DE102019214030A1

DE102019214030A1 - Verfahren zum Einbringen eines Befestigungselements in einen Faserverbundwerkstoff, sowie Befestigungselement zum Einbringen in einem Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102019214030A1
Application number: DE102019214030.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baranowski; Maik Broda; Markus FRANZEN; Pascal Rebmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Befestigungselements (1) in ein Bauteil aus mit kontinuierlichen Fasern (2) verstärktem thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:a. Aufheizen eines Halbzeugs (3) aus dem thermoplastischen, faserverstärkten Faserverbundwerkstoff;b. Anordnen des Halbzeugs (3) in einer Werkzeugform, insbesondere in einer Gießform eines Spritgießwerkzeugs;c. Durchdringen des Halbzeugs (3) mit einem Bearbeitungswerkzeug (4) unter Ausbildung einer Lochöffnung (5), wobei das Bearbeitungswerkzeug (4) einen Halteschaft (6) und einen koaxial fluchtend dazu angeordneten Aufnahmeschaft (7) aufweist, an welchem das Befestigungselement (1) lösbar aufgenommen ist;d. Positionieren des Befestigungselements (1) in der Lochöffnung (5);e. Lösen des Bearbeitungswerkzeugs (4) von dem Befestigungselement (1);f. Umspritzen des Halbzeugs (3) und des Befestigungselements (1) mit einer Spritzgussmasse.Das bezeichnete Verfahren ermöglicht, das Befestigungselement auf einfache Weise und unter Aufrechterhaltung der Faserstruktur in den Verbundwerkstoff einzubringen. Des Weiteren wird damit eine beidseitige Befestigung des Bauteils ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Befestigungselements in ein Bauteil aus mit kontinuierlichen Fasern verstärktem thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

a. Aufheizen eines Halbzeugs aus dem thermoplastischen, faserverstärkten Faserverbundwerkstoff;
b. Anordnen des Halbzeugs in einer Werkzeugform, insbesondere in einer Gießform eines Spritgießwerkzeugs;
c. Durchdringen des Halbzeugs mit einem Bearbeitungswerkzeug unter Ausbildung einer Lochöffnung, wobei das Bearbeitungswerkzeug einen Halteschaft und einen koaxial fluchtend dazu angeordneten Aufnahmeschaft aufweist, an welchem das Befestigungselement lösbar aufgenommen ist;
d. Positionieren des Befestigungselements in der Lochöffnung;
e. Lösen des Bearbeitungswerkzeugs von dem Befestigungselement;
f. Umspritzen des Halbzeugs und des Befestigungselements mit einer S pritzg ussmasse.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Befestigungselement für ein Bauteil mit kontinuierlichen Fasern verstärkten thermoplastischen Faserverbundwerkstoff.
Kontinuierlich faserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe zeichnen sich im Vergleich zu anderen Werkstoffen durch eine hohe mechanische Belastbarkeit und ein geringes Bauteilgewicht aus. Um die mechanische Stabilität anderer Werkstoffe zu erhöhen muss in der Regel deren Bauteilgewicht erhöht werden, d.h. die Bauteile werden schwerer und massiver. Insbesondere weisen faserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe eine hohe Festigkeit und eine hohe Schlagzähigkeit auf. Die den Verbundwerkstoff stabilisierenden Fasern können z. B. als Gewebe oder Gelege in den Verbundwerkstoff eingebracht werden.
Plattenförmige Halbzeuge aus einem derartigen Verbundwerkstoff werden auch als Organobleche bezeichnet. Diese lassen sich problemlos umformen, sobald sie auf eine Verformungstemperatur aufgeheizt werden. Zur Befestigung solcher Bauteile ist es bekannt das Material mit entsprechenden Bohrungen zu versehen.
Solche Durchbohrungsöffnungen dienen dann als Befestigungsanker oder Befestigungsöffnungen, die mit entsprechenden Befestigungsmitteln zusammenwirken, beispielsweise Schrauben oder Niete. Ein großer Nachteil bei der klassischen Durchbohrung eines Organoblechs ist die Durchtrennung der kontinuierlich in dem Organoblech vorliegenden Faserstruktur. Durch die Durchtrennung werden diese Stellen zu mechanischen Schwachstellen des Bauteils. Alternativ ist es möglich, bei einem Organoblech an jenen Stellen, an denen Befestigungsöffnungen vorgesehen sein sollen, schon bei der Fertigung des Organoblechs auf die Anordnung einer Faserstruktur zu verzichten. Zwar werden dann beim Durchbohren dieser Stellen keine Fasern zertrennt, jedoch stellen diese Bereiche aufgrund der dort fehlenden Faserverstärkung ebenfalls eine mechanische Schwachstelle des Bauteils dar.
Aus der DE 101 35 847 A1 ist ein Verfahren zur Anordnung bzw. Einhalsung eines Inserts in einem Organoblech bekannt. Nachteilig bei der dortigen Konstruktion ist, dass das Insert nur als einseitiger Befestigungsanker dienen kann. Dies resultiert aus der flaschenhalsförmigen Einhalsung des Inserts in dem Organoblech.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen eines Befestigungselements in ein Bauteil aus einem kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Faserverbundwerkstoff bereitzustellen, vermöge dessen das Befestigungselement auf einfache Weise und unter Aufrechterhaltung der Faserstruktur in den Verbundwerkstoff eingebracht werden kann, und wodurch eine beidseitige Befestigung des Bauteils ermöglicht wird. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement bereitzustellen, welches im Wege des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise und unter Vermeidung der Zerstörung der Faserstruktur bzw. der Fasern in den Verbundwerkstoff einbringbar ist, und welches eine beidseitige Befestigung des Bauteils ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Befestigungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 vorgeschlagen.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Einbringen eines Befestigungselements in ein Bauteil aus mit kontinuierlichen Fasern verstärktem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff gerichtet. In einem ersten Verfahrensschritt a. wird ein Halbzeug aus dem thermoplastischen, faserverstärkten Faserverbundwerkstoff aufgeheizt. Ein solches Halbzeug umfasst eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff samt darin eingebetteten oder angeordneten kontinuierlichen Fasern. Bei den Fasern kann es sich um jegliche zur Verstärkung von Faserverbundwerkstoffen bekannten Fasermaterialien handeln, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Textilfasern, Aramidfasern, Zementfasern, Kunststofffasern, Naturfasern oder recycelte Fasern.
Im Anschluss daran wird das Halbzeug in einem zweiten Verfahrensschritt b. in einer Werkzeugform angeordnet, insbesondere in einer Gießform eines Spritzgießwerkzeugs. Der Aufheizvorgang des Halbzeugs gemäß Schritt a. kann in einer separaten Heizeinrichtung, beispielsweise einem Ofen, oder alternativ unmittelbar in der Werkzeugform erfolgen. Im letzteren Fall werden die Verfahrensschritte a. und b. zu einem gemeinsamen Verfahrensschritt kombiniert, bzw. das Halbzeug wird zunächst in der Werkzeugform angeordnet und dann aufgeheizt. Auch kann eine Werkzeugform mit darin angeordnetem Halbzeug in einer Heizeinrichtung, beispielsweise einem Ofen, zum Aufheizen des Halbzeugs positioniert werden. Eine weitere mögliche Ausgestaltung besteht darin, das Halbzeug über eine Infrarotheizeinrichtung aufzuheizen. Im Allgemeinen ist eine Aufheizung des Halbzeugs bis zum Schmelzpunkt des die Matrix des Halbzeugs bereitstellenden Kunststoffmaterials von Vorteil. Dadurch weicht das Kunststoffmaterial auf und eine weitere Bearbeitung bzw. Umformung wird erleichtert.
In einem nächsten Verfahrensschritt c. wird das Halbzeug mit einem Bearbeitungswerkzeug unter Ausbildung einer Lochöffnung durchdrungen. Dies kann an einer oder mehreren Stellen erfolgen, je nachdem wie viele Befestigungselemente in dem Bauteil angeordnet werden sollen. Dieser Prozess kann auch automatisiert erfolgen, beispielweise mit einem oder mehreren an einem Roboterarm montierten Bearbeitungswerkzeugen. Das Bearbeitungswerkzeug weist einen Halteschaft und einen koaxial fluchtend dazu angeordneten Aufnahmeschaft auf, an welchem das Befestigungselement lösbar aufgenommen ist. Der Halteschaft und der Aufnahmeschaft können einstückig miteinander verbunden sein. Auch können Halteschaft und Aufnahmeschaft über eine Schraubverbindung miteinander verbunden sein. Denn eine lösbare Verbindung des Halteschafts und Aufnahmeschafts kann dann sinnvoll sein, wenn der Aufnahmeschaft an die Verwendung eines Befestigungselements von anderer Größe angepasst werden soll. Das Befestigungselement ist an dem Aufnahmeschaft lösbar aufgenommen, insbesondere über eine an dem Befestigungselement vorgesehene, zylinderförmige Durchgangsöffnung, die einen Innendurchmesser aufweist, der an den Außendurchmesser des Aufnahmeschafts angepasst ist bzw. dazu korrespondiert. An dem Aufnahmeschaft und/oder dem Befestigungselement kann eine Arretiervorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine Dreharretier-Vorrichtung oder ein Bajonette-Verschluss, vermöge dessen das Befestigungselement drehfest mit dem Aufnahmeschaft verbunden werden kann. Das Bearbeitungswerkzeug durchdringt die aufgeheizte thermoplastische Kunststoffmatrix vorzugsweise in einer Linearbewegung, d.h. in einer Stoß- oder Druckbewegung. Dies bedeutet, dass entweder das Bearbeitungswerkzeug linear in Richtung des Halbzeugs bewegt wird, oder, dass das Halbzeug in Richtung eines positionsfest angeordneten Bearbeitungswerkzeugs bewegt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt d. wird das Befestigungselement in der Lochöffnung positioniert. Kernidee der Erfindung ist es, das Halbzeug mit dem Bearbeitungswerkzeug samt dem daran vorgesehenen Befestigungselement derart zu durchdringen, dass das Befestigungselement in dem Halbzeug mit einem Hinterschnitt eingeformt wird. Dazu weist das Befestigungselement einen Hinterschnitt auf.
Im Anschluss daran wird das Bearbeitungswerkzeug in einem weiteren Verfahrensschritt e. von dem Befestigungselement gelöst. Dabei kann eine zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Befestigungselement vorgesehene Arretierung gelöst werden. Nach der Positionierung des Befestigungselements in dem Halbzeug, kann eine Abkühlung des Halbzeugs erfolgen.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden das Halbzeug und das Befestigungselement mit einer Spritzgussmasse umspritzt. Dies kann im Wege eines Spritzgießverfahrens unmittelbar in der Werkzeugform bzw. der Gießform erfolgen. Bei der Spritzgussmasse handelt es sich vorzugsweise um eine Kunststoffmasse. Durch das Umspritzen wird das Verbundbauteil fertiggestellt bzw. in seine finale Form gebracht.
Ein entscheidender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass beim Durchdringen des Halbzeugs mit dem Bearbeitungswerkzeug und dem Befestigungselement die in dem Halbzeug angeordneten Fasern nicht zerstört werden, bzw. eine Durchtrennung der Fasern auf ein geringes Maß beschränkt wird. Die kontinuierlichen Fasern bleiben im Bereich des in das Halbzeug eingesetzten Befestigungselementes nahezu unversehrt. Die Fasern liegen vielmehr an dem Befestigungselement an.
Weiterhin ist die Erfindung auf das Befestigungselement selbst gerichtet, also auf ein Befestigungselement für ein Bauteil aus mit kontinuierlichen Fasern verstärktem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff. Das Befestigungselement zeichnet sich dadurch aus, dass es gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 in das Bauteil einbringbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen angegeben. Um Wiederholungen zu vermeiden, gelten jene vorteilhaften Ausgestaltungen des Befestigungselements die im Rahmen der Vorteilsbeschreibung zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben werden, gleichermaßen als vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Befestigungselements. Diese vorteilhaften Ausgestaltungen beziehen sich also gleichermaßen auf den unabhängigen Verfahrensanspruch 1 sowie den unabhängigen auf das Befestigungselement gerichteten Anspruch 17.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - weist das Befestigungselement einen Vorderabschnitt, einen Mittelabschnitt und einen Hinterabschnitt auf, wobei die Abschnitte ausgehend von dem Vorderabschnitt in Richtung des Halteschafts hintereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Längsachse aufweisen. Die Längsachse kann dabei gleichsam eine gemeinsame Rotationsachse für die Abschnitte des Befestigungselements bereitstellen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - sind der Vorderabschnitt, der Mittelabschnitt und der Hinterabschnitt konzentrisch in Bezug auf die Längsachse angeordnet, wobei der Mittelabschnitt in Radialrichtung eine geringere maximale Breite aufweist als der Vorderabschnitt und der Hinterabschnitt. Die geringere maximale Breite bzw. der geringere maximale Durchmesser des Mittelabschnitts sind Grundvoraussetzung für die Ausbildung des Hinterschnitts.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - weist der Mittelabschnitt über seine gesamte Länge eine konstante Breite auf. Die Länge des Mittelabschnitts in Richtung der Längsachse ist dabei vorzugsweise an die Dicke des Halbzeugs angepasst. Dies ermöglicht, dass eine Innenumfangsfläche der Durchgangsöffnung des Halbzeugs an der Außenumfangsfläche des Mittelabschnitts des Befestigungselements anliegt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - weist der Vorderabschnitt in unmittelbarer Nähe zu dem Mittelabschnitt seine größte Breite auf und verjüngt sich in Richtung seines vorderen Endes in einem Verjüngungsbereich.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - weist der Hinterabschnitt in unmittelbarer Nähe zu dem Mittelabschnitt seine größte Breite auf und verjüngt sich in Richtung seines hinteren Endes.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - bilden der Vorderabschnitt, der Mittelabschnitt und der Hinterabschnitt ein einstückiges Befestigungselement aus. Gleichermaßen können Vorder-, Mittel- und Hinterabschnitt auch lösbar mit einander verbunden sein, beispielsweise über eine Schraubverbindung. Das Befestigungselement kann aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein. Bei einer einstückigen Ausbildung wird ein metallisches Befestigungselement vorzugsweise als Gussteil gefertigt. Im Anschluss kann es schmiedend bearbeitet werden. Ein einstückiges Befestigungselement aus Kunststoff wird hingegen vorzugsweise im Spritzgießverfahren gefertigt. Auch eine Fertigung im 3D-Druck ist vorstellbar.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - weist das Befestigungselement einen Hinterschnitt auf, wobei der Hinterschnitt durch den Vorderabschnitt, den Mittelabschnitt und den Hinterabschnitt ausgebildet ist. Der Hinterschnitt ermöglicht eine stabile Anordnung und Positionierung in dem Halbzeug und letztendlich in dem Bauteil.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - also des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Befestigungselements - weist das Befestigungselement eine zylinderförmige Durchgangsöffnung auf, die sich durch den Vorder-, Mittel-, und Hinterabschnitt hindurch erstreckt, und mit welcher das Befestigungselement auf dem Aufnahmeschaft aufgesetzt wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens bildet der Verjüngungsbereich des Vorderabschnitts gemeinsam mit einem sich in gleicher Richtung verjüngenden Bereich des Aufnahmeschafts eine Spitze des Bearbeitungswerkzeugs aus. Eine solche Spitze erleichtert das Durchdringen des aufgeheizten Halbzeugs erheblich. Zudem verhindert die Spitze eine Durchtrennung der Fasern, denn diese gleiten beim Einführen der Spitze in die Kunststoffmatrix des Halbzeugs an der Spitze unter gleichzeitiger Aufweitung entlang. Nachdem die Spitze an den Fasern vorbei geschoben wurde, relaxieren diese und liegen an dem Mittelabschnitt an, der eine geringere maximale Breite aufweist als die Spitze bzw.der Vorderabschnitt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens wird im Verfahrensschritt c. gemäß Anspruch 1 die Spitze des Bearbeitungswerkzeugs gegen das Halbzeug gedrückt, wobei die Spitze des Bearbeitungswerkzeugs das Halbzeug durchdringt. Gleichermaßen kann das Halbzeug gegen die Spitze gedrückt werden. Jedoch ist die letztere Variante technisch aufwendiger, da dabei vermieden werden muss, dass das aufgeheizte und damit aufgeweichte Kunststoffmaterial des Halbzeugs zerfließt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens wird das Bearbeitungswerkzeug beim Drücken gegen das Halbzeug um seine Längsachse rotiert. Erreicht wird dadurch eine gekoppelte Linear und Drehbewegung beim Durchdringen des Halbzeugs mit dem Bearbeitungswerkzeug. Mit einer solchen Ausgestaltung kann das Durchdringen des Halbzeugs weiter erleichtert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens wird das Bearbeitungswerkzeug vor dem Durchdringen des Halbzeugs aufgeheizt. Die Aufheizung kann auf den Aufnahmeschaft und das daran befestigte Befestigungselement beschränkt sein. Die Aufheizung kann beispielsweise mittels einer Infrarotheizeinrichtung oder eines Ofens erfolgen. Durch die Aufheizung des, das Halbzeug durchdringenden, Bearbeitungswerkzeugs kann das in dem Halbzeug vorliegende Kunststoffmaterial lokal weiter aufgeweicht bzw. aufgeschmolzen werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens weiten sich die in dem Halbzeug im Durchdringungsbereich des Bearbeitungswerkzeugs vorliegenden Fasern beim Durchdringen des Bearbeitungswerkzeugs entsprechend der größten Breite des Vorderabschnitts auf und liegen nach dem Positionieren des Befestigungselements an dem Mittelabschnitt an. Die Fasern relaxieren nach dem Durchdringen des Vorderabschnitts des Befestigungselements. Danach sind die Fasern zwar in Bezug zu ihrem Ausgangszustand in dem Halbzeug geweitet, jedoch liegen sie unmittelbar an dem Mittelabschnitt des Befestigungselements an. Eine Durchtrennung oder Zerstörung der Fasern wird dabei vermieden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens bilden der Vorderabschnitt und der Hinterabschnitt nach der Positionierung des Befestigungselements jeweils einen radialen Anlageflansch zur Anlage an dem Halbzeug aus. Dadurch ist einerseits eine stabile Befestigung des Befestigungselements im Hinterschnitt an dem Halbzeug und letztlich dem Faserverbundbauteil ermöglicht. Andererseits erlaubt die Tatsache, dass sich der Vorderabschnitt und der Hinterabschnitt nach der Positionierung des Befestigungselements außerhalb der Lochöffnung befindet eine beidseitige Befestigung des Bauteils an weiteren Bauteilen, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Vorderabschnitt und Hinterabschnitt bilden also Ankerstellen oder Befestigungsanker zur beidseitigen Befestigung des Bauteils aus. Gleichermaßen sorgen sie als Anlageflansche für einen festen Sitz des Befestigungselements in dem Verbundbauteil.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens liegt der Mittelabschnitt nach der Positionierung des Befestigungselements mit seiner äußeren Umfangsfläche an einer Innenumfangsfläche der Lochöffnung des Halbzeugs an. Auch dies sorgt für einen festen Sitz, beispielsweise einem Presssitz des Befestigungselements in dem Halbzeug bzw. Verbundbauteil.
Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren sowie das der Erfindung ebenfalls zugrunde liegende Befestigungselement kann mit sämtlichen vorangehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen kombiniert werden, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe, wie „umfassend“, „aufweisen“ oder „mit“ keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe „ein“ oder „das“, die auf einer Einzahl von Schritten oder Merkmalen beruhen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus und umgekehrt.
Weitere Vorteile der Erfindung sind anhand eines nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

1 in einer schematischen Schnittansicht der Aufbau eines Halbzeugs bzw. Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff samt darin angeordneten Befestigungselementen gemäß dem Stand der Technik;
2 in einer schematischen Schnittansicht der Aufbau eines Halbzeugs bzw. Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff samt darin angeordneten Befestigungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Befestigungsbereich;
3a-c im Längsschnitt schematische Ansichten zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens samt Darstellungen des erfindungsgemäßen Befestigungselements.

In der 1 ist der grundlegende Aufbau eines aus einer Kunststoffmatrix K und darin vorgesehenen Fasern 2 aufgebauten Halbzeugs 3 wiedergegeben. Die Fasern 2 erstrecken sich gleichmäßig und kontinuierlich entlang einer Richtung des Halbzeugs 3. Gleichsam illustriert der dargestellte Aufbau des Halbzeugs 3 auch den prinzipiellen Aufbau eines Verbundbauteils. Einziger Unterschied ist, dass das Halbzeug 3 zur Fertigstellung mit weiterem Kunststoff umspritzt wird, beispielsweise im Wege eines Spritzgießprozesses.
Bei Verwendung solcher Bauteile in übergeordneten Systemen, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, müssen die Bauteile mit anderen Bauteilen verbunden werden. Dies kann beispielsweise über Klebeverbindungen erfolgen. Eine höhere mechanische Stabilität wird jedoch durch eine Befestigung über Schraubverbindungen oder Befestigungselemente 1 erreicht. Dazu können in Befestigungsbereichen B des Halbzeugs 3 oder des Verbundbauteils Befestigungselemente 1 vorgesehen sein. Diese durchdringen das Halbzeug bzw. Verbundbauteil und ermöglichen eine Befestigung an weiteren Bauteilen. Die Befestigungselemente 1 dienen demnach als Anker oder Befestigungsanker. Um solche Befestigungselemente 1 in einem Halbzeug 3 oder Verbundbauteil vorzusehen, werden die Halbzeuge oder Verbundbauteile klassischerweise durchbohrt, um in den jeweiligen Befestigungsbereichen B Lochöffnungen 5 bereitzustellen. Beim Durchbohren des Halbzeugs bzw. Verbundbauteils können die Fasern 2 durchtrennt bzw. zerstört werden. Entsprechend weist das Verbundbauteil in den Befestigungsbereichen B mechanische Schwachstellen auf. Bekannt ist es zudem, in den für die Befestigungsbereiche B vorgesehenen Bereichen des Bauteils keinerlei Fasern 2 anzuordnen. Sodann wird die Faserstruktur beim Durchbohren in diesen Bereichen zwar nicht zerstört, gleichsam weisen die Bereiche B in diesem Fall keine Faserverstärkung auf, sind also ebenfalls mechanische Schwachstellen des Bauteils.
Die vorliegende Erfindung liefert hier Abhilfe. So ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Befestigungselement 1 eine Anordnung des Befestigungselements 1 in dem Halbzeug 3 bzw. Verbundbauteil, bei dem die Fasern 2 nicht beschädigt werden. Wie in der 2 dargestellt, werden die Fasern 2 in jenen Bereichen B, in welchen das Befestigungselement 1 das Halbzeug 3 durchdringt, nicht zerstört und liegen an dem Befestigungselement 1 an. Dadurch weisen die Befestigungsbereiche B bei einer solchen Ausgestaltung eine höhere Stabilität auf als bei einem auf einer klassischen Durchbohrung basierendem Verfahren.
Die 3a-c geben den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisiert wieder. Ferner ist den 3a-c der Aufbau des erfindungsgemäßen Befestigungselements 1 zu entnehmen.
Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren wird zunächst ein Halbzeug 3 aus einem thermoplastischen, faserverstärkten Faserverbundwerkstoff aufgeheizt. Dieser Verfahrensschritt ist in den 3a-c nicht dargestellt. Im Anschluss daran wird das Halbzeug 3 in einem zweiten Verfahrensschritt in einer Werkzeugform angeordnet (nicht dargestellt), insbesondere in einer Gießform eines Spritzgießwerkzeugs.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Halbzeug 3 mit einem Bearbeitungswerkzeug 4 unter Ausbildung einer Lochöffnung 5 durchdrungen. Die 3a zeigt das Halbzeug 3 und das Bearbeitungswerkzeug 4 vor dem Durchdringen des Halbzeugs 3. Die Durchdringung kann an einer oder mehreren Stellen erfolgen, entsprechend der Anzahl an gewünschten Befestigungsbereichen B (siehe z. B. 1).
Das Bearbeitungswerkzeug 4 weist einen Halteschaft 6 und einen koaxial fluchtend dazu angeordneten Aufnahmeschaft 7 auf, an welchem das Befestigungselement 1 lösbar aufgenommen ist. Das Befestigungselement 1 ist an dem Aufnahmeschaft 7 lösbar aufgenommen, insbesondere über eine an dem Befestigungselement 1 vorgesehene, zylinderförmige Durchgangsöffnung 12, die einen Innendurchmesser aufweist, der an den Außendurchmesser des Aufnahmeschafts 7 angepasst ist bzw. dazu korrespondiert. An dem Aufnahmeschaft 7 und/oder dem Befestigungselement 1 kann eine Arretiervorrichtung vorgesehen sein, vermöge dessen das Befestigungselement 1 drehfest mit dem Aufnahmeschaft 7 verbunden werden kann.
Das Bearbeitungswerkzeug 4 durchdringt die aufgeheizte thermoplastische Kunststoffmatrix K bzw. das Halbzeug 3 (3b). Dies bedeutet, dass entweder das Bearbeitungswerkzeug 4 linear in Richtung des Halbzeugs 3 bewegt wird, oder, dass das Halbzeug 3 in Richtung eines positionsfest angeordneten Bearbeitungswerkzeugs 4 bewegt wird. Danach wird das Befestigungselement 1 in der Lochöffnung 5 positioniert, nämlich derart, dass das Befestigungselement 1 in dem Halbzeug 3 mit einem Hinterschnitt H eingeformt wird. Dazu weist das Befestigungselement 1 einen Hinterschnitt H auf.
Wie in den Figuren wiedergegeben, setzt sich das Befestigungselement 1 aus einem Vorderabschnitt 8, einem Mittelabschnitt 9 und einem Hinterabschnitt 10 zusammen. Die Abschnitte 8, 9, 10 sind dabei hintereinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Längsachse L auf. Der Hinterabschnitt 10 befindet sich in jenem Zustand bei dem das Befestigungselement 1 auf den Aufnahmeschaft 7 des Bearbeitungswerkzeugs 4 aufgenommen ist, in unmittelbarer Nähe zum Halteschaft 6 des Bearbeitungswerkzeugs 4 (3 a,b). Wie die 3a-c zu erkennen geben sind die Abschnitte 8, 9, 10 konzentrisch in Bezug auf die Längsachse L angeordnet.
Der Mittelabschnitt 9 weist in Radialrichtung Reine geringere maximale Breite auf als der Vorderabschnitt 8 und der Hinterabschnitt 10. Wie dargestellt, weist der Mittelabschnitt 9 über seine gesamte Länge eine konstante Breite bzw. einen konstanten Durchmesser auf. Vorderabschnitt 8 und Hinterabschnitt 10 weisen in unmittelbarer Nähe zu dem Mittelabschnitt 9 ihre größte Breite auf. Der Vorderabschnitt 8 verjüngt sich jedoch in Richtung seines vorderen Endes in einem Verjüngungsbereich 11. Währenddessen verjüngt sich der Hinterabschnitt 10 in Richtung seines hinteren Endes. Durch die bezeichnete Ausbildung des Vorder-, Mittel- und Hinterabschnitts 8, 9, 10 wird ein Hinterschnitt H des Befestigungselements 1 ausgebildet.
Wie ebenfalls in den Figuren wiedergegeben, weist das Befestigungselement 1 eine zylinderförmige Durchgangsöffnung 12 auf, welche sich durch die Abschnitte 8, 9, 10 erstreckt. Mit dieser Durchgangsöffnung 12 wird das Befestigungselement 1 auf den Aufnahmeschaft 7 aufgesetzt bzw. auf diesem gehalten.
Der Verjüngungsbereich 11 des Vorderabschnitts 8 bildet gemeinsam mit einem sich in gleicher Richtung verjüngenden Bereichs des Aufnahmeschafts 7 eine Spitze 13 des Bearbeitungswerkzeugs 4 aus. Mit dieser Spitze 13 wird das Bearbeitungswerkzeug gegen das Halbzeug 3 gedrückt. Die Spitze 13 durchdringt das Halbzeug 3 vollständig, sodass der Vorderabschnitt 8 in Bezug zum Hinterabschnitt 10 auf einer entgegengesetzten Seite des Halbzeugs 3 angeordnet ist, und beide Abschnitte 8, 10 Anlageflansche 14, 15 zur Anlage an dem Halbzeug 3 ausbilden. Nach der Positionierung liegt der Mittelabschnitt 9 mit seiner äußeren Umfangsfläche 16 an einer Innenumfangsfläche 17 der Lochöffnung 5 des Halbzeugs 3 an.
Im Anschluss an die Positionierung des Befestigungselements 1 wird das Bearbeitungswerkzeug 4 in einem weiteren Verfahrensschritt von dem Befestigungselement 1 gelöst (3c). Dabei kann eine zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 4 und dem Befestigungselement 1 vorgesehene Arretierung gelöst werden. Nach der Positionierung des Befestigungselements 1 in dem Halbzeug 3, kann eine Abkühlung des Halbzeugs 3 erfolgen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Halbzeug 3 und das Befestigungselement 1 mit einer Spritzgießmasse umspritzt (nicht dargestellt). Dies kann im Wege eines Spritzgussverfahrens unmittelbar in der Werkzeugform bzw. der Gießform erfolgen. Bei der Spritzgussmasse handelt es sich vorzugsweise um eine Kunststoffmasse. Durch das Umspritzen wird das Verbundbauteil fertiggestellt bzw. in seine finale Form gebracht.
Ein entscheidender Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass beim Durchdringen des Halbzeugs 3 mit dem Bearbeitungswerkzeug 4 und dem Befestigungselement 1 die in dem Halbzeug 3 angeordneten Fasern 2 nicht zerstört werden, bzw. eine Durchtrennung der Fasern 2 auf ein geringes Maß beschränkt wird. Die kontinuierlichen Fasern 2 bleiben im Bereich des in das Halbzeug 3 eingesetzten Befestigungselementes 1 nahezu unversehrt. Die Fasern 2 liegen vielmehr an dem Befestigungselement 1 bzw. an dessen Mittelabschnitt 9 an.
Bezugszeichenliste

1: Befestigungselement
2: Fasern
3: Halbzeug
4: Bearbeitungswerkzeug
5: Lochöffnung
6: Halteschaft
7: Aufnahmeschaft
8: Vorderabschnitt
9: Mittelabschnitt
10: Hinterabschnitt
11: Verjüngungsbereich
12: Durchgangsöffnung
13: Spitze
14: Anlageflansch
15: Anlageflansch
16: Umfangsfläche (außen, Mittelabschnitt)
17: Umfangsfläche (innen, Lochöffnung)
H: Hinterschnitt
K: Kunststoffmatrix
L: Längsachse
R: Radialrichtung
B: Befestigungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10135847 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Einbringen eines Befestigungselements (1) in ein Bauteil aus mit kontinuierlichen Fasern (2) verstärktem thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a. Aufheizen eines Halbzeugs (3) aus dem thermoplastischen, faserverstärkten Faserverbundwerkstoff; b. Anordnen des Halbzeugs (3) in einer Werkzeugform, insbesondere in einer Gießform eines Spritgießwerkzeugs; c. Durchdringen des Halbzeugs (3) mit einem Bearbeitungswerkzeug (4) unter Ausbildung einer Lochöffnung (5), wobei das Bearbeitungswerkzeug (4) einen Halteschaft (6) und einen koaxial fluchtend dazu angeordneten Aufnahmeschaft (7) aufweist, an welchem das Befestigungselement (1) lösbar aufgenommen ist; d. Positionieren des Befestigungselements (1) in der Lochöffnung (5); e. Lösen des Bearbeitungswerkzeugs (4) von dem Befestigungselement (1); f. Umspritzen des Halbzeugs (3) und des Befestigungselements (1) mit einer Spritzgussmasse.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) einen Vorderabschnitt (8), einen Mittelabschnitt (9) und einen Hinterabschnitt (10) aufweist, wobei die Abschnitte (8, 9, 10) ausgehend von dem Vorderabschnitt (8) in Richtung des Halteschafts (6) hintereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Längsachse (L) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (8), der Mittelabschnitt (9) und der Hinterabschnitt (10) konzentrisch in Bezug auf die Längsachse (L) angeordnet sind, wobei der Mittelabschnitt (9) in Radialrichtung (R) eine geringere maximale Breite aufweist als der Vorderabschnitt (8) und der Hinterabschnitt (10).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (9) über seine gesamte Länge eine konstante Breite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (8) in unmittelbarer Nähe zu dem Mittelabschnitt (9) seine größte Breite aufweist und sich in Richtung seines vorderen Endes in einem Verjüngungsbereich (11) verjüngt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterabschnitt (10) in unmittelbarer Nähe zu dem Mittelabschnitt (9) seine größte Breite aufweist und sich in Richtung seines hinteren Endes verjüngt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (8), der Mittelabschnitt (9) und der Hinterabschnitt (10) ein einstückiges Befestigungselement (1) ausbilden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) einen Hinterschnitt (H) aufweist, wobei der Hinterschnitt (H) durch den Vorderabschnitt (8), den Mittelabschnitt (9) und den Hinterabschnitt (10) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) eine zylinderförmige Durchgangsöffnung (12) aufweist, die sich durch den Vorder-, Mittel-, und Hinterabschnitt (8, 9, 10) hindurch erstreckt, und mit welcher das Befestigungselement (1) auf dem Aufnahmeschaft (7) aufgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verjüngungsbereich (11) des Vorderabschnitts (8) gemeinsam mit einem sich in gleicher Richtung verjüngenden Bereich des Aufnahmeschafts (7) eine Spitze (13) des Bearbeitungswerkzeugs (4) ausbildet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt c. gemäß Anspruch 1 die Spitze (13) des Bearbeitungswerkzeugs (4) gegen das Halbzeug (3) gedrückt wird, wobei die Spitze (13) des Bearbeitungswerkzeugs (4) das Halbzeug (3) durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (4) beim Drücken gegen das Halbzeug (3) um seine Längsachse (L) rotiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (4) vor dem Durchdringen des Halbzeugs (3) aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die in dem Halbzeug (3) im Durchdringungsbereich des Bearbeitungswerkzeugs (4) vorliegenden Fasern (2) beim Durchdringen des Bearbeitungswerkzeugs (4) entsprechend der größten Breite des Vorderabschnitts (8) aufweiten und nach dem Positionieren des Befestigungselements (1) an dem Mittelabschnitt (9) anliegen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (8) und der Hinterabschnitt (10) nach der Positionierung des Befestigungselements (1) jeweils einen radialen Anlageflansch (14, 15) zur Anlage an dem Halbzeug (3) ausbilden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (9) nach der Positionierung des Befestigungselements (1) mit seiner äußeren Umfangsfläche (16) an einer Innenumfangsfläche (17) der Lochöffnung (5) des Halbzeugs (3) anliegt.
Befestigungselement für ein Bauteil mit kontinuierlichen Fasern (2) verstärktem thermoplastischem Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 in das Bauteil einbringbar ist.
Befestigungselement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) einen Vorderabschnitt (8), einen Mittelabschnitt (9) und einen Hinterabschnitt (10) aufweist, wobei die Abschnitte (8, 9, 10) hintereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Längsachse (L) aufweisen.
Befestigungselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (8), der Mittelabschnitt (9) und der Hinterabschnitt (10) konzentrisch in Bezug auf die Längsachse (L) angeordnet sind, wobei der Mittelabschnitt (9) in Radialrichtung (R) eine geringere maximale Breite aufweist als der Vorderabschnitt (8) und der Hinterabschnitt (10).
Befestigungselement nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (9) über seine gesamte Länge eine konstante Breite aufweist.
Befestigungselement nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (8) in unmittelbarer Nähe zu dem Mittelabschnitt (9) seine größte Breite aufweist und sich in Richtung seines vorderen Endes in einem Verjüngungsbereich (11) verjüngt.
Befestigungselement nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterabschnitt (10) in unmittelbarer Nähe zu dem Mittelabschnitt (9) seine größte Breite aufweist und sich in Richtung seines hinteren Endes verjüngt.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderabschnitt (8), der Mittelabschnitt (9) und der Hinterabschnitt (10) ein einstückiges Befestigungselement (1) ausbilden.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) einen Hinterschnitt (H) aufweist, wobei der Hinterschnitt (H) durch den Vorderabschnitt (8), den Mittelabschnitt (9) und den Hinterabschnitt (10) ausgebildet ist.
Befestigungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) eine zylinderförmige Durchgangsöffnung (12) aufweist, die sich durch den Vorder-, Mittel-, und Hinterabschnitt (8, 9, 10) hindurch erstreckt, und mit welcher das Befestigungselement (1) auf einem Aufnahmeschaft (7) eines Bearbeitungswerkzeugs (4) aufsetzbar ist.