DE3817119C2

DE3817119C2 - Verbundbefestigungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE3817119C2
Application number: DE3817119A
Authority: DE
Inventors: Gilles A Rainville; Leonardo Israeli
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1987-05-19
Filing date: 1988-05-19
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2008-05-20
Also published as: US5361483A; GB8811670D0; GB2205374B; DE3817119A1; GB2205374A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundwerkstoff-Befestigungs vorrichtungen mit hoher Festigkeit. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf faserverstärkte thermoplastische Befesti gungsvorrichtungen, wie beispielsweise Niete.

Verbundmaterialien in der Form von faserverstärkten Kunststoffen oder Harzen werden in der Luft- und Raumfahrt-Industrie häufig bei Metallbauteilen wegen ihrer hohen Festigkeit/Gewichts-Verhältnisse und ihrer hohen Steifheit verwandt. Die Fasern sehen die Festigkeit und Steifheit vor und die Matrix sieht das Bindematerial für die Fasern vor. Eine Form derzeit verwendeter organischer Verbundmaterialien gehört zu dem wärmeaushärtenden Typ, wobei die Herstellung mit einer vorbestimmten Form erfolgt und sodann die Aushärtung bei einer bestimmten erhöh ten Temperatur durchgeführt wird.

Eine neue Generation von Verbundmaterialien sind diejenigen des thermoplastischen Typs. Bei diesen Verbundmaterialien er weicht die Matrix, wenn sie auf eine bestimmte erhöhte Tempe ratur gebracht wird und die Verfestigung erfolgt beim Abküh len. Diese Eigenschaft gibt die Möglichkeit, das thermopla stische Material zu formen und erneut zu formen, und zwar ein fach dadurch, daß man das Bauteil auf die Formtemperatur oder darüber bringt.

Obwohl die beiden Arten von Verbundmaterialien, d. h. die unter Wär meeinwirkung aushärten und die thermoplastischen im großen Umfang bei Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, bestand deren Nachteil darin, daß es kein geeignetes Verfahren zur Befestigung der aus dem Verbundmaterial be stehenden Bauteile gab. Die Verbindung von Verbundmaterial strukturen ist nicht hinreichend verläßlich und eine Trennung, d. h. ein Abschälen der Verbindung tritt häufig auf. Derzeit wird die Verbindung von aus Verbundmaterial bestehenden Bau teilen ergänzt durch örtliche Befestigungs maßnahmen.

Das üblichere Verfahren zur Befestigung von Bauteilen verwendet Metallbefestigungsvorrichtungen. Im allgemeinen sind jedoch Aluminiumbefestigungsvorrichtungen nicht mit faserverstärkten Verbundwerkstoffen kompatibel und obwohl Titanbefestigungsvor richtungen im allgemeinen mit solchen Verbundwerkstoffen kom patibel sind, sind diese jedoch schwer und teuer. Ferner benö tigen solche Befestigungsvorrichtungen große Köpfe, um einen Ausfall durch "Hindurchziehen" zu vermeiden.

US-PS 2 510 693 beschreibt ein Niet, hergestellt aus einem Kunststoffmaterial mit der innen angeordneten Fasern, die longitudinal im Schaft des Niets verlaufen und sich in den Kopf des Niets erstrecken, und zwar in einer sich seitlich ausbreitenden Beziehung. Bei der Befestigung eines Paares von Bauteilen mittels des Niets wird das Ende des Niets gestaucht, und zwar durch Anlegen von Druck mittels eines beheizten Nietwerkzeuges, um so einen Kopf zu bilden. Die Fasern sind jedoch im Schaft und im Kopf des Niets relativ zufällig verteilt und der sich ergebende Niet besitzt keine hohe Zugfestigkeit.

US-PS 2 685 813 beschreibt einen vorfabrizierten Glasfaser nietkörper, bestehend aus einer Vielzahl von Glasfaserfäden, die miteinander gruppiert sind, um sich in Längsrichtung des Nietkörpers zu erstrecken, wobei der Körper mit einem partiell ausgehärteten Kunststoffbindemittel imprägniert ist und eine thermoplastische Hülse vorgesehen ist, und wobei ferner der Nietkörper durch Wärme und Druck gestaucht werden kann, um einen mit einem festen Kopf versehenen Niet zu schaffen. Im Gebrauch wird der Nietkörper Wärme und Druck ausgesetzt, um die Enden der Glasfaserfäden seitlich nach außen zu quet schen, um die Köpfe in mit Gegeneinsenkungen versehenen Teilen der Bohrungen der miteinander zu befestigenden Bauteile zu bilden. Bei dieser Anordnung, bei der die Enden des Nietkörpers Wärme und Druck ausgesetzt werden, um die Fasern seitlich nach außen zu drücken, fehlt die Kontrolle hinsichtlich der Orientierung der Fasern im Niet, insbesondere in den Köpfen des Niets und der sich ergebende Niet besitzt nur eine geringe Zugfestig keit. Ferner können Niete dieser Bauart nur mit Öffnungen mit Gegeneinsenkung in den zu befestigenden Bauteilen verwendet werden, und sie können nicht benutzt werden für die Herstel lung von Befestigungsvorrichtungen oder Nieten mit vorstehen dem Kopf, wo keine gegenversenkten Löcher in den zu befesti genden Bauteilen vorgesehen sind.

US-PS 4 478 544 beschreibt einen verstärkten thermoplastischen Niet, bestehend aus einer Vielzahl von im wesentlichen paral lelen kontinuierlichen sich in Längsrichtung erstreckenden Kohlenstoffasern, eingekapselt in einem B-Stufen, unter Wärme einwirkung aushärtenden Harz und einer Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Polyamidfasern, welche die Kohlen stoffasern umhüllen. Der Niet ist zur Bildung eines Nietkopfes bei Erwärmung verformbar. Bei diesem Verfahren werden jedoch die Fasern im Kopf zerdrückt, ohne daß dabei eine Kontrolle hinsichtlich der Position und Richtung der Fasern bestünde.

Infolge der zufälligen nicht-gleichförmigen Orientierung der Fasern in der Kunststoffmatrix des Schaftes und/oder des Kop fes der Niete gemäß den oben genannten Patenten haben diese keine guten Zugfestigkeitseigenschaften, obwohl sie eine hin reichende Scherfähigkeit zeigen können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, hochfeste Verbundmaterial-Befestigungsvorrichtungen, insbesondere Niete, bereitzustellen, die eine überlegene hohe Scherfestigkeit und Zugfestigkeit besitzen, die besonders für Anwendungen im Flugzeugbau geeignet sind, wobei geeignete Verstärkungsfasern in einer thermoplastischen Hochtemperaturmatrix eingebettet sind, und wobei die Fasern sowohl im Schaft wie auch in den Köpfen der Befestigungsvor richtung derart orientiert sind, daß sich eine Befestigungs vorrichtung mit sowohl hoher Scher- wie auch hoher Zuglei stungsfähigkeit ergibt.

Die oben genannten Ziele und Vorteile werden erfindungsgemäß erreicht durch das Vorsehen
einer Verbundmaterial-Befestigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Verstärkungsfasern sind axial oder longitudinal orientiert und in im wesentlichen paralleler Beziehung durch den ganzen Schaft oder Befestigungsvorrichtungskörper hindurch ausgerich tet. Ein vorgeformter Kopf ist an einem Ende der Befestigungs vorrichtung vorgesehen und ein zweiter Kopf wird am anderen Ende der Befestigungsvorrichtung während des Einbaus vorgese hen. Beide Köpfe der Befestigungsvorrichtung werden gebildet durch Erweiterung der Enden des Befestigungsvorrichtungsschaf tes unter Verwendung eines beheizten Formwerkzeugs oder einer Heizpistole oder aber mittels eines Ultraschallschweißwerk zeugs, wobei in jedem Fall eine spezielle konische Spitze vor gesehen ist. Bei der Formung dieser Köpfe werden die Fasern gebogen und dieses Biegen wird derart gesteuert, daß die Fa sern gleichmäßig im Kopf erweitert oder verteilt werden. Die axial ausgerichtete Orientierung der Fasern im Schaft der Be festigungsvorrichtung, insbesondere in einem hohen Volumen prozentsatz, und deren gleichmäßige Verbindungsbeziehung, d. h. Ausbreitung im Kopf in Verbindung mit der Verwendung be stimmter hochtemperatur-thermoplastischer Kunststoffmateria lien als Matrix ergibt eine Befestigungsvorrichtung mit über legenen hohen Scher- und hohen Zugfestigkeitseigenschaften.

Die insbesondere als Matrixmaterial für die Verstärkungsfasern verwendeten hochtemperatur-thermoplastischen Harze sind Kunst stoffe oder Harze, die unter der Bezeichnung "PEEK"-Kunststoff oder Harz bekannt sind und bei denen es sich um ein Polyether etherketonharz handelt und ferner handelt es sich hier um den unter der Bezeichnung "PAI" verkauften Kunststoff, der ein Po lyamidimidharz oder Kunststoff ist.

Die Befestigungsvorrichtung oder der Niet gemäß der Erfindung ist vorzugsweise mit einem Kopf an einem Ende ausgestattet, und zwar kann dieser Kopf in der Form eines vorstehenden Kop fes oder eines konischen Kopfes vorgesehen sein. Der konische Kopf ist dabei geeignet zur Aufnahme in einem mit Gegeneinsen kung versehenen Loch, welches wiederum in einem Bauteil vorge sehen ist, welches befestigt werden soll. Üblicherweise wird ein konischer oder ein mit Gegeneinsenkung ausgestatteter Kopf an der Befestigungsvorrichtung oder dem Niet vorgefertigt und ein vorstehender Kopf oder ein weiterer konischer Kopf kann am anderen Ende der Befestigungsvorrichtung während des Einbaus ausgebildet werden.

Die in der Hochtemperatur-Thermoplastmatrix eingebetteten Ver stärkungsfasern der Befestigungsvorrichtung können aus Fiber glas, Graphit, Bor oder Kevlar-Fasern bestehen, wobei es sich bei den Kevlar-Fasern um solche aus Poly(para-phenylentere phthalsäureamid) handelt.

Wenn die Verbundmaterial-Befestigungsvorrichtung oder der Niet ge mäß der Erfindung verwendet wird für die Befestigung von ther moplastischen Verbundmaterialstrukturen, so heizt die Erwär mung des Nietkopfes zum Stauchen desselben die benachbarte Verbundwerkstoffstruktur, die mit dem Kopf in Kontakt steht auf. Die Verbundstruktur und der Nietkopf verfestigen und vereini gen sich nach dem Abkühlen in eine im wesentlichen integrale Ein heit. Dies ergibt eine monolithische Anordnung mit verbesser ter Lastübertragung und überlegenen Abdichteigenschaften, und zwar insbesondere bei Kraftstofftanks und bei unter Druck stehenden Tanks. Wenn je doch die Verbundmaterialstruktur aus einem unter Wärmeeinwir kung aushärtenden Verbundmaterial, wie beispielsweise einem faserverstärkten Epoxyharz besteht, oder sogar eine Metall struktur ist, wird eine feste mechanische Verbindung zwischen dem gestauchten Kopf und der anstoßenden Struktur zur Erzeu gung einer guten Abdichtung geschaffen.

Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung sieht so eine neue Befestigungsvorrichtungsart vor für den Zusammenbau von strukturellen Bauteilen, die aus unter Wärme einwirkung aushärtenden oder thermoplastischen Verbundwerk stoffen bestehen können, oder die auch metallische Bauteile sein können. Die Befestigungsvorrichtungen dem Erfindung haben die folgenden Vorteile: Sie besitzen eine überlegene Zugfe stigkeit und auch Scherfestigkeit und sie eliminieren die Ver wendung von Bauteilen und Befestigungsvorrichtungen aus unähn lichem Material, d. h. die Bauteile und Befestigungsvorrich tungen können aus dem gleichen Verbundmaterial bestehen, wobei ferner das Gewicht vermindert wird und wobei schließlich bei Verwendung auf Gebieten wie der Kraftstoffabdichtung ein bes seres Abdichtpotential erreicht wird, und zwar infolge des Nicht-Vorhandenseins von unterschiedlichen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten zwischen den Verbundmaterial-Bauteilen und den Befestigungsvorrichtungen, und es werden schließlich bes sere Lochausfülleigenschaften hinsichtlich der thermoplasti schen Formung der Befestigungsvorrichtung vorgesehen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt eines einen vorstehenden Kopf besit zenden Niets gemäß der Erfindung;

Fig. 2, 3, 3a und 4 Querschnitte verschiedener Abwandlungen des erfindungsgemäßen Niets;

Fig. 5, 6 und 7 die Anordnung und das Stauchen der Niete der Fig. 1 bzw. 2 bzw. 3 in einer Anordnung zur Befestigung eines Paares von Bauteilen miteinander durch solche Niete;

Fig. 8 und 9 die Verwendung eines Nietwerkzeugs oder einer Heizpistole mit einer konisch geformten Spitze zum Stauchen des Endes eines vorstehenden Kopfniets, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, während des Zusammenbaus zur Befestigung eines Paares von Bauteilen;

Fig. 10 und 11 die Einführung einer faserverstärkten Stange in eine Öffnung zwischen einem Paar von Verbundmaterial- Bauteilen und die Bildung eines Kopfes an entgegenge setzten Enden der Stange zur Bildung eines Niets ent sprechend der Erfindung zum Zwecke der Befestigung der Bauteile unter Verwendung einer Heizpistole ähnlich den Fig. 8 und 9;

Fig. 12 bis 15 das Verfahren zum Stauchen eines Endes eines fa serverstärkten Verbundmaterialniets gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Ultraschallformwerkzeugs; und

Fig. 16 ein Verfahren zur Bildung eines faserverstärkten ther moplastischen Niets mit einem Gegeneinsenkungskopf aus einer faserverstärkten thermoplastischen Stange.

Im folgenden sei die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Verbundmaterial-Befestigungsvorrichtung 10 gemäß der Er findung, und zwar bestehend aus einem Schaft 12 mit einem vor stehenden Kopf 14 an einem Ende des Schaftes. Schaft und Kopf sind aus einem Hochtemperatur-Thermoplastmatrixmaterial 15, wie beispielsweise "PEEK"-Harz hergestellt, wobei sich konti nuierliche (endlose) Verstärkungsfasern 16 axial oder longitu dinal in im wesentlichen paralleler Beziehung und dicht ge packt im Matrixmaterial durch den Schaft erstrecken. Die Fa sern 16 sind in den Kopf, wie bei 16′ gezeigt, hineingebogen und strahlen nach außen, d. h. sind nach außen erweitert und erstrecken sich kontinuierlich in den Kopf hinein, wobei die Fasern im wesentlichen gleichmäßig darinnen ausgebreitet, d. h. verbunden sind. Man erkennt, daß die kontinuierlichen Fasern 16 eine hochkontrollierte regelmäßige Faserorien tierung, wie gezeigt, besitzen, was für die Herstellung einer Befestigungsvorrichtung mit erhöhter Festigkeit wichtig ist, insbesondere hinsichtlich der hohen Zugfestigkeit und auch hinsichtlich einer hohen Scherfestigkeit. Dies steht im Gegen satz zu Verbundwerkstoffnieten gemäß den US-Patenten 2 510 693, 2 685 823 und 4 478 544, wo die Fasern in der Harz- oder Kunststoffmatrix nicht sowohl (a) sich in axial-paralle ler Ausrichtung im Schaft befinden und (b) gleichmäßig ausge breitet und verteilt im Kopf sind.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Niets mit vorstehendem Kopf der Fig. 1, wobei der Niet 18 der Fig. 2 die kontinuierlichen Fasern 16 in enger paralleler axialer Ausrichtung in der Matrix 15 des Schaftes 12 und bei 16′ gleichmäßig verteilt im Kopf 20 aufweist, wie im Kopf 14 der Fig. 1. Zusätzlich weist der herausragende Kopf 20 eine Verbundmaterial-Unterleg scheibe 22 in der Form eines faserverstärkten Kunststoffs auf, wie beispielsweise einem "PEEK"-Harz, und zwar vorfa briziert und befestigt an der Unterseite des Kopfes 20.

Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung des Niets gemäß der Erfin dung, die hier mit 24 bezeichnet ist, wobei die gleiche Orien tierung der Fasern 16 in der Kunststoffmatrix 15 des Schaftes 12 wie bei Fig. 1 vorhanden ist, und wobei ferner die Fasern gleichmäßig bei 16′ im Gegeneinsenkungskopf 26 des Niets ver teilt sind. Der Niet der Fig. 3 ist für den Zusammenbau von Teilen geeignet, von denen einer einen gegeneingesunkenen Teil zur Aufnahme des Kopfes 26 besitzt.

Fig. 3a zeigt einen Niet 28 ähnlich dem der Fig. 3 mit der Ausnah me, daß der Niet 28 einen thermoplastischen Kern 30 besitzt und sich in einer ausbreitenden Art nach außen in den Mittel teil des Kopfes 30′ des Niets erstreckt. Der thermoplastische Kern 30 kann aus dem gleichen Harz oder Kunststoff geformt sein wie die Kunststoff- oder Harzmatrix des Niets, in dem die Fasern 16 eingebettet sind.

Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Befestigungsvorrichtung oder des Niets der Erfindung, wobei der Niet 31 einen Gegen einsenkungskopf 32 von kugelförmiger Gestalt besitzt.

Fig. 5 zeigt den Niet 24 der Fig. 3 in einer Öffnung 34 zusam mengebaut zwischen drei Bauteilen 36, 38 und 40 zur Befesti gung derselben miteinander. Das Bauteil 40 besitzt eine gegen eingesenkte Bohrung 42 darinnen. Die Bauteile 36, 38 und 40 können gebildet sein aus einem Verbundmaterial, welches bei Wärmeeinwirkung aushärtet oder aus thermoplastischen Materia lien, wie beispielsweise graphitverstärktem Epoxy- oder PEEK- Harz. Das entgegengesetzt liegende Ende des Schaftes 12 der Niet 24 ist zur Bildung eines vorstehenden Kopfes 44 ge staucht, beispielsweise durch ein Ultraschallschweißwerkzeug oder durch eine beheizte Druckpistole, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Wenn das Stauchen in dieser Weise erfolgt, so erkennt man, daß die Fasern 16 in dem sich ergebenden vorstehenden Kopf 44 gebogen und gleichmäßig ver teilt werden, wie im Falle der Fasern 16 im Kopf 26 mit Ge gensenkung.

Fig. 6 veranschaulicht die Verwendung des einen vorstehenden Kopf besitzenden Niets 18 der Fig. 2 zur Befestigung von Ver bundmaterialbauteilen 36 und 38 aneinander. Der Niet 18 ist an seinem entgegengesetzten Ende zur Bildung eines weiteren vorstehenden Kopfes 46 ähnlich dem vorstehenden Kopf 20 ge staucht, beispielsweise mittels einer geeigneten Ultraschall pistole. Die sich ausbreitende und gleichmäßig verteilte Fa serorientierung 16′ in dem gestauchten vorstehenden Kopf 46 ist ähnlich der im entgegengesetzten vorstehenden Kopf 20 mit dem Ergebnis, daß sich ein Niet ergibt, welcher eine sehr hohe Zugfestigkeit besitzt. Eine zusätzliche Verbundwerkstoffschei be 22′ ähnlich der Scheibe 22 ist am Kopf 46 befestigt, und zwar durch Anordnen dieser Scheibe 22′ um das Ende des Niet schaftes 12 herum und zwar vor der Ausbildung des vorstehenden Kop fes 46.

In Fig. 7 wird der Niet 24 der Fig. 3 dazu verwendet, um Ver bundmaterialbauteile 36, 38, 40 und 41 ähnlich Fig. 5 mitein ander zu verbinden mit der Ausnahme, daß die beiden äußeren Bauteile 40 und 41 jeweils Gegeneinsenkungsbohrungen 42 bzw. 42′ aufweisen. Bei dieser Situation wird das Ende des Niets entgegengesetzt zum eingesenkten Kopf 26 beispielsweise mit tels einer geeigneten Wärmepistole der oben beschriebenen Bau art gestaucht, um einen zweiten Gegeneinsenkungskopf 48 zu bilden, der innerhalb der mit Gegeneinsenkung versehenen Boh rung 42′ des Bauteils 41 aufgenommen wird, um die Bauteile zu befestigen. Das Nietwerkzeug erzeugt wiederum einen gestauch ten Kopf 48, in dem die Fasern vom Schaft des Niets gebogen und bei 16′ erweitert sind und in gleichmäßiger Weise im Kopf verteilt angeordnet sind.

Fig. 8 zeigt die Verwendung eines Niets, wie beispielsweise Niet 10 gemäß Fig. 1, zur Befestigung von Verbundwerkstoff-Bau teilen 36 und 38 aneinander, wobei der Niet durch die Öffnung 34 in diesen Teilen verläuft, wobei der Kopf 14 in Kontakt mit der Außenoberfläche des Bauteils 36 steht. Eine Stützstange 50 ist in Kontakt mit dem Kopf 14 des Niets zur Halterung dessel ben angeordnet. Eine Stahlstange oder ein Stempel 52 ist glei tend in einem Metallrohr 54 angeordnet und besitzt ein koni sches Ende 56, wobei die Spitze 58 des konischen Endes 56 am Ende 57 des Niets 10 anstößt. Der Stempel 52 besitzt einen Durchmesser annähernd gleich dem Durchmesser des Niets 10 und das Rohr 54 weist einen Innendurchmesser auf, der etwas größer ist als der Durchmesser des Niets 10, so daß ein Ende des Rohrs 54 um das benachbarte Ende des Niets herum angeordnet werden kann. Der Stahlstempel wird sodann geschlagen, um eine kleine Nut 60 in der Mitte am Ende des Niets entgegengesetzt zum Kopf 14 auszubilden, daraufhin wird der Stempel weggezogen. Wenn gewünscht, kann die Nut 60 am Niet gebildet werden, wenn der Kopf anfangs ausgebildet wird, wie dies durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 gezeigt ist.

Gemäß Fig. 9 ist ein konisches Ende oder eine konische Spitze 62 am Ende 63 einer elektrischen Heizpistole 65 vorgesehen, die in die im Ende des Niets 10 gebildete Nut 60 eingesetzt wird. Eine Zentrier- und Stabilisiervorrichtung 67 ist vorgese hen und ein Druck wird angelegt. Die durch die Heizpistole bei Betätigung derselben erzeugte Wärme und der angelegte Druck stauchen das Ende des Niets zur Bildung eines vorstehenden Kopfes 64 in Berührung mit dem Bauteil 38, um eine sichere Be festigung der Bauteile vorzusehen, wobei die Fasern des faser verstärkten Niets wiederum gleichmäßig ausgebreitet oder erwei tert und verteilt sind, wie dies bei 16′ im Kopf 64 gezeigt ist, und zwar so wie dies auch der Fall beim Kopf 14 ist.

Wenn die Bauteile 36, 38 Verbundmaterialien sind, bestehend aus einem faserverstärkten Hochtemperatur-Thermoplastmaterial, wie beispielsweise PEEK-Harz, so erwärmt die durch die Heiz pistole 65 erzeugte Wärme zusätzlich zum Stauchen des Endes des Niets 10 zur Bildung des Kopfes 64′ den benachbarten Teil des Bauteils 38, um diesen zu erweichen, und beim Abkühlen der befestigten Anordnung erfolgt die Verfestigung des Nietkopfes 64 und der benachbarten Teile des anstoßenden Bauteils 38, wobei eine im wesentlichen einheitliche Struktur gebildet wird, die eine verbesserte Festigkeit und verbesserte Abdicht eigenschaften besitzt.

Die Fig. 10 und 11 zeigen die Bildung und den Einbau eines Niets gemäß der Erfindung, und zwar beginnend mit einer Stange 66 aus einer Hochtemperatur-Thermoplastharzmatrix 68, wie bei spielsweise "PEEK"-Harz mit darinnen eingebetteten Verstär kungsfasern 70, wie beispielsweise Graphitfasern, die sich durch die Länge der Stange in enger paralleler Beziehung er strecken. Die Stange 66 ist mit Nuten 60 an entgegenge setzten Enden 78 derselben ausgestattet. Die Stange wird durch eine Öffnung 72 in dem Verbundwerkstoff geführt, beispielswei se thermoplastische oder metallische Bauteile 36 und 38, die miteinander verbunden werden sollen, wobei das Verbundteil 36 einen Gegeneinsenkungsteil 74 in der anderen Oberfläche auf weist.

Die Bauteile sind durch (nicht gezeigte) Klammern aneinander befestigt und die konische Spitze 76′ einer Heizpistole 76 wird in Kontakt mit den Nuten 60 an jedem Ende der Stange 66 angeordnet und mit angelegtem Druck betätigt, um die Harz- oder Kunststoffmatrix zu erweichen und die entgegengesetzten Enden der Stange 66 zu stauchen. Auf diese Weise wird ein vor stehender Kopf 80 an einem Ende der Stange 66 gebildet, der an die andere Oberfläche des Bauteils 36 anstößt, und ein Gegen einsenkungskopf 82 wird am anderen Ende der Stange gebildet, der mit dem Gegeneinsenkungsteil 74 des Bauteils 36 in Eingriff steht. In beiden Köpfen 80 und 82 bewirkt die Heizpi stole mit ihrer konischen Spitze die nach außen erfolgende Ausbreitung oder Erweiterung der Fasern 16 und die gleichmäßige Verteilung in der Harzmatrix, um eine Befestigungsvor richtung mit sowohl hoher Scherfestigkeit wie auch hoher Zugfestigkeit zu bilden, wodurch die Bauteile 36 und 38 sicher an einander befestigt werden.

Es sei nunmehr auf die Fig. 12 und 13 Bezug genommen, in denen die Verwendung einer Ultraschallausbreitung zum Stauchen gezeigt ist und die Ausbildung eines Kopfes an einem Niet der Art ge mäß Fig. 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Ultraschaller weiterungswerkzeug oder die Ultraschallerweiterungspistole, die im ganzen mit 84 bezeichnet ist, ein Horn 86 mit einer mittigen konischen Spitze 88. Die Verbundwerkstoff-Bauteile 36 und 38 sind durch den Niet der Fig. 1 zu befestigen. Eine Stützstange 50 ist in Kontakt mit dem Kopf 14 des Niets ange ordnet. Die konische Spitze 88 des Horns 86 wird in Kontakt mit der Mitte am Ende 90 des Niets 10 gebracht und das Ultra schallwerkzeug wird betätigt. Das Grundprinzip des Ultra schallausbreitens umfaßt die Umwandlung der hochfrequenten elektrischen Energie in hochfrequente mechanische Energie in der Form einer hin- und hergehenden Längsbewegung, die an das Horn 86 angelegt wird. Wenn das Horn gegen einen thermoplasti schen Niet gedrückt wird, so wird die Schwingungsenergie auf das Verbindungsgebiet übertragen und erzeugt Reibungswärme an der Horn/Nietgrenzfläche, wodurch eine gesteuerte lokalisierte Erweichung und ein Schmelzen des Harzes oder Kunststoffs am Widerstandspunkt erfolgt. Das hohe Profil der Hornspitze wei tet die Fasern auf die gewünschte Form auf, und wenn die Schwingungen aufhören, verfestigt sich der Nietkopf wieder und die Fasern 16 im Kopf 92 sind gleichmäßig verteilt, wie dies bei 16′′ in Fig. 13 gezeigt ist.

Die Verwendung der Ultraschallausbreitung (der Fasern) ist be vorzugt gegenüber der Verwendung der Wärme- oder Heizpistole zur Bildung eines besser geformten Kopfes, insbesondere in Verbindung mit der Verwendung von Hochtemperatur-Thermoplast material "PEEK" und "PAI", wobei diese Thermoplastmaterialien oder Kunstharze als die Matrix des Nietkörpers verwendet wer den.

Die Fig. 14 und 15 veranschaulichen die Verwendung der Ultra schallausbreitung bei der Ausbildung eines Gegeneinsenkungs nietkopfes. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Verbundbauteil 36 eine Gegeneinsenkungsbohrung 94, und, wie in Fig. 15 gezeigt, bildet das Horn 86 des Ultraschallausbrei tungswerkzeugs einen Kopf 96 an dem Niet, der gegeneingesunken ist und der auch einen vorspringenden Teil besitzt. Wiederum werden die Fasern 16 des Niets ausgebreitet und gleichmäßig im Kopf 96 verteilt, wie dies bei 16′′ gezeigt ist.

Fig. 16 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten thermoplastischen Befestigungsvorrichtung oder eines Niets, wie beispielsweise des Niets 24 der Fig. 3 mit einem konischen Gegeneinsenkungskopf. Ein Werkzeug 98 ist vorgesehen mit einer mittigen Longitudinal-Bohrung 100 mit einem Gegeneinsenkungsteil 102, der mit der Bohrung an einem Ende des Werkzeugs in Verbindung steht. Mehrfach-Sägeein schnitte 104 sind zur Steuerung der Nietlänge vorgesehen. Ein faserverstärkter Hochtemperatur-Thermoplastkunststoffschaft 12 ist vorgesehen, und zwar mit Fasern, die sich in paralleler Axialbeziehung erstrecken, wobei die Stange in die Bohrung 100 an einem Ende 103 des Werkzeugs eingesetzt wird und am anderen Ende 105 durch Werkzeug 107 gestoppt wird. Eine Heizpistole der Bauart, wie sie bei 65 in Fig. 9 gezeigt ist, oder aber ein Horn 86 eines Ultraschallschweiß-Werkzeugs, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, wird in das mittige Führungsloch 108 im Werk zeug 107 eingesetzt und die konische Spitze 62 wird in Berüh rung mit einer Mittelnut 108′ am Ende 106 des Schafts 12 ange ordnet, um das Ende der Hochtemperatur-Thermoplastmatrix des Schafts 12 zu stauchen und den Gegeneinsenkungskopf 26 zu bil den und die Fasern nach außen wie bei 16′ gezeigt, auszubrei ten und gleichzeitig die Fasern im Kopf zu verteilen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Nach dem Abkühlen wird eine Säge in einen der Sägeschlitze 104 eingesetzt, um den Niet auf die ge wünschte Länge zuzuschneiden, und der fertige Niet wird sodann durch den Schaft 12 geschoben und aus dem Werkzeug entfernt.

Aus der vorstehenden Beschreibung erkennt man, daß die Erfin dung verbesserte hochfeste Verbundmaterial-Befestigungsvor richtungen, und zwar insbesondere auch mit Fasern verstärkte Be festigungsvorrichtungen vorsieht, und zwar insbesondere Niete mit einem Schaft und einem Kopf integral daran ausgebildet, wobei der Schaft und Kopf eine Hochtemperatur-Thermoplastma trix aufweisen, und zwar insbesondere ein "PEEK"- oder ein "PAI"-Harz, wobei sich ferner Verstärkungsfasern in Längsrich tung oder axial in dichter Parallelbeziehung im Schaft er strecken und wobei die Fasern ferner im Kopf ausgebreitet und gleichmäßig verteilt sind. Die sich ergebenden Befestigungs vorrichtungen haben sowohl eine hohe Zugfestigkeit wie auch eine hohe Scherfestigkeit und sie können zur Befestigung von Bauteilen gestaucht werden; die Bauteile können entweder me tallische oder auch Verbundwerkstoff-Bauteile sein; die Befe stigung erfolgt mittels einer Heizpistole oder insbesondere mittels einer Ultraschallausbreitungsvorrichtung zur Bildung eines zweiten Kopfes, wobei ferner auch die Verstärkungsfasern ausgebreitet und gleichmäßig verteilt werden, so daß sich eine feste versiegelte (abgedichtete) Verbindung ergibt, und zwar insbesondere dort, wo Verbundmaterial-Thermoplastbauteile ver wendet werden. Wenn gewünscht, können die beiden Köpfe während des Einbaus für die Befestigung der Bauteile gebildet werden.

Die Heizpistole und die Ultraschallschweißvorrichtung sind, abgesehen von der Verwendung einer konischen Spitze, an sich bekannt, wobei die konische Spitze dazu verwendet wird, einen Kopf an dem faserverstärkten thermoplastischen Niet auszubil den, und zwar gemäß der Erfindung. Abwandlungen liegen im Rah men der Erfindung.

Claims

1. Verbundmaterial-Befestigungsvorrichtung mit einem Schaft (12) und einem ersten an einem Ende desselben integral ausgebildeten Kopf (14; 20; 26; 30′; 32; 44; 46; 48; 64; 80; 82; 92; 96) und mit kontinuierlichen Verstärkungsfa sern (16), die axial orientiert sind, und zwar im wesent lichen parallel durch den Schaft (12) hindurch und wobei sich die Fasern auffächern und sich kontinuierlich in den Kopf erstrecken und im wesentlichen gleichmäßig darin ver bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß Schaft und Kopf aus einem Hochtemperatur-Thermoplastmatrixmaterial (15) geformt sind, und zwar ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetheretherketonharz und Polyamidimid harz.

2. Verbundmaterial-Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial (15) zur Bildung eines faserverstärkten zweiten Kopfes am anderen Ende des Schaftes durch Wärme zu erweichen ist, wobei die kontinuierlichen Fasern (16) vom Schaft ebenfalls ausge fächert werden und im wesentlichen gleichmäßig in dem zu letzt erwähnten Kopf verbunden sind.

3. Befestigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Kopf ein vorstehender Kopf ist.

4. Befestigungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der erste Kopf ein konischer Kopf ist.

5. Befestigungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß der erste Kopf ein konischer Kopf ist und daß der zweite Kopf ein vorstehender Kopf ist.

6. Befestigungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß der erste Kopf ein vorstehender Kopf und der zweite Kopf ein konischer Kopf ist.

7. Befestigungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Fasern aus der aus Graphit, Bor, Fiberglas und Kevlar-Fasern bestehenden Gruppe aus gewählt sind.

8. Befestigungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung ein Niet ist.