DE202012101921U1

DE202012101921U1 - Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen

Info

Publication number: DE202012101921U1
Application number: DE201220101921
Authority: DE
Original assignee: RADOLID Thiel GmbH
Current assignee: Radolid Thiel De GmbH
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2012-07-23
Anticipated expiration: 2022-05-25

Abstract

Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen umfassend einen Schaft (1) und ein Kopfteil (7), wobei der Schaft (1) mit einem Gewinde (6) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem dem Kopfteil (7) abgewandten Ende des Schaftes ein Bearbeitungsteil (2) vorgesehen ist, das die Form eines geraden Zylinders aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen umfassend einen Schaft und ein Kopfteil, wobei der Schaft mit einem Gewinde versehen ist.
Bei carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe genannt, handelt es sich um Faser-Kunstoff-Verbundwerkstoffe, bei denen Kohlenstofffasern in der Regel mehrlagig als Verstärkung in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Die Matrix besteht üblicherweise aus Duromeren, bspw. Epoxidharz. Die Epoxidharz-Matrix verklebt dabei die Fasern und fixiert sie in ihrer gewünschten geometrischen Ordnung. Zusätzlich übernimmt die Epoxidharz-Matrix mechanische Aufgaben. So ist sie bspw. verantwortlich für die Kraftübertragung in die Faser in Faserlängsrichtung sowie die Weiterleitung der Lasten quer zur Faserorientierung. Bei Druckbeanspruchung schützt die Matrix die Faser vor Knickung. Darüber hinaus verhindert die Epoxidharz-Matrix chemische Reaktionen zwischen Kohlenstoff und Umgebungssubstanzen.
Der üblicherweise verwendete Epoxidharz bildet einen räumlich engmaschig vernetzten Kunststoff mit amorpher Struktur. Er entsteht durch eine chemische Härtungsreaktion. Diese läuft als Polyaddition ab. Um die Reaktion in Gang zu setzen, wird der Harzkomponente ein Härter zudosiert. Epoxidharze, wie andere Duroplaste ebenfalls, sind im Gegensatz zu thermoplastischen Kunststoffen nicht schmelzbar. Infolgedessen können in Duroplasten enthaltene Verbundwerkstoffe nicht verschweißt werden, weshalb die Möglichkeiten, aus Duroplasten bestehende Bauteile nach ihrem Herstellungsprozess zu verbinden, begrenzt sind. Aufgrund des fehlenden plastischen Zustandsbereichs fallen die mechanischen Eigenschaften von Duroplasten bis zu ihrer Zersetzungstemperatur nur geringfügig ab. Infolgedessen ist der Werkstoff bei Raumtemperatur hart und im Allgemeinen bis zum Erreichen seiner Zersetzungstemperatur hartelastisch. Die Kohlenstofffaser verleiht Bauteilen aus CFK hervorragende mechanische Eigenschaften. Zudem sind sie bei gleicher Stabilität wesentlich leichter als vergleichbare Leichtbauwerkstoffe. Durch die Beimischung von Füllstoffen können die mechanischen Eigenschaften sowie die Chemikalienbeständigkeiten des Werkstoffs zusätzlich beeinflusst werden. CFK-Bauteile werden vor allen Dingen dort eingesetzt, wo hohe mechanische Anforderungen in Kombination mit einem geringen Gewicht der Konstruktion gefragt sind. Hier sind insbesondere der Luftfahrzeugbau, der Motorsport aber auch der Sportgerätebau zu nennen.
Um Bauteile aus CFK untereinander durch Schrauben oder Nieten zu verbinden, ist es empfehlenswert, die dafür vorgesehenen Aussparungen, ihre Lage sowie ihre Geometrie vor dem Fertigungsprozess des Bauteils festzulegen. Nachträglich eingebrachte Bohrungen beeinflussen die Eigenschaften der Bauteile negativ, da sie den Faserverlauf unterbrechen, wodurch mechanische Schwachstellen in der Bauteilstruktur auftreten können.
Um Aussparungen ohne gleichzeitige Schwächung der Bauteilstruktur zu erzeugen, wird beim Fertigungsprozess, ähnlich wie beim Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffen, mit Kernen gearbeitet. Das vor der eintretenden Härtungsreaktion flüssige Harz umströmt dabei die Kerne. Nach der abgeschlossenen Härtungsreaktion bleiben Aussparungen im Bauteil zurück. Nachteilig bei dieser Art der Herstellung von Aussparungen ist jedoch der höhere Aufwand bei der Konstruktion sowie der Herstellung.
Zur Vermeidung der hohen Kosten wird daher trotz der bestehenden mechanischen Nachteile häufig auf eine spanende Bearbeitung der CFK-Bauteile zurückgegriffen. Hierzu sind speziell gehärtete Bohrer erforderlich, die teuer sind. Zudem unterliegen diese Bohrer trotz ihrer gehärteten Bohrspitzen einem sehr hohen Verschleiß aufgrund der Materialeigenschaften der CFK-Bauteile.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen zu schaffen, die einerseits nachträglich in die Bauteile eingebracht werden kann und andererseits preiswert und konstruktiv einfach realisierbar ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass an dem dem Kopfteil abgewandten Ende des Schaftes ein Bearbeitungsteil vorgesehen ist, das die Form eines geraden Zylinders aufweist.
Mit der Erfindung ist eine Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen geschaffen, die nachträglich in die Bauteile einschraubbar ist, ohne vorher mit speziell gehärteten und damit teuren Bohrern eine Bohrung in das Bauteil einbringen zu müssen oder Kerne bei der Herstellung der Bauteile zu verwenden. Dadurch sind der konstruktive Aufwand sowie der Aufwand bei der Herstellung der Bauteile reduziert.
Durch die zylindrische Ausbildung ist die Schraube in der Lage, ein Loch durch Nutzung der Friktionsenergie in die Bauteile einzubringen. Eine spanende Bearbeitung findet nicht statt, weshalb an der Schraube auch kein Materialverlust stattfindet. Der Verschleiß ist in Folge dessen erheblich reduziert.
Vorteilhaft ist zwischen dem Schaft und dem Bearbeitungsteil eine Einschnürung vorgesehen. An diese schließt sich bevorzugt auf der dem Kopfteil zugewandten Seite eine konische Erweiterung an. Das Vorsehen einer Einschnürung und ggf. der Erweiterung führt einen Abstand zwischen dem Bearbeitungsteil und dem Gewinde herbei. Dadurch ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schraube die Möglichkeit geschaffen, beim Einschrauben unter Beibehaltung des Vorschubs die Drehzahl des Schraubwerkzeugs zu reduzieren, um zu vermeiden, dass das Gewinde mit einer zu hohen Drehzahl in das Bauteil einfährt.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
1 die Untersicht auf einer Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen;
2 die Ansicht der in 1 dargestellte Schraube.
Die als Ausführungsbeispiel gewählte Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen umfasst einen Schaft 1 und einen Bearbeitungsteil 2. Der Bearbeitungsteil 2 weist die Form eines geraden Zylinders auf. Er ist an seinem freien Ende nicht angefast. Infolgedessen ist zwischen der Außenfläche des Bearbeitungsteils 2 und dem stirnseitigen Ende 3 des Bearbeitungsteils 2 ein scharfkantiger rechter Winkel ausgebildet.
Der Schaft 1 schließt sich im Ausführungsbeispiel abgesetzt an den Bearbeitungsteil 2 an. Im Ausführungsbeispiel ist eine Einschnürung 4 vorgesehen, an die sich auf der der Stirnseite 3 abgewandten Seite eine konische Erweiterung 5 anschließt. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann sich der Schaft 1 auch absatzlos an den Bearbeitungsteil 2 anschließen.
Die konische Erweiterung 5 geht über in ein Gewinde 6, welches ebenfalls Bestandteil des Schaftes 1 ist. Das Gewinde 6 kann als selbstschneidendes Gewinde ausgebildet sein, sodass das für die Verschraubung der Bauteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff erforderliche Gewinde während des Eindrehens der Schraube in die Bauteile eingeschnitten werden kann. An das Gewinde 6 schließt sich eine Kopfteil 7 an. Im Ausführungsbeispiel ist das Kopfteil 7 als üblicher Schraubenkopf ausgebildet, der zum Ansetzen eines Schraubwerkzeugs dient. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann der Kopfbereich auch anders ausgebildet sein. So kann er beispielsweise mit einem Innenmehrkant versehen sein.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen wird diese in ein hinreichend schnell rotierendes Werkzeug eingespannt und unter Vorschub in die jeweiligen Bauteile aus CFK eingefahren, bis die Stirnseite 3 des Werkzeugs mit der Oberfläche des ersten Bauteils in Berührung kommt. Bei einem weiteren Vorschub dringt die rotierende Schraube in das Bauteil ein. Hierbei wird aufgrund der Rotation der Schraube und der glatten, vorzugsweise scharfkantigen Ausbildung des Bearbeitungsteils 2 auf seiner Stirnseite 3 die Friktionsenergie zwischen rotierender Schraube und dem Bauteil ausgenutzt. Durch die Friktion zwischen der Stirnseite 3, welche eine Art Reibfläche bildet, und der Bauteiloberfläche wird Wärmeenergie erzeugt. Mit Hilfe dieser Energie wird die Epoxidharz-Matrix bis auf Zersetzungstemperatur erwärmt und zerstört. Die dadurch freiliegende Kohlefaser wird anschließend durch die Rotation zertrennt. Auf diese Weise wird das gewünschte Loch erzeugt. Anschließend schneidet sich im Falle der Verwendung eines selbstschneidenden Gewindes das Gewinde 6 in das Loch ein, wodurch unmittelbar die Verschraubung hergestellt ist.
Die erfindungsgemäße Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen bietet einen erheblichen Kostenvorteil im Vergleich zu bisher bekannten Arten zum Verschrauben solcher Bauteile. Zwar beinhaltet auch die erfindungsgemäße Schraube den Nachteil, dass sie zu einer Schwächung des Faserverlaufs in den Bauteilen und damit zu mechanischen Schwachstellen führen; im Vergleich zur Anwendung spanender Werkzeuge bietet die erfindungsgemäße Schraube jedoch erhebliche Vorteile, da auf die Verwendung von gehärteten Bohrern zur Erstellung der Löcher für eine Verschraubung verzichtet werden kann.

Claims

Schraube zur Verbindung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen umfassend einen Schaft (1) und ein Kopfteil (7), wobei der Schaft (1) mit einem Gewinde (6) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem dem Kopfteil (7) abgewandten Ende des Schaftes ein Bearbeitungsteil (2) vorgesehen ist, das die Form eines geraden Zylinders aufweist.
Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schaft (1) absatzlos an den Bearbeitungsteil (2) anschließt.
Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schaft (1) und dem Bearbeitungsteil (2) eine Einschnürung (4) vorgesehen ist.
Schraube nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Einschnürung (4) auf der dem Kopfteil (7) zugewandten Seite eine konische Erweiterung (5) anschließt.