ein Beispiel für ein Verfahren zum Verbinden mehrerer Materialschichten mit einer Fließschraube veranschaulicht. Bei diesem Verfahren wird eine Oberseite 12 einer ersten Materialschicht 10 mit einer Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 6 mm mit einem Abschnitt eines Formeinsatzes 15 mit einem unteren Ende 14 angeordnet. Der Formeinsatz 15 kann als Teil eines Materialherstellungsprozesses, z. B. Gießen, in die erste Schicht des Materials 10 integriert werden oder durch einen separaten, den Fachleuten bekannten sekundären Prozess in das Material eingesetzt werden.
  • 1B veranschaulicht die Oberseite 12 der ersten Materialschicht 10 und den Formeinsatz 15, der mit einer Klebeschicht 20 bedeckt ist, um eine Dicke der Klebelinie 22 zu erzeugen. Ein oberes Ende 17 des Formeinsatzes 15 ragt vorzugsweise über die Oberseite 12 der ersten Materialschicht 10 in einem vorgegebenen Abstand gleich der Dicke 22 der Klebelinie hinaus, sodass der vorstehende Abschnitt des Formeinsatzes 15 nach dem Fügeprozess dazu dient, die Dicke 22 der Klebelinie aufrechtzuerhalten.
  • Unter Bezugnahme nun auf 1C wird eine Unterseite einer zweiten Materialschicht 25 auf die Klebeschicht 20 aufgebracht und vorzugsweise vor dem Einsetzen der Fließschraube 30 teilweise ausgehärtet. Die ersten 10 und zweiten 25 Schichten können verhältnismäßig flache Bahnen mit einer Dicke im Bereich von 0,5 mm - 6 mm sein, die auf eine Befestigungsmittel-Einlegemaschine gelegt werden (nicht dargestellt). Die Fließschraube 30 beinhaltet ein kopfloses Ende 32, das mit dem kopflosen Ende 32 eine Oberseite der zweiten Materialschicht 25 durchdringt. Das kopflose Ende 32 der Fließschraube 30 ist scharf, sodass die Fließschraube 30, wenn sie mit hohen Geschwindigkeiten und unter axialer Belastung gedreht wird, leicht in die zweite Schicht des Materials 25 eindringt.
  • 1D veranschaulicht die ersten 10 und zweiten 25 Materialschichten nach Abschluss des Fügeprozesses. Nach dem Durchstechen der zweiten Materialschicht 25 wird die Fließschraube 30 so ausgerichtet, dass das kopflose Ende 32 in den Formeinsatz 15 eingreift, bis das kopflose Ende 32 das untere Ende 14 des Formeinsatzes 15 durchdringt. Typischerweise weisen mechanische Befestigungselemente eine geringe Verbindungsfestigkeit bei Verbund-Verbund-Verbindungen auf, aber durch die Einführung des Formeinsatzes 15 in den Fügeprozess, da gemäß der exemplarischen Ausführungsform die mechanische Verbindung verbessert wird und die Dicke der Klebelinie erhalten werden kann. Nach Abschluss des Fügeprozesses wird auf die Oberseite 12 der zweiten Materialschicht 25 eine Schutzschicht aufgebracht, um die verriegelte Fließschraube 30 abzudecken. Dadurch wird die Fließschraube so abgedichtet, dass kein Wasser in die Schnittstellen zwischen Schraube und CFRTP gelangt. Dadurch kann die galvanische Korrosion (d. h. Korrosionsschäden, die auf Stahl auftreten) minimiert werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Verfahren 50 zum Verbinden der ersten und zweiten Materialschichten vorgesehen. Dieses Verfahren eignet sich zum Verbinden verschiedener Arten von geschichteten Materialien, ist jedoch insbesondere ein bevorzugtes Verfahren zum Verbinden von CRFTP-Materialien oder ähnlichen Polymerverbundwerkstoffen.
  • Bei Block 55 beginnt das Verfahren mit dem Anordnen eines Abschnitts eines Formeinsatzes 15 mit einem unteren Ende 14 in eine Oberseite 12 einer ersten Materialschicht 10.
  • Bei Block 60 fährt das Verfahren mit dem Aufbringen einer Klebstoffschicht 20 zwischen der Oberseite 12 der ersten Materialschicht 10 und einer Unterseite einer zweiten Materialschicht 25 fort. Anschließend kann die Klebeschicht 20 bei Block 65 zumindest teilweise ausgehärtet werden.
  • Bei Block 70 fährt das Verfahren mit dem Durchstechen einer Oberseite der zweiten Materialschicht 25 mit einem kopflosen Ende 32 einer Fließschraube 30 fort, nachdem die Klebeschicht 20 zumindest teilweise ausgehärtet ist.
  • Bei Block 75 ist das kopflose Ende 32 der Fließschraube 30 in den in der ersten Materialschicht 10 angeordneten Formeinsatz 15 eingerastet.
  • Schließlich endet das Verfahren bei Block 80 mit dem Aufbringen einer Schutzschicht 35 auf die Oberseite der zweiten Materialschicht 25 zum Abdecken der verriegelten Fließschraube 30.
  • Die vorhergehende Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Anwendungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt, und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Ansprüchen hervor. Es sei darauf hingewiesen, dass einer oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern. Ferner, obwohl jede der Ausführungsformen oben dahingehend beschrieben ist, dass sie bestimmte Merkmale aufweist, kann/können ein oder mehrere dieser Funktionen, die in Bezug auf jede Ausführungsform der Offenbarung beschrieben sind, in jeder der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder kombiniert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben wird. Mit anderen Worten ausgedrückt schließen sich die beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig aus, und Permutationen von einer oder mehreren Ausführungsformen gegeneinander bleiben innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung.
  • Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltkreiselementen, Halbleiterschichten usw.) werden unter Verwendung von verschiedenen Begriffen beschrieben, einschließlich „verbunden“, „eingerastet“, „gekoppelt“, „angrenzend“, „neben“, „oben auf“ „über“, „unter“ und „angeordnet“. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, kann eine Beziehung eine direkte Beziehung sein, wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und zweiten Element in der oben genannten Offenbarung beschrieben wird, wenn keine anderen intervenierenden Elemente zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden sind, kann jedoch auch eine indirekte Beziehung sein, wenn ein oder mehrere intervenierende(s) Element(e) (entweder räumlich oder funktional) zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden ist/sind. Wie hierin verwendet, sollte der Satz „zumindest eines von A, B und C“ so zu verstehen sein, dass damit eine Logik gemeint ist (A ODER B ODER C), unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen ODER, und sollte nicht dahingehend zu verstehen sein, dass gemeint ist „zumindest eines von A, zumindest eines von B und zumindest eines von C.“

Claims (9)

  1. Verfahren (50) zum Verbinden erster und zweiter Materialschichten (10, 25), wobei das Verfahren (50) umfasst: Anordnen (55) eines Abschnitts eines Formeinsatzes (15) mit einem unteren Ende (14) in eine Oberseite (12) einer ersten Materialschicht (10); Aufbringen (60) einer Klebeschicht (20) zwischen der Oberseite (12) der ersten Schicht (10) und einer Unterseite einer zweiten Materialschicht (25), um eine Dicke der Klebelinie (22) zu erzeugen; Durchstechen (70) einer Oberseite (12) der zweiten Materialschicht (25) mit einem kopflosen Ende (32) eines Befestigungselements (30); Verriegeln (75) des kopflosen Endes (32) des Befestigungselements (30) in den Formeinsatz (15); und Aufbringen (80) einer Schutzschicht (35) auf die Oberseite (12) der zweiten Materialschicht (25), um das verriegelte Befestigungselement (30) abzudecken.
  2. Verfahren (50) nach Anspruch 1, wobei das Befestigungselement (30) eine Fließschraube (30) ist.
  3. Verfahren (50) nach Anspruch 2, ferner umfassend das Positionieren der ersten und zweiten Materialschichten (10, 25) auf einer Befestigungsmittel-Einlegemaschine nach dem Aufbringen (60) der Klebeschicht (20) zwischen den ersten und zweiten Materialschichten (10, 25) und vor dem Durchstechen (70) der zweiten Materialschicht (25) mit dem kopflosen Ende (32) der Fließschraube (30).
  4. Verfahren (50) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, ferner umfassend das Verriegeln der Fließschraube (30), bis das kopflose Ende (32) das untere Ende (14) des Formeinsatzes (15) durchdringt.
  5. Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Materialschichten (10, 25) jeweils ein Kohlefaser-Verbundmaterial beinhalten.
  6. Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Klebelinie (22) in einem Bereich von 0,1 mm bis 1,5 mm liegt.
  7. Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Zulassen des Herausragens eines oberen Endes des Formeinsatzes (15) über die Oberseite (12) der ersten Materialschicht (10) in einem vorbestimmten Abstand gleich der Dicke der Klebelinie (22).
  8. Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Zulassen (65), dass die Klebeschicht (20) zumindest teilweise aushärtet.
  9. Verfahren (50) nach Anspruch 8, ferner umfassend das Durchstechen (70) einer Oberseite (12) der zweiten Materialschicht (25) mit einem kopflosen Ende (32) einer Fließschraube (30), nachdem die Klebeschicht (20) zumindest teilweise ausgehärtet ist.
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