DE102019107814A1

DE102019107814A1 - Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen

Info

Publication number: DE102019107814A1
Application number: DE102019107814.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Standfuss; Alexei Vichniakov; Sebastian SCHULZE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US20200307111A1; CN111745976A; US11173670B2

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen, weist die Schritte des Bereitstellens eines ersten Bauteils mit einer ersten Fügefläche, des Bereitstellens eines zweiten Bauteils mit einer zweiten Fügefläche, des bündigen Anlegens der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche zum Ausbilden eines Verbindungsstoßes, des Anlegens eines Rührreibschweiß-Werkzeugs an den Verbindungsstoß oder eine dazu direkt benachbarte Fläche zumindest eines der Bauteile, des Erweichens des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils jeweils in einem an den Verbindungsstoß angrenzenden Bereich durch Rotieren des Werkzeugs, so dass der thermoplastische Kunststoff der beiden Bauteile lokal verschmilzt, und des Bewegens des Werkzeugs entlang des Verbindungsstoßes zum Verbinden der beiden Bauteile durch Ausbilden einer Verschmelzungsnaht auf, wobei Abschnitte von Verstärkungsfasern zum Erhöhen der Festigkeit der Verschmelzungsnaht eingerührt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Rührreibschweiß-Werkzeugs zum Verbinden zweier Bauteile aus einem faserverstärkten Kunststoff.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Für die Verbindung von Bauteilen für beliebige Zwecke existiert eine sehr große Anzahl von verschiedenen Verbindungsverfahren. Je nach geforderter Festigkeit oder anderer mechanischer Eigenschaften können diese ausgewählt und eingesetzt werden. Für die Verbindung von Rumpfbauteilen von Verkehrsflugzeugen werden etwa häufig Nietverbindungen eingesetzt, die sich seit vielen Jahrzehnten bewährt haben. Durch Nietverbindungen können sowohl metallische Bauteile, als auch Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen verbunden werden. Für die Verbindung von faserverstärkten oder nicht faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen können Schweißverfahren eingesetzt werden, bei denen beispielsweise mittels Ultraschall Fügeflächen erwärmt und miteinander verschmolzen werden.
DE 10 2005 033 992 B3 zeigt etwa ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Flächengebilden, insbesondere von mindestens zwei Metallblechen für eine Leichtbaustruktur, sowie Verbindung und Leichtbaustruktur. Hier wird vorgeschlagen, eine mechanische Bearbeitung von Flächengebilden durchzuführen, nach der eine Verklebung dieser erfolgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen, vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen, vorgeschlagen, das Verfahren aufweisend die Schritte des Bereitstellens eines ersten Bauteils mit einer ersten Fügefläche, des Bereitstellens eines zweiten Bauteils mit einer zweiten Fügefläche, des bündigen Anlegens der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche zum Ausbilden eines Verbindungsstoßes, des Anlegens eines Rührreibschweiß-Werkzeugs an den Verbindungsstoß oder eine dazu direkt benachbarte Fläche zumindest eines der Bauteile, des Erweichens des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils jeweils in einem an den Verbindungsstoß angrenzenden Bereich durch Rotieren des Werkzeugs, so dass der thermoplastische Kunststoff der beiden Bauteile lokal verschmilzt, und des Bewegens des Werkzeugs entlang des Verbindungsstoßes zum Verbinden der beiden Bauteile durch Ausbilden einer Verschmelzungsnaht, wobei Abschnitte von Verstärkungsfasern in die Verschmelzungsnaht zum Erhöhen der Festigkeit der Verschmelzungsnaht eingerührt werden.
Das erste Bauteil und das zweite Bauteil können beliebig ausgeformt sein und teilweise oder vollständig aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen, der mit Verstärkungsfasern verstärkt ist. Die Fügeflächen sind im Sinne der Erfindung als die Flächen anzusehen, an denen die beiden Bauteile verbunden werden und mit denen der Verbindungsstoß generiert wird. Wie weiter nachfolgend ausgeführt, können auch die Fügeflächen unterschiedlich geartet sein, je nach gewünschter Ausbildung des Verbindungsstoßes. Hierbei können insbesondere die verschiedenen Verbindungsstöße in Betracht gezogen werden, die bei herkömmlichen Schweißverfahren eingesetzt werden.
Ein Rührreibschweiß-Werkzeug weist üblicherweise eine rotierende Werkzeugspitze, bestehend aus einer Schulter und einem Stift, der auch als Pin bezeichnet wird, auf, die auf eine Oberfläche eines Werkstücks, d.h. des ersten und/oder zweiten Bauteils, gedrückt und rotiert werden kann. Durch Rotation der Werkzeugspitze erfolgt eine Flächenreibung zwischen einer Oberfläche der Werkzeugspitze und der entsprechenden Werkstückoberfläche. Hierdurch entsteht Wärme, die zu einem Erweichen bzw. Aufschmelzen des thermoplastischen Kunststoffs führt. Es kann sinnvoll sein, die Werkzeugspitze so auszubilden, dass sie in das aufgeschmolzene Material eindringt und es verrührt. Damit kann bei aneinanderliegenden Fügeflächen ein Durchmischen des aufgeschmolzenen Materials der beiden Fügeflächen erreicht werden, so dass eine vollkommen stoffschlüssige Verbindung der beiden Bauteile erfolgt. Durch das Verrühren des Materials können weiterhin Lufteinschlüsse verhindert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann folglich Bauteile, die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen, durch Einwirkung eines Rührreibschweiß-Werkzeugs miteinander verschweißen, was durch Bewegen des rotierenden Werkzeugs entlang des Verbindungsstoßes erfolgt. Hieraus ergibt sich eine Verschmelzungsnaht, in der das Material der beiden miteinander zu fügenden Bauteile verschmolzen ist. Eine Besonderheit liegt hierbei darin, dass durch die Rotation des Werkzeugs Abschnitte von Verstärkungsfasern in Form von Kurzfasern in dem aufgeschmolzenen Material verteilt werden. Die resultierende Verschmelzungsnaht weist demzufolge eine Vielzahl von Kurzfasern auf, die insgesamt die Festigkeit der Verschmelzungsnaht deutlich erhöhen. Folglich könnte das erfindungsgemäße Verfahren auch für höher belastete Bauteile und Bauteilverbindungen eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Variante sind die Verstärkungsfasern in den Bauteilen enthalten und die Abschnitte der Verstärkungsfasern werden durch die Rotation des Werkzeugs aus den jeweils angrenzenden Bereichen der Bauteile abgetrennt und in die Verschmelzungsnaht eingerührt. Die in die Verschmelzungsnaht eingerührten Kurzfasern sind folglich abgetrennte Abschnitte von Verstärkungsfasern, die von den Bauteilen direkt in den aufgeschmolzenen Bereich hineinragen. Es ist zudem nicht erforderlich, separat Kurzfasern während des Verschmelzens hinzuzufügen, sondern diese fallen unmittelbar bei der Bearbeitung der beiden Bauteile an.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Werkzeug eine kegelstumpfförmige Spitze mit einer Mantelfläche auf, an der radiale Vorsprünge, Rillen oder Einkerbungen angeordnet sind, wobei das Werkzeug die Verstärkungsfasern schneidet. Die radialen Vorsprünge, Rillen oder Einkerbungen können ähnlich wie ein Gewinde ausgeführt sein. Ihre Steigung kann zusammen mit der Drehrichtung des Werkzeugs dazu angepasst sein, dass Material aus der Fügestelle in Richtung des Werkzeugs angehoben oder in Richtung einer Schweißunterlage abgesenkt wird, so dass eine Durchmischung bzw. ein Verrühren erfolgt und Lufteinschlüsse verhindert werden. Die Bewegung des erweichten Materials wird durch eine an der Werkzeugspitze angeordnete radiale Schulter geführt. Es sind zahlreiche verschiedene Geometrien von derartigen Werkzeugen bekannt, die für unterschiedliche Materialien, Bearbeitungsgeschwindigkeiten und ähnliche Parameter optimiert sind. Es kann sich anbieten, zur Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens verschiedene Werkzeuggeometrien auf ihre Eignung hin zu untersuchen, insbesondere in Abhängigkeit von den eingesetzten Verstärkungsfasern und der thermoplastischen Matrix.
Bevorzugt wird das Werkzeug bei der Bewegung entlang des Verbindungsstoßes zum Erzeugen einer gezielten Oberflächenreibung aufgepresst. Durch das Anpressen kann die Reibung zwischen dem Werkzeug und dem betreffenden Bauteil wirksam gesteuert werden, so dass der Verschmelzungsgrad bestimmt werden könnte.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Verbindungsstoß ein Stumpfstoß, bei dem die erste Fügefläche und die zweite Fügefläche jeweils Stirnflächen sind und stumpf aneinanderliegen, wobei das Werkzeug an dem Verbindungsstoß quer zu den Bauteilen entlang bewegt wird und eine Rotationsachse des Werkzeugs parallel zu den Fügeflächen verläuft. Bei dem Stumpfstoß können beispielsweise die Endkanten zweier flächenhafter Bauteile direkt aneinanderstoßen, um einen schmalen, streifenartigen Verbindungsstoß zu bilden. Durch das Führen des Werkzeugs direkt entlang des Verbindungsstoßes quer zu den Bauteilen wird das Material direkt an den Verbindungsstoß angrenzend miteinander verschmolzen. Die Zugfestigkeit der Verbindung hängt dann ausschließlich von der Zugfestigkeit der Verschmelzungsnaht in der Zugrichtung an. Wie weiter vorangehend dargelegt kann die Zugfestigkeit aufgrund der eingerührten Abschnitte von Verstärkungsfasern als deutlich höher angenommen werden als bei herkömmlich verschweißten Bauteilen, die lediglich auf der Einwirkung von Wärme mittels Ultraschall, Infrarot oder anderen Verfahren basiert.
Der Verbindungsstoß könnte allerdings auch ein Eck-, T- oder Schräg-Stoß sein und die beiden Bauteile könnten dabei eine Innenkante bilden, wobei das Werkzeug an der Innenkante angelegt wird und eine Rotationsachse des Werkzeugs zu beiden Bauteilen einen im Wesentlichen gleichen Winkel einschließt. Bei einem derartigen Stoß sind die beiden Bauteile nicht an ihren Endkanten miteinander verbunden, sondern stehen in einem bestimmten Winkel zueinander, der bevorzugt deutlich größer als 0° und deutlich kleiner als 180° sein kann. Da der Verbindungsstoß zwischen den Bauteilen liegt und bei vielen Winkeln nicht unmittelbar durch das rotierende Werkzeug erreichbar ist, kann das Werkzeug zwar entlang des Verbindungsstoßes geführt werden, doch eine Rotationsachse kann mit beiden Bauteilen denselben Winkel einschließen. Die beiden Bauteile und die Rotationsachse bilden folglich bevorzugt eine symmetrische Anordnung. Die hieraus resultierende Verschmelzungsbahn bildet dann einen Wulst zwischen den beiden Bauteilen aus, dessen Oberfläche beispielhaft quer zu beiden Bauteilen verläuft.
Der Verbindungsstoß könnte alternativ auch ein Überlappungsstoß sein, wobei das Werkzeug auf eines der Bauteile gelegt und quer zu der Fügefläche ausgerichtet wird, wobei das Werkzeug eine Verschmelzungsnaht erzeugt, die sich von dem direkt an das Werkzeug angrenzenden Bauteil in das angrenzende andere Bauteil erstreckt. Auch bei einem Überlappungsstoß kann von einer Seite eines der Bauteile aus einer Verschmelzungsnaht generiert werden. Hierzu wird das Werkzeug auf eines der Bauteile an einer Bauteiloberfläche aufgesetzt, die von der Fügefläche abgewandt ist. Durch das Aufdrücken des rotierenden Werkzeugs und das Bewegen entlang des Verbindungsstoßes erfolgt ein Aufschmelzen eines streifenförmigen Bereichs des betreffenden Bauteils, der sich bis in das angrenzende andere Bauteil hinein erstreckt. Die Erstreckung der Verschmelzungsnaht und eine Zugkraftebene sind bei einem Überlappungsstoß quer zueinander, so dass höhere Zugkräfte möglich sein können.
Es ist denkbar, dass zwei oder mehr voneinander beabstandete Verschmelzungsnähte an derselben Fügefläche erzeugt werden. Die Zugfestigkeit dieser Verbindung kann durch Anbringen weiterer Verschmelzungsnähte noch weiter gesteigert werden. Es ist denkbar, zwei oder mehr beispielsweise parallel zueinander angeordnete Verschmelzungsnähte vorzusehen, die sich an den Bauteilen befinden.
In einer vorteilhaften Variante ist der Verbindungsstoß entlang einer geschlossenen Kontur gebildet. Dies kann besonders bei flachen, bündig aufeinander platzierbaren Bauteilen erfolgen. Ein Anwendungsbeispiel ist etwa ein Befestigungselement an einer Innenseite eines aus einem thermoplastischen Werkstoff bestehenden Rumpfbauteils eines Flugzeugs.
Es ist vorteilhaft, wenn der thermoplastische Kunststoff aus einer Gruppe von Kunststoffen ausgewählt ist, die Gruppe aufweisend PPS, PEEK, PEKK, PEI, PAEK und andere. Diese weisen insbesondere in Verbindung mit Verstärkungsfasern eine hohe Festigkeit auf sowie eine vergleichsweise hohe Dauergebrauchstemperatur.
Es ist denkbar, zusätzlich auch metallische Bauteile mit einem solchen Bauteil, das aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, zu verschweißen.
Die Verstärkungsfasern könnten Kohlefasern oder Glasfasern sein. Diese sind im industriellen Maßstab in sehr hoher Verarbeitungsqualität verfügbar und lassen sich durch das vorangehend genannte Werkzeug zudem schneiden.
Zusätzlich zu den Abschnitten von Verstärkungsfasern könnte weiterhin ein Zusatzstoff eingemischt werden, um die Eigenschaften der Schmelznaht zu verbessern. Dies können etwa zusätzliche Kurzfasern oder Nanopartikeln sein. Es ist vorstellbar, diesen Zusatzwerkstoff während des Schweißens durch eine Düse oder eine andere Abgabevorrichtung kontinuierlich abzugeben.
Vorteilhaft sind die Bauteile als Rumpf- oder Strukturbauteile eines Flugzeugs ausgebildet. Damit können etwa Rumpfbauteile oder Strukturbauteile aneinander geschweißt werden, wobei die Verschmelzungsnaht eine besonders hohe Festigkeit aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Rührreibschweiß-Werkzeugs zum Verbinden zweier Bauteile aus einem faserverstärkte Kunststoff unter Bildung einer faserverstärkten Verschmelzungsnaht. Die Verwendung eines Rührreibschweiß-Werkzeugs für die Verbindung von Bauteilen, die ein thermoplastisches, faserverstärktes Material aufweisen, weist bezüglich der Festigkeit der realisierbaren Verschmelzungsnähte besondere Vorteile auf und übertrifft damit die herkömmlichen, rein wärmebasieren Verfahren.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.

1 bis 3 zeigen zwei Bauteile, die einen Stumpfstoß ausbilden und miteinander verbunden werden.
4a bis 4i zeigen weitere Verbindungsstöße.
5 zeigt eine schematische, blockbasierte Darstellung eines Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt sehr schematisch ein erstes Bauteil 2 mit einer ersten Fügefläche 4, darin enthaltenen Verstärkungsfasern 6 sowie ein die Verstärkungsfasern 6 umschließendes Matrixmaterial 8 in Form eines thermoplastischen Kunststoffs. Das erste Bauteil 2 kann sich über eine deutlich größere Fläche erstrecken und anders aufgebaut sein als hier dargestellt. Die vorliegende Darstellung soll lediglich die einzelnen Verfahrensschritte verdeutlichen. So zeigt 1 weiterhin ein zweites Bauteil 10 mit einer zweiten Fügefläche 12, Verstärkungsfasern 6 und einem die Verstärkungsfasern 6 einbettenden Matrixmaterial 8.
Beispielhaft ist das Matrixmaterial der beiden Bauteile 2 und 10 Polypropylenstyrol (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Polyetherimid (PEI), Polyaryletherketon (PAEK) oder ein anderes, thermoplastisches Material. Es kann sinnvoll sein, die Verstärkungsfasern 6 beispielsweise als Kohlefasern zu realisieren, für Bauteile mit geringeren, zu erwartenden Lasten könnten sich jedoch auch Glasfasern anbieten.
Zum Verbinden der beiden Bauteile 2 und 10 werden die beiden Fügeflächen 4 und 12 aneinandergelegt. Die Fügeflächen stoßen dann bündig aneinander, so dass sich kein Spalt dazwischen befindet. Hieraus ergibt sich ein Verbindungsstoß 14, der in diesem Fall ein Stumpfstoß ist.
Zum Verbinden der beiden Fügeflächen 4 und 12 wird ein Werkzeug 16 aufgesetzt und entlang des Verbindungsstoßes 14 bewegt. Hierdurch ergibt sich die in 3 gezeigte Verschmelzungsnaht 18. Diese erstreckt sich vollständig durch beide Bauteile 2 und 10, wobei durch Einwirkung des Werkzeugs 16 Matrixmaterial aus angrenzenden Bereichen 20 und 22 der beiden Bauteile 2 und 10 verschmolzen und verrührt wird. Dies führt zu einer stoffschlüssigen, hoch belastbaren Verbindung.
Wie in 2 sehr schematisch dargestellt, handelt es sich bei dem Werkzeug 16 um ein Rührreibschweiß-Werkzeug, welches mit radialen Vorsprüngen 24 bzw. Rillen und/oder Einkerbungen an einer Umfangsfläche ausgebildet ist und hierdurch zu einem Rühren des erweichten Materials führt. Die Vorsprünge 24 führen weiter dazu, dass in den angrenzenden Bereichen 20 und 22 Abschnitte der Verstärkungsfasern 6 abgetrennt und durch das Werkzeug 16 in die Verschmelzungsnaht 18 eingerührt werden. Dies führt folglich zu einer Verstärkung der Verschmelzungsnaht 18 durch Kurzfasern, was die Festigkeit noch weiter erhöht.
Wie in den 4a bis 4e dargestellt, können selbstverständlich auch andere Nahtformen und Verbindungsstöße berücksichtigt werden. 4a zeigt etwa einen Verbindungsstoß 30, bei dem das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 10 einen rechten Winkel einschließen. Eine Verschmelzungsnaht 26 ist an einer Innenkante 28 angeordnet und könnte etwa durch das rotierende Werkzeug 16 erreicht werden, wenn dessen Rotationsachse zu beiden Bauteilen 2 und 10 denselben Winkel einschließt, also eine Winkelhalbierende bildet. Der Verbindungsstoß 30 ist etwa als Eckstoß bekannt.
In 4b wird ein Verbindungsstoß 32 gezeigt, bei dem das erste Bauteil 2 eine deutlich größere erste Fügefläche 34 ausbildet, als in den vorherigen Beispielen. Das zweite Bauteil 10 weist eine hierzu korrespondierende zweite Fügefläche 36 auf, die an die erste Fügefläche 34 angelegt ist. Beide Bauteile 2 und 10 überlappen sich, der Verbindungsstoß 32 ist daher ein Überlappungsstoß. Eine Verschmelzungsnaht 38 erstreckt sich von einer äußeren ersten Bauteiloberfläche 40 in Richtung des Verbindungsstoßes 32 und erstreckt sich teilweise auch in das zweite Bauteil 10.
4c zeigt ebenfalls den Überlappungsstoß 32, wobei jedoch zwei Verschmelzungsnähte 38 zum Erreichen einer höheren Zugfestigkeit vorgesehen sind.
In 4d wird eine Anordnung eines ersten Bauteils 2, eines zweiten Bauteils 10 sowie eines Stegs 40 als weiteres Bauteil gezeigt. Hierbei werden zwei Überlappungsstöße 32 ausgebildet. Durch jeden der Überlappungsstöße 32 erstreckt sich eine Schmelznaht 38.
In 4e wird eine weitere Variante gezeigt, die eine Kombination aus der Darstellung in 4d und 3 ist. Hier sind folglich zwei Verschmelzungsnähte 38 sowie eine Verschmelzungsnaht 18 an einem Stumpfstoß 14 angeordnet.
4f zeigt einen Verbindungsstoß 31 an einem L-förmigen ersten Bauteil 2 und einem flachen zweiten Bauteil 10. Die Verschmelzungsnaht 26 entspricht der aus 4a.
4g zeigt einen Verbindungsstoß 30, ähnlich wie in 4a, wobei jedoch an den Innenkanten 28 zusätzliches Material aufgetragen und verschmolzen wird, so dass ein Abtrennen von Fasern nicht erfolgt.
4h ist eine Abwandlung der 4a, wobei zwei Innenkanten 28 mit einer Verschmelzungsnaht 26 versehen werden.
4i zeigt eine entlang einer geschlossenen Kontur 39 gebildete Verschmelzungsnaht 41. Das erste Bauteil 2 kann etwa flach auf dem zweiten Bauteil 10 aufliegen und durch Bewegen des Werkzeugs 16 entlang der Kontur 39 flach auf das zweite Bauteil 10 geschweißt werden.
5 zeigt der Vollständigkeit halber eine schematische, blockbasierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 42, aufweisend die Schritte des Bereitstellens 44 eines ersten Bauteils mit einer ersten Fügefläche, des Bereitstellens 46 eines zweiten Bauteils mit einer Fügefläche, des bündigen Anlegens 48 der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche zum Ausbilden eines Verbindungstoßes, des Anlegens 50 eines Rührreibschweiß-Werkzeugs an den Verbindungsstoß oder eine dazu direkt benachbarte Fläche zumindest eines der Bauteile, des Erweichens 52 des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils jeweils in einem an den Verbindungsstoß angrenzenden Bereich durch ein Rotieren des Werkzeugs, so dass der thermoplastische Kunststoff der beiden Bauteile lokal verschmilzt und des Bewegens 54 des Werkzeugs entlang des Verbindungsstoßes zum Verbinden der beiden Bauteile durch ausbilden einer Verschmelzungsnaht. Durch die Rotation des Werkzeugs werden Abschnitte der Verstärkungsfasern aus den jeweils angrenzenden Bereichen abgetrennt 56 und in die Verschmelzungsnaht zum Erhöhen der Festigkeit der Verschmelzungsnaht eingerührt 58.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

2: erstes Bauteil
4: erste Fügefläche
6: Verstärkungsfaser
8: Matrixmaterial
10: zweites Bauteil
12: zweite Fügefläche
14: Verbindungsstoß
16: Werkzeug
18: Verschmelzungsnaht
20: angrenzender Bereich
22: angrenzender Bereich
24: Vorsprung
26: Verschmelzungsnaht
28: Innenkante
30: Verbindungsstoß
31: Verbindungsstoß
32: Verbindungsstoß, Überlappungsstoß
34: erste Fügefläche
36: zweite Fügefläche
38: Verschmelzungsnaht
39: Kontur
40: Bauteiloberfläche
41: Verschmelzungsnaht
42: Verfahren
44: Bereitstellen erstes Bauteil
46: Bereitstellen zweites Bauteil
48: bündiges Anlegen
50: Anlegen des Werkzeugs
52: Erweichen
54: Bewegen
56: Abtrennen
58: Einrühren

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005033992 B3 [0003]

Claims

Verfahren (42) zum Verbinden von Bauteilen (2, 10), die einen faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff aufweisen, das Verfahren (42) aufweisend die Schritte: Bereitstellen (44) eines ersten Bauteils (2) mit einer ersten Fügefläche (4, 34), Bereitstellen (46) eines zweiten Bauteils (10) mit einer zweiten Fügefläche (12, 36), bündiges Anlegen (48) der ersten Fügefläche (4, 34) an die zweite Fügefläche (12, 36) zum Ausbilden eines Verbindungsstoßes (14, 30, 31, 32), Anlegen eines Rührreibschweiß-Werkzeugs (16) an den Verbindungsstoß (14, 30, 31, 32) oder eine dazu direkt benachbarte Fläche zumindest eines der Bauteile (2, 10), Erweichen des ersten Bauteils (2) und des zweiten Bauteils (10) jeweils in einem an den Verbindungsstoß (14, 30, 31, 32) angrenzenden Bereich (20, 22) durch Rotieren des Werkzeugs (16), so dass der thermoplastische Kunststoff der beiden Bauteile (2, 10) lokal verschmilzt, und Bewegen des Werkzeugs (16) entlang des Verbindungsstoßes (14, 30, 31, 32) zum Verbinden der beiden Bauteile (2, 10) durch Ausbilden einer Verschmelzungsnaht (18, 26, 38, 41), wobei Abschnitte von Verstärkungsfasern (6) in die Verschmelzungsnaht (18, 26, 38, 41) zum Erhöhen der Festigkeit der Verschmelzungsnaht (18, 26, 38, 41) eingerührt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsfasern (6) in den Bauteilen (2, 10) enthalten sind und die Abschnitte der Verstärkungsfasern (6) durch die Rotation des Werkzeugs (16) aus den jeweils angrenzenden Bereichen der Bauteile (2, 10) abgetrennt und in die Verschmelzungsnaht (18, 26, 38, 41) eingerührt werden.
Verfahren (42) nach Anspruch 2, wobei das Werkzeug (16) eine kegelstumpfförmige Spitze mit einer Mantelfläche aufweist, an der radiale Vorsprünge (24), Rillen oder Einkerbungen angeordnet sind, und wobei das Werkzeug (16) die Verstärkungsfasern (6) schneidet.
Verfahren (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (16) bei der Bewegung entlang des Verbindungsstoßes (14, 30, 31, 32) zum Erzeugen einer gezielten Oberflächenreibung aufgepresst wird.
Verfahren (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsstoß (14, 30, 31, 32) ein Stumpfstoß ist, bei dem die erste Fügefläche (4, 34) und die zweite Fügefläche (12, 36) jeweils Stirnflächen sind und stumpf aneinanderliegen, und wobei das Werkzeug (!6) an dem Verbindungsstoß (14, 30, 31, 32) quer zu den Bauteilen (2, 10) entlang bewegt wird und eine Rotationsachse des Werkzeugs (16) parallel zu den Fügeflächen (4, 12, 34, 36) verläuft.
Verfahren (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verbindungsstoß (14, 30, 31, 32) ein Eck-, T- oder Schräg-Stoß ist und die beiden Bauteile (2, 10) dabei eine Innenkante (28) bilden, und wobei das Werkzeug (16) an der Innenkante (28) angelegt wird und eine Rotationsachse des Werkzeugs (16) zu beiden Bauteilen (2, 10) einen im Wesentlichen gleichen Winkel einschließt.
Verfahren (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verbindungsstoß (13, 30, 31, 32) ein Überlappungsstoß ist, und wobei das Werkzeug (16) auf eines der Bauteile (2, 10) gelegt und quer zu der Fügefläche (4, 12, 34, 36) ausgerichtet wird, wobei das Werkzeug (16) eine Verschmelzungsnaht (18, 26, 38, 41) erzeugt, die sich von dem direkt an das Werkzeug (16) angrenzenden Bauteil (2, 10) in das angrenzende andere Bauteil (2, 10) erstreckt.
Verfahren (42) nach Anspruch 7, wobei zwei oder mehr voneinander beabstandete Verschmelzungsnähte (18, 26, 38, 41) an derselben Fügefläche (4, 12, 34, 36) erzeugt werden.
Verfahren (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsstoß (14, 30, 31, 32) entlang einer geschlossenen Kontur gebildet ist.
Verfahren (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoplastische Kunststoff aus einer Gruppe von Kunststoffen ausgewählt ist, die Gruppe aufweisend: PPS, PEEK, PEKK, PEI, PAEK und andere.
Verfahren (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungsfasern (6) Kohlefasern oder Glasfasern sind.
Verfahren (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu den Abschnitten von Verstärkungsfasern (6) ein Zusatzstoff eingemischt wird, um die Festigkeit der Verschmelzungsnaht (18, 26, 38, 41) zu verbessern.
Verfahren (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bauteile (2, 10) als Rumpf- oder Strukturbauteile eines Flugzeugs ausgebildet sind.
Verwendung eines Rührreibschweiß-Werkzeugs (16) zum Verbinden zweier Bauteile (2, 10) aus einem faserverstärkte Kunststoff unter Bildung einer faserverstärkten Verschmelzungsnaht (18, 26, 38, 41).