DE102019105587A1

DE102019105587A1 - Stanzniet mit doppelbefestigung

Info

Publication number: DE102019105587A1
Application number: DE102019105587.3A
Authority: DE
Inventors: Steven Cipriano; Bradley J. Blaski; Richard C. Janis; Pei-Chung Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-09-12
Also published as: CN110253900A; US20190277320A1

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden von oberen und unteren Materialschichten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Bereitstellen eines Niets mit einem Kopf und einem kopflosen Ende, worin sich eine umrandete Kante vom Kopf nach unten in Richtung des kopflosen Endes erstreckt, das Auftragen einer Klebstoffschicht zwischen den oberen und unteren Schichten und das zumindest teilweise Aushärten der Klebstoffschicht. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchdringen der oberen Schicht mit einem kopflosen Ende eines Niets nach dem Aushärten der Klebeschicht, das Verformen der oberen Schicht mit der umrandeten Kante und der unteren Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets und das Zwingen der umrandeten Kante und des kopflosen Endes des Niets, sich während der Verformung der oberen und unteren Schichten radial nach außen zu biegen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zum Verbinden von Polymerverbundwerkstoffen und anderen Materialien unter Verwendung von selbststanzender Nieten.
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.
Kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste (CFRTP) wie kohlenstofffaserverstärkte Nylon-Verbundwerkstoffe weisen ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis 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 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.
KURZDARSTELLUNG
Ein erstes exemplarisches Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Schichten von Materialien, beinhaltet obere und untere Materialschichten, gemäß den Aspekten einer exemplarischen Ausführungsform. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Niets mit einem Kopf und einem kopflosen Ende, worin sich eine umrandete Kante vom Kopf nach unten in Richtung des kopflosen Endes erstreckt. Ein weiterer Aspekt beinhaltet das Durchstechen durch die obere Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets. Und noch ein weiterer Aspekt ist das Verformen der oberen Schicht mit der umrandeten Kante und der unteren Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets. Und noch ein weiterer Aspekt beinhaltet das Zwingen der umrandeten Kante und des kopflosen Endes des Niets, sich während der Verformung der oberen und unteren Schicht radial nach außen zu biegen, um mechanische Verriegelungen mit der oberen und unteren Schicht zu bilden. Es wird anerkannt, dass das Verfahren gemäß der exemplarischen Ausführungsform mit mehreren Schichten, z. B. 3, 4, 5 oder mehr Schichten, verwendet werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu überschreiten.
Ein weiterer Aspekt gemäß der exemplarischen Ausführungsform, worin der Niet ein selbststanzender Niet ist. Und ein weiterer Aspekt beinhaltet das Durchstechen durch die untere Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets. Noch ein weiterer Aspekt beinhaltet das Auftragen einer Klebeschicht zwischen der oberen und der unteren Schicht. Und ein weiterer Aspekt beinhaltet das zumindest teilweise Aushärten der Klebeschicht. Noch ein weiterer Aspekt beinhaltet das Durchstechen durch die obere Schicht, nachdem die Klebeschicht zumindest teilweise ausgehärtet ist.
Noch weitere Aspekte gemäß der exemplarischen Ausführungsform beinhalten das Positionieren der oberen und unteren Schichten auf einer Matrize nach dem Auftragen der Klebeschicht zwischen der oberen und unteren Schicht und vor dem Durchstechen der oberen Schicht mit dem kopflosen Ende eines Niets und das Biegen der umrandeten Kante radial nach außen aufgrund der während des Nietvorgangs induzierten Kraft sowie das Biegen des kopflosen Endes des Niets radial nach außen mittels eines an einer Unterseite der Matrize ausgebildeten Vorsprungs. Und weitere Aspekte beinhalten das Klemmen der oberen und unteren Schicht zwischen einem Rohr und der Matrize; das Halten des Niets mit einem innerhalb des Rohres angeordneten Kolben; und das Bewegen des Kolbens in Richtung der Unterseite der Matrize, um das kopflose Ende des Niets durch die obere Schicht und zumindest teilweise in die untere Schicht zu zwingen. Und noch ein weiterer Aspekt, worin die obere und untere Schicht jeweils einen Polymerverbundwerkstoff beinhalten. Und noch ein weiterer Aspekt, worin eine der oberen und unteren Schichten einen Polymerverbundwerkstoff beinhaltet und die andere der oberen und unteren Schichten ein Metall beinhaltet.
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:

Die 1A, 1B, 1C und 1D sind schematische Schnittansichten eines exemplarischen Stanznietsystems zum Verbinden von mindestens zwei Materialschichten ohne Klebstoff gemäß Aspekten einer exemplarischen Ausführungsform;
2A, 2B und 2C sind schematische Schnittansichten eines exemplarischen Stanznietsystems zum Verbinden von mindestens zwei Material schichten gemäß Aspekten der exemplarischen Ausführungsform;
3 ist eine tatsächliche Schnittansicht einer exemplarischen Nietverbindung ohne Klebstoff gemäß Aspekten der exemplarischen Ausführungsform;
4 ist eine tatsächliche Schnittansicht einer exemplarischen Nietverbindung mit Klebstoff gemäß Aspekten der exemplarischen Ausführungsform, bei der ein selbststanzender Niet nach dem Aushärten des Klebstoffs in zwei Materialschichten eingebracht wird;
5 ist eine tatsächliche Schnittansicht einer exemplarischen Nietverbindung mit Klebstoff gemäß Aspekten der exemplarischen Ausführungsform, wobei ein selbststanzender Niet in zwei Materialschichten eingebracht wird, bevor der Klebstoff aushärten kann; und
6 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Materialschichten durch einen selbststanzenden Niet gemäß Aspekten der exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht.

In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Prozess zum Verbinden von CRFTP- und anderen Materialien wird als Stanznieten bezeichnet. In diesem Prozess wird ein Stanzniet in mindestens zwei Materialschichten (oder Werkstücke) eingesetzt, um die Schichten miteinander zu verbinden. Der Niet beinhaltet einen Kopf und ein kopfloses Ende oder Schaft, um das Material durchbohren zu können. Es wird anerkannt, dass das Verfahren zum Verbinden verschiedener Arten von Materialien verwendet werden kann, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Polymer-Verbundwerkstoffe mit Polymer-Verbundwerkstoffen, Polymer-Verbundwerkstoffe mit Metallmaterialien und Metall-Metall-Werkstoffe, ohne dabei den Anwendungsbereich der Offenbarung zu verlassen. Wenn der Niet nach unten in die Schichten eingeführt wird, durchdringt der Schaft durch die obere Schicht und verformt dann die untere Schicht ohne Durchstechen durch die untere Schicht. Wenn der Schaft die untere Schicht verformt, sitzt der Kopf und verformt sich in der oberen Schicht. Die während des Nietvorgangs induzierte Kraft bewirkt, dass sich eine um den Nietkopf herum gerahmte Kante radial nach außen biegt, um eine Verriegelung mit der oberen Schicht zu bilden, während eine Matrize des Schaftes radial nach außen biegt, sodass die Schichten zwischen dem Kopf und dem Schaft eingespannt werden. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform sieht dieses Verfahren eine untere mechanische Verriegelung vor, sodass wir eine Doppelbefestigung aus einem einzigen Stanznietvorgang erhalten.
In Bezug auf die Konstruktion des Niets und der Matrize gibt es mehrere Parameter, die darauf Einfluss nehmen, ob der Niet die obere und untere Schicht durchdringt und ob die umrandete Kante des Kopfes und des Schaftes nach oben gebogen wird, um nach dem Durchstechen der Werkstücke eine mechanische Verriegelung zu erzeugen. Darüber hinaus beeinflussen die Lehre (oder Dicke) der Werkstücke und die Reihenfolge, in der die Werkstücke aufeinander gestapelt werden, das Verhalten des Niets während des Fügevorgangs. Daher können umfangreiche Test- und Fehlerprüfungen erforderlich sein, um die optimalen Prozessparameter wie Niet- und Düsenkonstruktionen zu finden, die eine maximale Verbindungsfestigkeit ergeben.
In einem Beispiel können die Entwürfe eines Nietes und einer Düse optimiert werden, um eine maximale Verbindungsfestigkeit zu erzielen, wenn der Niet verwendet wird, um eine 3-Millimeter (mm) Schicht aus CRFTP-Material zu verbinden, die auf eine 2-mm-Schicht aus CRFTP-Material gestapelt wird. Wenn jedoch die 2-mm-Schicht auf die 3-mm-Schicht gestapelt wird, können die Niete und die Matrize neu gestaltet werden, um eine maximale Verbindungsfestigkeit zu erzielen. So kann der Niet und die Matrize jedes Mal neu gestaltet werden, wenn sich die Stapelreihenfolge der Schichten ändert.
Wie vorstehend angegeben, wird bei herkömmlichen Stanznietvorgängen beim Einbringen des Niets nach unten in zwei Schichten aus CRFTP-Material der Streifen durch die obere Schicht hindurchgestoßen und verformt dann die untere Schicht, ohne durch die untere Schicht einzudringen.
Im Gegensatz dazu, wie vorstehend erläutert, wird bei einem Stanznietvorgang gemäß der vorliegenden Offenbarung, wenn der Niet nach unten in zwei Schichten des CRFTP-Materials eingebracht wird, eine umlaufende Kante, die den Kopf umgibt, in die obere Materialschicht und der Schaft in die untere Schicht durchbohrt. Darüber hinaus werden die umrandete Kante und der Schaft radial nach außen und oben gebogen, um mechanische Verriegelungen zwischen dem Niet und den Werkstücken zu bilden.
Unter Bezugnahme auf die 1A, 1B, 1C und 1D ist nun ein exemplarischer Stanznietvorgang zum Verbinden von mindestens zwei Materialschichten ohne Klebstoff veranschaulicht. Bei diesem Verfahren werden eine obere Schicht 10 eines Materials und eine untere Schicht 12 eines Materials auf einer Matrize 14 angeordnet, die unterhalb eines Nieteinsetzwerkzeugs 16 angeordnet ist. Die oberen und unteren Schichten 10 und 12 können relativ flache Platten sein, und die Matrize 14 kann zylindrisch mit einem hohlen Innenraum oder Hohlraum 18 sein. Das Nieteinführwerkzeug 16 beinhaltet ein Rohr 20 mit einem hohlen Innenraum 22 und einen Kolben 24, der innerhalb des hohlen Innenraums 22 des Rohres 20 beweglich ist. Der Kolben 24 hält einen selbststanzenden Niet 26 mit einem Kopf 28, worin sich eine umrandete Kante 33 vom Kopf nach unten zu einem kopflosen Ende oder Schaft 30 erstreckt, wie in 1A dargestellt. Der Schaft 30 ist so konfiguriert, dass er durch Material durchdringt. Der Schaft 30 weist beispielsweise ein distales Ende 31 auf, das scharf ist. Alternativ kann das distale Ende 31 des Schaftes 30 stumpf sein. Ebenso kann ein distales Ende der umrandeten Kante 33 scharf oder stumpf sein.
Sobald die oberen und unteren Schichten 10 und 12 auf der Matrize 14 positioniert sind, wird das Nieteinsetzwerkzeug 16 in einer Abwärtsrichtung 17 bewegt, bis das Rohr 20 des Nieteinsetzwerkzeugs 16 die obere Schicht 10 berührt, wie in 1B dargestellt. In dieser Position sind die oberen und unteren Schichten 10 und 12 zwischen dem Rohr 20 des Nieteinführwerkzeugs 16 und der Matrize 14 geklemmt. Der Kolben 24 des Nieteinführungswerkzeugs 16 wird dann betätigt, um den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 zu einer Bodenfläche 32 der Matrize 14 zu bewegen.
Wenn der Kolben 24 den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt der Schaft 30 des Niets 26 die obere Schicht 10, wie in 1C dargestellt. Wenn der Kolben 24 weiterhin den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt und verformt die umrandete Kante 33 die obere Schicht 10 und der Schaft 30 des Niets 26 durchdringt und verformt die untere Schicht 12, wie in 1D dargestellt. Während die umrandete Kante 33 die obere Schicht 10 durchdringt und verformt, biegt die beim Einlegevorgang induzierte Kraft die umrandete Kante 33 radial nach außen und nach oben, was zu einer mechanischen Verriegelung innerhalb der oberen Schicht 10 führt. Ebenso, wenn der Schaft 30 die untere Schicht 12 verformt, biegt ein halbkugelförmiger Vorsprung 34, der auf der Bodenfläche 32 der Matrize 14 ausgebildet ist, den Schaft 30 radial nach außen und in einer Aufwärtsrichtung 35 zu der oberen Schicht 10 hin. Der Kolben 24 kann in Abwärtsrichtung 17 bewegt werden, bis sich der Kolben 24 um mindestens einen vorbestimmten Abstand bewegt hat und/oder bis die Kraft, die durch den Kolben 24 auf den Niet 26 ausgeübt wird, größer oder gleich einer vorbestimmten Kraft ist.
Wenn sich der Kolben 24 nicht mehr in Abwärtsrichtung 17 bewegt, sitzt der Kopf 28 des Niets 26 vollständig in der oberen Schicht 10, wobei die umrandete Kante 33 radial nach außen und oben gebogen ist, und der Schaft 30 ist radial nach außen und oben gebogen, um mechanische Verriegelungen mit der oberen bzw. unteren Materialschicht zu bilden. Dadurch werden die oberen und unteren Schichten 10 und 12 zwischen dem Kopf 28 des Niets 26 und dem Schaft 30 des Niets 26 so eingespannt, dass die oberen und unteren Schichten 10 und 12 durch den Niet 26 miteinander verbunden sind. Das Nieteinsetzwerkzeug 16 wird dann in der Aufwärtsrichtung 35 bewegt, wobei der Niet 26 in den oberen und unteren Schichten 10 und 12 in Position bleibt. Die Abwärts- und Aufwärtsrichtungen 17 und 35 können als axiale Richtungen bezeichnet werden, und die radiale nach außen gerichtete Richtung, in welcher der Schaft 30 gebogen wird, ist teilweise senkrecht zu diesen axialen Richtungen.
Der Schaft 30 kann nur teilweise in die untere Schicht 12 eingesetzt werden, oder der Schaft 30 kann vollständig durch die untere Schicht 12 eingesetzt werden. Zusätzlich kann der Schaft 30 durch variierende Grade nach oben zur oberen Schicht 10 gebogen werden. So kann beispielsweise der Schaft 30 nur leicht nach oben gebogen werden, wie in 1D dargestellt, oder der Schaft 30 kann stärker nach oben gebogen werden, sodass das distale Ende des Schaftes 30 in Richtung der oberen Schicht 10 zeigt.
Mehrere Parameter, die sich auf die Konstruktion des Niets 26 und der Matrize 14 beziehen, können optimiert werden, um zu gewährleisten, dass sich die umrandete Kante 33 radial nach außen und oben in die obere Schicht des Materials 10 biegt, und der Schaft 30 die untere Schicht 12 durchdringt und der Schaft 30 nach dem Durchdringen der oberen und unteren Schichten 10 und 12 nach oben zur oberen Schicht 10 gebogen wird. Diese Auslegungsparameter können eine Länge 36 des Niets 26, eine Höhe 38 des Vorsprungs 34, andere geometrische Aspekte des Vorsprungs 34, eine Tiefe 40 des Hohlraums 18 in der Matrize 14, einen Durchmesser 42 des Hohlraums 18, ein Volumen des Hohlraums 18 und/oder eine Beziehung zwischen zwei oder mehreren der vorgenannten Parameter beinhalten. Zusätzlich können ein oder mehrere dieser Entwurfsparameter auf der Grundlage einer oberen Dicke 44 der oberen Schicht 10, einer unteren Dicke 46 der unteren Schicht 12, der in den oberen und unteren Schichten 10 und 12 beinhalteten Materialtypen und/oder die Festigkeit des Materials, das in den oberen und unteren Schichten 10 und 12 beinhaltet sind, ermitteln.
In einem Beispiel kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 40 Prozent größer sein als eine Summe der oberen und unteren Dicken 44 und 46. Wenn somit die oberen und unteren Dicken 44 und 46 jeweils 2,5 mm betragen, kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 7 mm betragen. In anderen Beispielen kann die Höhe 38 des Vorsprungs 34 in einem Bereich von 0 mm bis 2 mm liegen und die Tiefe 40 des Hohlraums 18 kann in einem Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegen.
In den 1B, 1C ind 1D ist der Abschnitt der Bodenfläche 32 der Matrize 14, der den Vorsprung 34 umgibt, flach. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann jedoch die Bodenfläche 32 der Matrize 14 eine ringförmige Rinne definieren, die sich vollständig um den Vorsprung 34 herum erstreckt und einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Die Mulde kann in die untere Schicht 12 und/oder den Schaft 30 eingreifen, um den Schaft 30 in der Aufwärtsrichtung 35 zu biegen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C ist ein exemplarischer Stanznietvorgang zum Verbinden mehrerer Materialschichten mit Klebstoff veranschaulicht. Bei diesem Verfahren wird eine Schicht 48 aus Klebstoff auf mindestens eine der oberen und unteren Schichten 10 und 12 aufgebracht, und dann wird die obere Schicht 10 auf die untere Schicht 12 gelegt, sodass die Klebeschicht 48 zwischen den oberen und unteren Schichten 10 und 12 angeordnet ist.
Die Klebeschicht 48 weist eine dritte Dicke 50 auf, die eine Funktion der ersten und zweiten Dicken 44 und 46 der oberen und unteren Schichten 10 und 12 und/oder der Materialfestigkeit der oberen und unteren Schichten 10 und 12 sein kann. In einem Beispiel kann die dritte Dicke 50 zwischen 3 Prozent und 30 Prozent der Summe der oberen und unteren Dicken 44 und 46 liegen. Wenn somit die oberen und unteren Dicken 44 und 46 jeweils 2,5 mm betragen, kann die dritte Dicke 50 zwischen 0,15 mm und 1,5 mm liegen.
Nachdem die Klebstoffschicht 48 zwischen den oberen und unteren Schichten 10 und 12 aufgetragen wurde, kann die Klebeschicht 48 vollständig oder zumindest teilweise aushärten. In einem Beispiel, in dem die vollständige Aushärtung der Klebeschicht 48 ermöglicht wird, wird die Klebeschicht 48 für eine erste vorbestimmte Zeitspanne (z. B. 60 Minuten bis 90 Minuten) der Raumtemperatur ausgesetzt. In einem weiteren Beispiel, in dem die vollständige Aushärtung der Klebeschicht 48 ermöglicht wird, ist das Erwärmen der Klebeschicht 48 auf eine vorgegebene Temperatur (z. B. ca. 100 Grad Celsius (°C)) für eine vorbestimmte Zeitspanne auf der Unterseite (z. B. 10 Minuten) vorgesehen. In einem anderen Beispiel, das es ermöglicht, dass die Klebeschicht 48 zumindest teilweise aushärtet, besteht die Belichtung der Klebeschicht 48 auf Raumtemperatur für mindestens einen ersten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 % (%), 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100%) der ersten vorbestimmten Periode. In einem anderen Beispiel, wobei die Klebstoffschicht 48 zumindest teilweise aushärtet, beinhaltet das Erhitzen der Klebeschicht 48 auf die vorbestimmte Temperatur für mindestens einen zweiten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 %) der zweiten vorbestimmten Periode.
Sobald die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise ausgehärtet ist, sind die obere und die untere Schicht 10 und 12 und die Klebeschicht 48 auf der Matrize 14 positioniert, wie in 2A dargestellt. Der weitere Ablauf des Prozesses ähnelt dem Prozess, der mit Bezug auf die 1B, 1C und 1D beschrieben wird. Im Gegensatz zum Verfahren der 1B, 1C und 1D wird der Niet 26 jedoch in die Klebeschicht 48 sowie die oberen und unteren Schichten 10 und 12 eingeführt.
Sobald die oberen und unteren Schichten 10 und 12 auf der Matrize 14 positioniert sind, wird das Nieteinsetzwerkzeug 16 in die Abwärtsrichtung 17 bewegt, bis das Rohr 20 des Nieteinsetzwerkzeugs 16 die obere Schicht 10 berührt, wie in 2A dargestellt. In dieser Position sind die oberen und unteren Schichten 10 und 12 zwischen dem Rohr 20 des Nieteinführwerkzeugs 16 und der Matrize 14 geklemmt. Der Kolben 24 des Nieteinsetzwerkzeugs 16 wird dann betätigt, um den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 zur Unterseite 32 der Matrize 14 zu bewegen.
Wenn der Kolben 24 den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt der Schaft 30 des Niets 26 die obere Schicht 10, wie in 2B dargestellt. Wenn der Kolben 24 weiterhin den Niet 26 in der Abwärtsrichtung 17 bewegt, durchdringt und verformt die umrandete Kante 33 des Kopfes 28 die obere Schicht und der Schaft 30 des Niets 26 durchdringt und verformt die untere Schicht 12, wie in 2C dargestellt. Während die umrandete Kante 33 die obere Schicht 10 verformt, zieht die beim Einsetzen induzierte Kraft die umrandete Kante 33 radial nach außen und nach oben. Wenn der Schaft 30 die untere Schicht 12 verformt, biegt der Vorsprung 34 auf der Bodenfläche 32 der Matrize 14 den Schaft 30 radial nach außen und in der Aufwärtsrichtung 35 zu der oberen Schicht 10 hin. Der Kolben 24 kann in der Abwärtsrichtung 17 bewegt werden, bis sich der Kolben 24 um mindestens einen vorbestimmten Abstand bewegt hat und/oder bis die Kraft, die durch den Kolben 24 auf den Niet 26 ausgeübt wird, größer oder gleich einer vorbestimmten Kraft ist.
Wenn sich der Kolben 24 nicht mehr in Abwärtsrichtung 17 bewegt, sitzt der Kopf 28 und die umrandete Kante 33 des Niets 26 vollständig in der oberen Schicht 10, wobei die umrandete Kante 33 radial nach außen und oben gebogen ist, und der Schaft 30 ist radial nach außen und oben gebogen, um eine mechanische Verriegelung zu bilden. Dadurch werden die oberen und unteren Schichten 10 und 12 zwischen dem Kopf 28 des Niets 26 und dem Schaft 30 des Niets 26 so eingespannt, dass die oberen und unteren Schichten 10 und 12 durch den Niet 26 miteinander verbunden sind. Das Nieteinsetzwerkzeug 16 wird dann in Aufwärtsrichtung 35 bewegt, wobei der Niet 26 in den oberen und unteren Schichten 10 und 12 sowie in der Klebeschicht 48 in Position bleibt.
Der Schaft 30 kann nur teilweise in die untere Schicht 12 eingesetzt werden, oder der Schaft 30 kann vollständig durch die untere Schicht 12 eingesetzt werden. Zusätzlich kann der Schaft 30 durch variierende Grade nach oben zur oberen Schicht 10 gebogen werden. So kann beispielsweise der Schaft 30 nur leicht nach oben gebogen werden, wie in 2C dargestellt, oder der Schaft 30 kann stärker nach oben gebogen werden, sodass das distale Ende des Schaftes 30 in Richtung der oberen Schicht 10 zeigt.
Mehrere Parameter, die sich auf die Gestaltung des Niets 26 und der Matrize 14 beziehen, können optimiert werden, um sicherzustellen, dass der Schaft 30 die untere Schicht 12 durchdringt und der Schaft 30 nach dem Durchstechen der oberen und unteren Schichten 10 und 12 nach oben in Richtung der oberen Schicht 10 gebogen wird. Diese Auslegungsparameter können die Länge 36 des Niets 26, die Höhe 38 des Vorsprungs 34, andere geometrische Aspekte des Vorsprungs 34, die Tiefe 40 des Hohlraums 18 in der Matrize 14, den Durchmesser 42 des Hohlraums 18, Volumen des Hohlraums 18 und/oder eine Beziehung zwischen zwei oder mehreren der vorgenannten Parameter beinhalten. Darüber hinaus kann einer oder mehrere dieser Konstruktionsparameter basierend auf der ersten Dicke 44 der oberen Schicht 10, der zweiten Dicke 46 der unteren Schicht 12, der/den Materialart(en) der oberen und unteren Schichten 10 und 12 und/oder der Festigkeit des/der Material(e) der oberen und unteren Schichten 10 und 12 bestimmt werden.
In einem Beispiel kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 40 Prozent größer sein als eine Summe der ersten und zweiten Dicken 44 und 46. Wenn also die erste und die zweite Dicke 44 und 46 jeweils 2,5 mm betragen, kann die Länge 36 des Niets 26 mindestens 7 mm betragen. In anderen Beispielen kann die Höhe 38 des Vorsprungs 34 in einem Bereich von 0 mm bis 2 mm liegen und die Tiefe 40 des Hohlraums 18 kann in einem Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegen.
Die vorstehend beschriebenen Stanznieten können verwendet werden, um mehrere Schichten aus CRFTP-Material zu verbinden, um mehrere Schichten eines anderen Materialtyps zu verbinden oder mehrere Schichten von ungleichen Materialien zu verbinden. In einem Beispiel beinhaltet jede der oberen und unteren Schichten 10 und 12 einen Polymerverbundwerkstoff, wie beispielsweise CRFTP. In einem weiteren Beispiel beinhaltet eine der oberen und unteren Schichten 10 und 12 einen Polymerverbundwerkstoff, wie beispielsweise CRFTP, und die andere der oberen und unteren Schichten beinhaltet ein Metall, wie beispielsweise Edelstahl. In einem weiteren Beispiel beinhaltet jede der oberen und unteren Schichten 10 und 12 ein Metall, wie beispielsweise Edelstahl.
Ein Beispiel für eine Nietverbindung 52 ohne Klebstoff ist in 3 dargestellt, und ein Beispiel für eine Nietverbindung 54 mit Klebstoff ist in 4 dargestellt. Die Nietverbindung 52 wurde mit dem unter Bezugnahme auf die 1B, 1C und 1D beschriebenen Stanznietverfahren hergestellt. Die Nietverbindung 54 wurde unter Verwendung des unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C beschriebenen Stanznietverfahrens hergestellt. In beiden der Nietverbindungen 52 und 54 sind die oberen und unteren Schichten 56 und 58 des CRFTP-Materials durch einen Stanzniet 60 aus Edelstahl miteinander verbunden. Allerdings beinhaltet nur die Nietverbindung 54 eine Schicht 62 aus Klebstoff, die zwischen den oberen und unteren Schichten 56 und 58 aufgetragen und ausgehärtet werden kann, bevor der Niet 60 in die Schichten 56 und 58 eingeführt wurde. Die Prüfung der Nietverbindungen 52 und 54 ergab, dass die Schälfestigkeit der Nietverbindung 52 tatsächlich geringer war als die Schälfestigkeit der Nietverbindung 54. Somit reduziert das Auftragen des Klebstoffs zwischen den oberen und unteren Schichten 56 und 58 nicht nur die Anzahl der für eine Fahrzeuganwendung erforderlichen Niet- und Matrizenkonstruktionen, sondern erhöht auch die Schälfestigkeit der Nietverbindung.
5 zeigt eine Nietverbindung 64 mit einem Klebstoff, der unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt wurde, das dem Stanznietverfahren ähnlich ist, das unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C beschrieben wird. Anstelle des Auftragens der Klebeschicht 62 zwischen den oberen und unteren Schichten 56 und 58 und dem Aushärten des Klebstoffs vor dem Einsetzen des Niets 60 in die Schichten 56 und 58, wurde der Niet 60 jedoch in die Schichten 56 und 58 eingesetzt, bevor der Klebstoff ausgehärtet wurde. Die Prüfung dieser genieteten Verbindung zeigte, dass ihre Schälfestigkeit geringer war als die Schälfestigkeit der Nietverbindung 54. Der Grund für diesen Unterschied in der Schälfestigkeit liegt darin, dass der Klebstoff aus der ungehärteten Verbindung von 5 herausgepresst wird, wenn der Niet 60 in die Schichten 56 und 58 eingesetzt wird. Daher bleibt nur eine kleine Menge an Klebstoff zwischen den Schichten 56 und 58 übrig, um die Schichten 56 und 58 zusammen zu halten. Somit wird, sodass der Klebstoff vor dem Einsetzen des Niets 60 in die Schichten 62 und 64 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise gehärtet werden kann, die Schälfestigkeit der Nietverbindung verbessert.
Darüber hinaus beeinflusst die Stapelreihenfolge der Schichten 56 und 58 in der Nietverbindung 64 wie die Nietverbindung 52 ohne Klebstoff das Verhalten des Niet 60, wenn der Niet 60 in die Schichten 56 und 58 eingesetzt wird. So kann, wie die Nietverbindung 52, eine erschöpfende Versuchs- und Fehlerprüfung erforderlich sein, um die optimalen Prozessparameter für die Nietverbindung 64 zu finden, wie beispielsweise Niet- und Düsenkonstruktionen, die eine maximale Verbindungsfestigkeit ergeben. Daher wird es ermöglicht, dass der Klebstoff vor dem Einsetzen des Niets 60 in die Schichten 56 und 58 vollständig aushärten kann oder zumindest teilweise aushärtet, um diese zusätzlichen Arbeiten und damit verbundenen Kosten zu vermeiden.
Unter Bezugnahme auf 6 beginnt ein exemplarisches Verfahren 70 zum Verbinden von oberen und unteren Materialschichten bei 72. Bei 74 ist ein Niet mit einem Kopf 28 und einem kopflosen Ende 30 vorgesehen, worin sich eine umrandete Kante 33 vom Kopf 28 nach unten in Richtung des kopflosen Endes 30 erstreckt. Bei 76 wird die Klebeschicht 48 zwischen den oberen und unteren Schichten 10 und 12 aufgetragen. Bei 78 kann die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise ausgehärtet werden. In einem Beispiel, was es ermöglicht, dass die Klebeschicht 48 vollständig aushärtet, beinhaltet das Aussetzen der Klebeschicht 48 auf Raumtemperatur für eine erste vorbestimmte Zeitspanne (z. B. 60 Minuten bis 90 Minuten). In einem anderen Beispiel, wodurch die Kleberschicht 48 vollständig ausgehärtet wird, beinhaltet das Erwärmen der Klebeschicht 48 auf eine vorbestimmte Temperatur (z.B. 100 °C) für eine zweite vorbestimmte Periode (z.B. 10 Minuten). In einem anderen Beispiel, wodurch die Kleberschicht 48 zumindest teilweise aushärtet, beinhaltet das Aussetzen der Klebeschicht 48 auf Raumtemperatur für mindestens einen ersten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 %) Der ersten vorbestimmten Periode. In einem anderen Beispiel, wobei die Klebstoffschicht 48 zumindest teilweise aushärtet, beinhaltet das Erhitzen der Klebeschicht 48 auf die vorbestimmte Temperatur für mindestens einen zweiten vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 %) der zweiten vorbestimmten Periode.
Bei 78 bestimmt das Verfahren 70, ob die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise gehärtet ist. In einem Beispiel kann das Verfahren 70 bestimmen, dass die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet ist, wenn die Klebeschicht 48 für die zweite vorbestimmte Periode auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt wurde. Wenn die Klebeschicht 48 vollständig ausgehärtet oder zumindest teilweise gehärtet ist, setzt sich das Verfahren 70 bei 80 fort. Andernfalls schleift das Verfahren 70 bei Block 78, bis die Klebeschicht 48 vollständig oder zumindest teilweise ausgehärtet ist.
Bei 80 sind die oberen und unteren Schichten 10 und 12 auf der Matrize 14 positioniert. Bei 82 wird der Niet 26 durch die obere Schicht 10 und zumindest teilweise in die untere Schicht 12 eingeführt. Bei 84 durchdringt und verformt die umrandete Kante 33 des Kopfes 28 die obere Schicht, und der Schaft 30 des Niets 26 durchdringt und verformt die untere Schicht 12. Während die umrandete Kante 33 die obere Schicht 10 verformt, zieht die beim Einsetzen induzierte Kraft die umrandete Kante 33 radial nach außen und nach oben. Wenn der Schaft 30 die untere Schicht 12 verformt, biegt der Vorsprung 34 auf der Bodenfläche 32 der Matrize 14 den Schaft 30 radial nach außen und in der Aufwärtsrichtung 35 zu der oberen Schicht 10 hin. Das Verfahren 70 endet bei 86.
Die vorhergehende Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele beinhaltet, sollte der tatsächliche Umfang der Offenbarung daher nicht so begrenzt sein, da weitere Modifikationen durch das Studieren der Zeichnungen, der Spezifikation und der folgenden Patentansprüche offensichtlich werden. 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 eines 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“, „benachbart“, „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 oberen und unteren 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 oberen und unteren 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“.
Keines der in den Ansprüchen genannten Elemente ist als „Mittel für eine Funktion“ (sog. „means plus function“) gemäß 35 U.S.C. §112(f) zu verstehen, es sei denn ein Element wird ausdrücklich unter Verwendung des Ausdrucks „means for“ (Mittel für) beschrieben oder falls in einem Verfahrensanspruch die Ausdrücke „Operation für“ oder „Schritt für“ verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Materialschichten, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Niets mit einem Kopf und einem kopflosen Ende, worin sich eine umrandete Kante vom Kopf nach unten in Richtung des kopflosen Endes erstreckt; Durchstechen durch eine obere Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets; Verformen der oberen Schicht mit der umrandete Kante und einer unteren Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets; und Erzwingen einer radialen Biegung der umrandeten Kante und des kopflosen Endes des Niets während der Verformung der oberen und unteren Schichten, um mechanische Verriegelungen mit den oberen und unteren Schichten zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Niet ein Stanzniet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Durchstechen der unteren Schicht mit dem kopflosen Ende des Niets.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Auftragen einer Klebstoffschicht zwischen den oberen und unteren Schichten.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend das Ermöglichen einer zumindest teilweisen Aushärtung der Klebeschicht.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend das Durchstechen der oberen Schicht, nachdem die Klebeschicht zumindest teilweise ausgehärtet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend das Positionieren der oberen und unteren Schichten auf einer Matrize nach dem Aufbringen der Klebeschicht zwischen den oberen und unteren Schichten und vor dem Durchstechen der oberen Schicht mit dem kopflosen Ende eines Niets.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend das Biegen der umrandeten Kante radial nach außen aufgrund der während des Nietvorgangs induzierten Kraft und das Biegen des kopflosen Endes des Niets radial nach außen unter Verwendung eines Vorsprungs, der auf einer Unterseite der Form ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: das Einspannen der oberen und unteren Schichten zwischen einem Rohr und der Matrize; das Halten des Niets mit einem innerhalb des Rohres angeordneten Kolben; und das Bewegen des Kolbens in Richtung der Unterseite der Matrize, um das kopflose Ende des Niets durch die obere Schicht und zumindest teilweise in die untere Schicht zu zwingen.
Verfahren nach Anspruch 1 worin die oberen und unteren Schichten jeweils einen polymeren Verbundstoff beinhalten.