EP3704388A1 - Verbindungselement für faserverbundwerkstoff-bauteile, verfahren zum verbinden von faserverbundwerkstoff-bauteilen, vorrichtung zur verbindung von faserverbundwerkstoff-bauteilen und faserverbundwerkstoff-bauteil-anordnung - Google Patents

Verbindungselement für faserverbundwerkstoff-bauteile, verfahren zum verbinden von faserverbundwerkstoff-bauteilen, vorrichtung zur verbindung von faserverbundwerkstoff-bauteilen und faserverbundwerkstoff-bauteil-anordnung

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Publication number
EP3704388A1
EP3704388A1 EP18792899.9A EP18792899A EP3704388A1 EP 3704388 A1 EP3704388 A1 EP 3704388A1 EP 18792899 A EP18792899 A EP 18792899A EP 3704388 A1 EP3704388 A1 EP 3704388A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber composite
pins
connecting element
sleeve
composite component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18792899.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Patrik Nikolas Dreher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP3704388A1 publication Critical patent/EP3704388A1/de
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    • B29C66/81411—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat
    • B29C66/81421—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat being convex or concave
    • B29C66/81423—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat being convex or concave being concave

Definitions

  • Connecting element for fiber composite components is connected to
  • the invention relates to a connecting element for fiber composite components.
  • the invention further relates to a method for joining fiber composite components.
  • the invention relates to a device for connecting fiber composite components.
  • the invention relates to a fiber composite material component assembly.
  • WO 2016/071335 Al discloses a method for connecting two objects.
  • DE 37 21 717 AI discloses a clamping and clamping element consisting of a mounting bracket and at least one clip, wherein the mounting bracket has a plurality of self-tapping frames, which are connected to the clip by bending.
  • DE 10 2009 056 580 A1 discloses a method for joining thermoplastic fiber composite components by means of pin-shaped functional elements.
  • DE 10 2010 061 301 AI discloses a connecting element for connecting a fiber composite component to a second component, wherein the connecting element has a base body, arranged on which at least one anchoring element for anchoring the connecting element in the fiber composite component and at least one fastening means for fastening with the second component are.
  • GB 2 238 977 A discloses a method for producing a composite material.
  • the invention has for its object to provide a connecting element of the type mentioned, with which can be easily connect fiber composite components.
  • This object is achieved in the above-mentioned connecting element according to the invention in that a plate is provided, and that a plurality of spaced pins are provided, which sit on the plate, wherein the pins are provided for penetration into a matrix material of the fiber composite material, wherein the pins are plastically deformable, and wherein in a fixing position of the connecting element, a pin is oriented by plastic deformation at least partially transverse to a direction of penetration of the corresponding pin in the matrix material and / or at least partially bent relative to its orientation in a starting position and / or at least partially a Has transverse orientation to its orientation in the starting position.
  • the connecting element can be introduced into the fiber composite components via its pins during the production of the connection. Due to the spaced pins, which do not form areas enclosed by semi-hollow punch rivets, there is no local separation of material. In particular, no fibers are severed in the fiber composite, but these are merely displaced; the fibers can dodge and are not damaged.
  • fiber composite components By connecting fiber composite components with connecting elements according to the invention, advantageous crack stop properties result. Furthermore, fiber composite components can be combined with greater tolerances, since the corresponding joining partners do not have to have parallel surfaces across large areas.
  • a corresponding connecting element can be produced in a simple and cost-effective manner.
  • connection can be produced in a simple and cost-effective manner. It is favorable if at least three pins, preferably at least five pins and in particular at least seven pins are provided. This results in a good connectivity. It is particularly advantageous if the pins are spaced apart and in particular evenly spaced on a closed line. For example, they are arranged on a circle. A corresponding connecting element then has the approximate structure of a half-hollow punch rivet, but no area is enclosed. This means that no material has to be separated when penetrating into a joining partner, that is, there is no local separation of material instead. Furthermore, fibers can escape and by this fiber displacement, a separation of fibers can be avoided.
  • a pin has a tapering area at one end, which faces away from the plate.
  • This tapering region can be produced, for example, by one or more wedge surfaces, by a conical or partially conical surface, etc.
  • the tapering area allows easy penetration into matrix material of a fiber composite material (which in particular is heated).
  • a pin has a tapering region parallel to the plate with respect to its cross section, in particular a region with a greater width being closer to an edge of the plate than a region having a smaller width.
  • the pins are connected to the plate and in particular are integrally connected. This results in a connecting element which can be used and produced in a simple manner.
  • at least one barb is disposed on a pin. These barbs form a kind of spines. It can be used to achieve an additional (positive) anchoring. This results in an improved connection between (at least) two fiber composite components.
  • a method for joining fiber composite components with at least one connecting element according to the invention, in which the at least one connecting element from a first side of a fiber composite component assembly in a
  • Direction is pressed from the first side to a second side of the fiber composite component assembly in the fiber composite component assembly, and in which on the second side, a counter-element is or is positioned.
  • the pins can penetrate into the fiber composite material.
  • a plastic deformation can be achieved via the counter element in order to achieve a "hooking" of the pins in the combination of fiber composite components.
  • the counter element is pressed in a direction from the second side to the first side. This allows the plastic deformation of pins can be achieved. Furthermore, a workpiece (the fiber composite component assembly) can be clamped.
  • the fiber composite component assembly is heated and, in particular in the case of thermoplastic matrix material of the fiber composite material of the fiber composite component assembly, heating takes place in a thermoplastic state or flowable state of the matrix material.
  • thermoplastic matrix material of the fiber composite material of the fiber composite component assembly heating takes place in a thermoplastic state or flowable state of the matrix material.
  • the counter element adapted to the at least one connecting element, has a recess for positioning pins.
  • a corresponding depression can be targeted control a positioning of pins.
  • a direction for the plastic deformation, such as by bending, can be achieved thereby.
  • a kind of diversion can be achieved. It is favorable if the depression surrounds a central area in a ring-shaped manner, wherein in particular the central area corresponds to a closed line on which the pin elements are arranged on the plate of the at least one connecting element. It can be specifically controlled the plastic deformation of the pins and thus their position within the fiber composite component assembly.
  • the depression has a decreasing and in particular continuously decreasing depth towards a first edge which faces the central region and / or the depression leads to a second edge which is remote from the central region, has a decreasing and in particular continuous decreasing depth.
  • the counter element is movably guided on a first sleeve, which is placed in particular on the fiber composite component assembly on the second side, in particular, the counter element and / or the first sleeve is heated and / or heated.
  • a workpiece (the fiber composite component assembly) can be clamped in a defined manner via the first sleeve (in correspondence in particular with a second sleeve) and the corresponding connection process can be carried out.
  • the counter element can be guided in a defined manner by the first sleeve in order to achieve a defined, spatially controlled optimized positioning of a connecting element with plastically deformed pins.
  • a targeted heating can be carried out in order to soften the matrix material of the fiber composite material and bring it above its consolidation temperature, for example.
  • the at least one connecting element is pressed over a punch in the direction from the first side to the second side, wherein in particular the punch is guided on a second sleeve, which on the first side faces the fiber composite.
  • material component assembly is placed, in particular, the punch and / or the second sleeve is heated and / or heated.
  • a workpiece can be clamped between the first sleeve and the second sleeve.
  • the second sleeve can also be used as a guide for the stamp.
  • the punch exerts the necessary compressive force to push a connector into the fiber composite component assembly.
  • This second heating element which may also be the stamp, is used in particular to heat a large surface area, and in particular to heat a region in which then subsequently a connecting element is pressed.
  • a height of pins of the at least one connecting element above the associated plate is higher than or equal to a height (thickness) of the fiber composite component assembly. This achieves a good connection. Furthermore, it can be easily recognized whether one or more pins are broken during the connection process.
  • pins of the at least one connecting element are bent by plastic deformation in comparison to an initial state and lie in the matrix material of the fiber composite material of the fiber composite component arrangement. In particular, they have such a bend that a deflection area is present. For example, when two fiber composite components are to be interconnected, it is advantageous for pins to be in both the first fiber composite component and the second fiber composite component to achieve a secure connection.
  • a device for connecting fiber composite components is a pressing device for pressing a
  • the invention provides a connecting element, and a counter element (die) is provided for deforming pins of the connecting element.
  • the method according to the invention can be carried out on the device according to the invention.
  • the device according to the invention can be used to carry out the method according to the invention.
  • the counter element is guided in a first sleeve and / or a punch of the pressing device is guided in a second sleeve, and in particular a heating device is arranged on at least one of the following: the counter element, the punch, the first sleeve , the second sleeve, a heating element, which is guided on the second sleeve.
  • a heating device is arranged on at least one of the following: the counter element, the punch, the first sleeve , the second sleeve, a heating element, which is guided on the second sleeve.
  • stamp and press the counter element a connecting element in the fiber composite component assembly and it can be a plastic deformation of pins reach.
  • Leaves over the at least one heater make matrix material of the fiber composite "soft". This in turn can be achieved in a simple manner, a pressing of the connecting element. Fibers in the fiber composite material can be displaced and it is a separation prevented.
  • a fiber composite component assembly comprising at least two fiber composite components, which are interconnected, wherein the connection is made with at least one connecting element according to the invention.
  • connection may also be a cohesive connection at interfaces between two fiber composite components. This connection is achieved in particular via thermoplastic welding.
  • Figure 1 is a schematic (partial sectional) view of two fiber composite components, which are connected via an embodiment of a connecting element according to the invention
  • Figure 2 is a first perspective view of an embodiment of a connecting element
  • Figure 3 is another perspective view of the connecting element according to Figure 2;
  • Figure 4 is a schematic view of an embodiment of a
  • FIGS. 5 to 7 show various method steps for producing the connection with the device according to FIG. 4;
  • FIG. 8 schematically shows a manufactured connection (similar to FIG.
  • FIG. 9 shows a first perspective view of a further embodiment of a connecting element
  • FIG. 10 shows a second perspective view of the connecting element according to FIG. 9;
  • Figure 11 is a first perspective view of another embodiment of a connecting element
  • FIG. 12 shows a second perspective view of the connecting element according to FIG. 11;
  • FIG. 13 shows a first perspective view of a further exemplary embodiment of a connecting element
  • a fiber composite component arrangement according to the invention which is shown schematically in FIG. 1 and designated 10, comprises (at least) a first fiber composite component 12 and a second fiber composite component 14.
  • the first fiber composite component 12 and the second fiber composite component 14 are produced from a fiber composite material 16 (cf., FIG. 4) which comprises a matrix material 18 and is fiber-reinforced via fibers 20. strengthens.
  • the fibers 20 may, for example, be single fibers or be present in a woven fabric, knitted fabric or the like.
  • the matrix material 18 is in particular a thermoplastic material such as PEEK (polyetheretherketone).
  • first fiber composite component 12 and the second fiber composite component 14 may be made of the same material with respect to matrix material 18 and fibers 20 or of different materials with regard to matrix material 18 and / or fibers 20.
  • the first fiber composite component 12 and the second fiber composite component 14 are interconnected via one and in particular a plurality of connecting elements 22.
  • a connecting element 22 is a type of rivet.
  • a connecting element 22 (FIGS. 2 and 3) comprises a plate 24.
  • the plate 24 has a first side 26 and an opposite second side 28.
  • first side 26 is planar.
  • the second side 28 is particularly flat.
  • first side 26 and the second side 28 are parallel to each other.
  • the plate 24 is formed for example in the manner of a circular disk.
  • the first side 26 forms a contact surface on the first fiber composite component 12.
  • the second side 28 forms in the manufacture of the fiber composite component assembly 10 with connection via the at least one connecting element 22, a pressure surface for pressing the connecting element 22 in the fiber composite material Components 12 and 14.
  • the plate 24 may be rounded in particular on the second side 28 in order to avoid sharp edges or the like on the second side 28.
  • On the plate 28 sit a plurality of pins 30. The pins 30 are spaced from each other.
  • this line 32 is a circular line.
  • the closed line 32 is parallel spaced in the embodiment according to the figures 2 and 3 to an edge 34 of the plate 24.
  • the pins 30 are in particular evenly spaced on the plate 24, that is, a distance between adjacent pins 30 is the same for all pins ,
  • a pin 30 projects transversely to the first side 26 beyond the plate 24 also.
  • a pin 30 is oriented perpendicular to the first side 26 of the plate 24.
  • a pin 30 has at one end 36, which is facing away from the plate 24, a tapering region 38.
  • This tapering region 38 is formed, for example, over a wedge surface (FIGS. 2, 3). It can also be formed over a plurality of wedge surfaces or, for example, via a conical tip (cf.
  • the taper region 38 serves to facilitate penetration into the fiber composite components 12, 14.
  • the number of pins 30 is preferably at least three and more preferably at least five and in particular at least seven.
  • a height H of the pins 30 corresponds to a height D (thickness D) of the fiber composite component assembly 10 (see Figure 1), or this height H is greater than the thickness D.
  • the height H of the pins 30th is greater than the thickness D and in particular is slightly larger than the thickness D, then can easily control whether pins 30 are broken in the process of making the connection. It is possible that all pins 30 have the same height H, or that different heights H are provided for different pins 30.
  • the thickness D of the produced fiber composite component assembly 10 is composed of the sum of the thicknesses di of the first
  • Fiber composite component 12 and d 2 of the second fiber composite component 14 A typical order of magnitude for the thickness di and d 2 is 1 to 3 mm.
  • FIGS. 2, 3 show an even number of pins 30. These are positioned on the line 32. Connecting lines 40 between diametrically opposed pins 30 intersect at a point 42 which is a midpoint of the line 32. This results in a uniform force distribution.
  • the connecting element 22 is in particular made of a metallic material.
  • the pins 30 are plastically deformable. FIGS. 2, 3 show an initial state of the connecting element 22. Due to the plastic deformability, the pins 30 can change their orientation relative to the initial state. In particular, they can be bent at least in certain areas (while bending relative to the plate 24). Relative to a penetration direction 44 of the connecting element 22 into a fiber composite component 12 or 14 (indicated in FIG.
  • the pins 30 can be oriented transversely, at least in regions. Relative to the starting position, which is in particular perpendicular to the plate 24, the pins 30 can be provided at least in regions by plastic deformation with a transverse orientation.
  • 1 shows a fixing position of the connecting element 22 is shown, in which the pins 30 are bent to the plate 24 and with respect to the initial position shown in Figures 2, 3.
  • the pins 30 are arranged and formed on the plate 24 in particular such that a plastic deformability of the pins 30 (a bendability) is present, which is from the line 32 to the outside (toward the edge 34 out). In particular, there is a bendability in a radial
  • a welding may also be present at an interface 48 between the fiber composite components 12 and 14.
  • An exemplary embodiment of a device 50 for connecting fiber composite components 12, 14 (wherein more than two fiber composite components can also be connected to one another) comprises a punch 52 (FIG. 6), via which a connecting element 22 with its pins 30 in fiber composite components 12, 14 can be pressed by penetrating the pins 30 in the direction of penetration 44 into the corresponding matrix material 18 and with displacement of fibers 20, if they should be the pins 30 in the way.
  • the punch 52 is associated with a counter element 54 (die).
  • a fiber composite component assembly 56 prior to connection has a first one
  • Page 58 and an opposite second side 60 It is provided that a connecting element 22 is positioned on the first side 58 and the punch 52 is moved in a direction 62 from the first side 58 to the second side 60 to the connecting element 22 with the penetration direction 44 of the pins 30 in the matrix material 18 of the fiber composite material component assembly 56 to bring.
  • the counter element 54 is positioned on the second side 60 in order to be able to act as a counter element.
  • the counter element 54 to be pressed against the fiber composite component arrangement 56 in a direction 64 which is an opposite direction to the direction 62 and a direction from the second side 60 to the first side 58 becomes.
  • a first sleeve 66 is provided.
  • the first sleeve 66 is intended for positioning on the second side 60.
  • the first sleeve 66 has a guide recess 68 in which the counter-element 54 is displaceably guided.
  • the first sleeve 66 is configured in particular ring-shaped, for example in the form of a circular ring.
  • the guide recess 68 is in particular formed as a hollow cylinder.
  • the counter element 54 is then in particular cylindrical.
  • the first sleeve 66 is provided for fixed positioning on the second side 60.
  • the counter element 54 can then be guided in the direction 64 and thereby press against the fiber composite component assembly 56.
  • the counter element 54 comprises a heating device 70.
  • the fiber composite component assembly can be heated so that in particular a consolidation temperature for the matrix material 18 can be achieved.
  • the heating preferably takes place via the heating device 70 such that matrix material 18 can be brought into a "soft" or flowable state.
  • the first sleeve 66 has a heating device 72 in order to achieve the same heating effect.
  • a second sleeve 74 is provided which serves for positioning on the first side 58.
  • the second sleeve 74 is formed in particular in the form of a cylinder ring.
  • a workpiece can be clamped between the first sleeve 66 and the second sleeve 74.
  • the second sleeve 74 has a guide recess 76.
  • the guide recess 76 is adapted to the dimensions of the connecting element 22 and thereby of the plate 24. This can be through the guide recess 66 pass to bring the pins 30 in the fiber composite component assembly 56 can.
  • the second sleeve 74 forms a positioning template for the connecting element 22.
  • the guide recess 76 serves to guide the punch 52 and the punch 52 to be able to act on the plate 24 (on the second side 28) to the connecting element 22 with its pins To be able to press 30 in the fiber composite component assembly 57.
  • the second sleeve 74 has a heating device 78, via which the fiber composite component assembly 56 can be heated from the first side 58 forth.
  • a heating element 80 may be provided (FIGS. 4, 5), which likewise has a heating device 82. It is particularly provided to guide this heating element 80 into the guide recess 76 to the area on the fiber composite component assembly 56, which is not touched by the second sleeve 74 and thus not in thermal
  • the heating element 80 is used before the connecting element 22 is brought into the guide recess 76 and pressed with the punch 52 in the fiber composite component assembly 56.
  • the heating element 80 may be formed by the punch 52 or be separated from it. In principle, it is possible that the punch 52 itself has a heating device, and thus in particular heats the connecting element 22, which is then preferably made of a metallic material.
  • the method according to the invention for producing the fiber composite component assembly 10 with connected first fiber composite component 12 and second fiber composite component 14 by one or more connection elements 22 made of the fiber composite component assembly 56 before the connection takes place as follows:
  • the first fiber composite component 12 and the second fiber composite component 14 are placed against each other. It may be provided that, as mentioned above, the interface 48 between the first fiber composite component 12 and the second fiber composite component 14 is heated and in particular a flat welded joint is performed.
  • the first sleeve 66 is then applied to the device 50 on the second side 60 of the fiber composite component assembly 56 (prior to connection). Further, the second sleeve 74 is applied and thereby clamped the corresponding workpiece.
  • the first sleeve 66 and the second sleeve 74 have in particular at least approximately the same transverse measurements and are aligned with each other.
  • the counter element 54 is brought into the guide recess 68 and guided to the second side 60.
  • the heating element 80 is brought into the guide recess 76 and guided to the first side 58.
  • PEEK is used as the matrix material 18, it is heated to about 400 ° C. to correspondingly reach the consolidation temperature of the matrix material 18.
  • the connecting element 22 is heated.
  • the counter element 54 is firmly positioned in this method step, that is to say in such a way that it can not escape in the direction 62.
  • Anchor fiber composite component 12 and the second fiber composite component 14 are achieved the connection.
  • the first side 26 of the plate 24 rests against the first side 58 of the first fiber composite component 12 and further penetration is prevented.
  • a fixing position 84 (see Figure 8)
  • the pins 30 are bent in comparison to the starting position (see Figure 6). In certain regions, they have a transverse orientation to the penetration direction 44 and are partially oriented transversely to this initial position.
  • the counter-element 54 has a depression 88 which annularly surrounds a central region 90. This depression 88 is bounded by a first edge 92 towards the central region 90 and bounded by a second edge 94 towards an outer side of the counter element 54.
  • the central region 90 is adapted in its transverse dimensions to the plate 24 (and thereby to the guide recess 76 and the punch 52).
  • the central region 90 has a slightly smaller diameter than the plate 24, in particular in the case of a disk-shaped configuration of the plate 24.
  • a depth T of the depression 88 decreases continuously towards the first edge 92 and decreases continuously towards the second edge 94. Between the first edge 92 and the second edge 94, the recess 88 has its greatest depth. In particular, edges and the like are avoided on the recess 88.
  • the recess 88 is aligned with the position of the pins 30 on a connecting element 22.
  • the indentation 88 provides for a corresponding adaptation to the connecting element 22 with the arrangement of its pins 30 for a targeted guidance of the plastic deformation of the pins 30 and in particular for a deflection for a purposeful bending.
  • the central region 90 preferably corresponds to the line 32 and, in particular, these are aligned with respect to the direction 62 in alignment with one another.
  • the method according to the invention is composed of a stamped riveting of the connecting element 22 with elements of a thermoplastic welding process in which the matrix material 18 is brought above its consolidation temperature in order to be thermoplastic or to be free-flowing. Characterized in that a plurality of spaced pins 30 are arranged on the plate 24, no local separation takes place at the fiber composite components 12, 14; it is a completely enclosed area as avoided in semi-hollow punching.
  • fibers 20 can be displaced; a separation of fibers 20 is thereby avoided.
  • the heating of the matrix material 18 supports this displacement process by lowering the viscosity of the matrix material 18.
  • the plastic deformation of the pins 30 allows for optimized positioning of the pins 30 in the fiber composite 16 of the fiber composite component assembly 10.
  • the pins 30 can, so to speak, catch in and thus provide the connection.
  • a cohesive connection can also be made at the interface 58 by previously performed thermoplastic welding process, or by appropriate heating during the "Rivietungsreaes" by connecting elements 22.
  • the connection via a connecting element 22 can be produced without the need for pre-drilling. As a result, no chips are created which cause contamination of the environment.
  • fiber composite components 12, 14 can be produced with relatively high tolerances in the joining partners, since not necessarily parallel or exactly parallel surfaces must be present.
  • a connecting element 22 can be produced in a simple manner. It may be made, for example, from a deep-drawing steel or from an alloy such as Ti-6AI-4V.
  • a device 50 for producing a connection can be designed in a structurally simple manner and used universally.
  • Fiber composite component assemblies 10 which have been produced by the method according to the invention or with the aid of connecting elements 22 according to the invention can be used in many fields such as aircraft construction, automobile construction, sports equipment construction and the like. Basically, all fiber composite components with thermoplastic
  • the arrangement and formation of the pins 30 on the plate 24 and the number of pins 30 depends on the particular application.
  • FIG. 9 Figures 9, 10 98 pins 100 are arranged on a plate. In their initial position, these pins 100 project vertically away from the plate 98.
  • a pin 100 has, relative to a cross section 102 parallel to the plate 98, a tapering region 104. At this taper region 104, a width 106 to an edge 108 of the plate 98 is greater than a width 110 to a center.
  • a web 100 is, for example, at least approximately triangular.
  • such a tapered region 104 extends over an entire height of a pin 100 to a tapered region at one end.
  • the tapering region 104 in the cross-section 102 is used in the
  • a plate 116 is provided, on which pins 118 in one Starting position protrude vertically upwards away.
  • a pin 108 has a circular cross-section and is provided at one end 120 with a tip 122; At the end 120, a tapering region 124 is formed which leads to the tip 122.
  • the pins 118 are arranged in particular spaced on a circular line.
  • a plate 128 is provided, on which an initial state pins 130 project vertically upwards.
  • the pins 130 have a circular cross section and a tapering region 132 in the region of an end facing away from the plate 128.
  • a barb is formed in the manner of a spike, which projects transversely from the pin 130 from.
  • Such a barb 134 has, for example, a triangular shape.
  • the barbs 134 cause a surface enlargement of the combination of pin 130 with barbs 134th
  • the barbs 134 provide additional positive locking in consolidated matrix material 18.
  • barbs 134 are disposed circumferentially around the pin 130. These can be arranged at different heights based on the distance to the plate 128.
  • a barb 134 has a first flank 138 and a second flank 140 relative to a skirt 136 of a pin 130.
  • the first flank 138 is arranged and formed so that it lies at an obtuse angle 142 (greater than 180 °) to the jacket 136.
  • the first edge 138 is facing away from the plate 128th
  • the second flank 140 faces the plate 128. It lies in particular at an acute angle 144 to the casing 136.
  • the arrangement of the first edge 138 at the obtuse angle 142 facilitates the penetration of a pin 130 upon insertion into the fiber composite component assembly 56.

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Abstract

Es wird ein Verbindungselement für Faserverbundwerkstoff-Bauteile (12, 14) vorgeschlagen, welches einen Teller (24), und eine Mehrzahl von beabstandeten Stiften (30), welche an dem Teller (24) sitzen, umfasst, wobei die Stifte (30) zum Eindringen in ein Matrixmaterial (18) des Faserverbundwerkstoffs vorgesehen sind, wobei die Stifte (30) plastisch verformbar sind, und wobei in einer Fixierungsstellung des Verbindungselements ein Stift (30) durch plastische Verformung mindestens bereichsweise quer zu einer Eindringrichtung (44) des entsprechenden Stifts (30) in das Matrixmaterial (18) orientiert ist und/oder mindestens bereichsweise bezogen zu seiner Orientierung in einer Ausgangsstellung gebogen ist und/oder mindestens bereichsweise eine Querorientierung zu seiner Orientierung in der Ausgangsstellung aufweist.

Description

Verbindungselement für Faserverbundwerkstoff-Bauteile, Verfahren zum Verbinden von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen, Vorrichtung zur
Verbindung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen und
Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für Faserverbundwerkstoff- Bauteile.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verbinden von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbindung von Faserver- bundwerkstoff-Bauteilen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Faserverbund Werkstoff- Bauteil- Anordnung . In dem Artikel "STRENGTH OF SELF-PIERCING RIVETED JOINTS FOR
CFRP/ALUMINIUM SHEETS" von L. Kroll et al., 18th International Conference on Composite Materials sind Verbindungstechnologien für Hybridmaterialien und Strukturen beschrieben. Die JP 2013-039672 A offenbart ein Verbindungsverfahren für ein Harzteil .
Die WO 2016/071335 AI offenbart ein Verfahren zur Verbindung zweier Gegenstände. Die DE 37 21 717 AI offenbart ein Klemm- und Spannelement, bestehend aus einer Befestigungsklammer und mindestens einem Clip, wobei die Befestigungsklammer mehrere selbstschneidende Zargen aufweist, die mit dem Clip durch Umbiegen verbunden sind. Die DE 10 2009 056 580 AI offenbart ein Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Faserverbundbauteilen mittels stiftförmiger Funktionselemente.
Die DE 10 2010 061 301 AI offenbart ein Verbindungselement zum Verbinden eines Faserverbundbauteils mit einem zweiten Bauteil, wobei das Verbindungselement einen Grundkörper aufweist, an dem zumindest ein Verankerungselement zum Verankern des Verbindungselements im Faser- verbundbauteil und zumindest ein Befestigungsmittel zum Befestigen mit dem zweiten Bauteil angeordnet sind.
Die GB 2 238 977 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Komposit- Materials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich auf einfache Weise Faserverbundwerkstoff-Bauteile verbinden lassen. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verbindungselement erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Teller vorgesehen ist, und dass eine Mehrzahl von beabstandeten Stiften vorgesehen sind, welche an dem Teller sitzen, wobei die Stifte zum Eindringen in ein Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs vorgesehen sind, wobei die Stifte plastisch verformbar sind, und wobei in einer Fixierungsstellung des Verbindungselements ein Stift durch plastische Verformung mindestens bereichsweise quer zu einer Eindringrichtung des entsprechenden Stifts in das Matrixmaterial orientiert ist und/oder mindestens bereichsweise bezogen auf seine Orientierung in einer Ausgangsstellung gebogen ist und/oder mindestens bereichsweise eine Quer- Orientierung zu seiner Orientierung in der Ausgangsstellung aufweist.
Das Verbindungselement lässt sich über seine Stifte während der Herstellung der Verbindung in die Faserverbundwerkstoff-Bauteile einführen. Durch die beabstandeten Stifte, welche nicht wie bei Halbhohlstanznieten umschlossene Bereiche bilden, erfolgt keine lokale Abtrennung von Material. Insbesondere werden in dem Faserverbundwerkstoff keine Fasern durchtrennt, sondern diese werden lediglich verdrängt; die Fasern können ausweichen und werden nicht beschädigt.
Durch die plastische Deformierbarkeit der Stifte lässt sich eine Verankerung des Verbindungselements in den Faserverbundwerkstoff-Bauteilen erreichen und diese lassen sich dadurch relativ zueinander fixieren.
Zur Herstellung der Verbindung sind keine Vorbohrungen notwendig und es entstehen dadurch auch keine Spänekontaminationen in der Umgebung .
Über Verbindung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen mit erfindungsgemäßen Verbindungselementen ergeben sich vorteilhafte Rissstoppereigenschaften. Weiterhin lassen sich Faserverbundwerkstoff-Bauteile mit größeren Toleranzen verbinden, da die entsprechenden Fügepartner nicht über große Abmessungen hinweg parallele Flächen aufweisen müssen.
Ein entsprechendes Verbindungselement lässt sich auf einfache und kosten- günstige Weise herstellen.
Ferner lässt sich eine Verbindung auf einfache und kostengünstige Weise herstellen. Günstig ist es, wenn mindestens drei Stifte, vorzugsweise mindestens fünf Stifte und insbesondere mindestens sieben Stifte vorgesehen sind. Es ergibt sich dadurch eine gute Verbindbarkeit. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stifte beabstandet und insbesondere gleichmäßig beabstandet auf einer geschlossenen Linie angeordnet sind . Beispielsweise sind sie auf einer Kreislinie angeordnet. Ein entsprechendes Verbindungselement hat dann die ungefähre Struktur einer Halbhohl- stanzniete, wobei aber kein Bereich umschlossen ist. Dies führt dazu, dass beim Eindringen in einen Fügepartner kein Material getrennt werden muss, das heißt es findet keine lokale Abtrennung von Material statt. Weiterhin können Fasern ausweichen und durch diese Faserverdrängung lässt sich eine Durchtrennung von Fasern vermeiden.
Günstig ist es, wenn ein Stift einen Verjüngungsbereich an einem Ende, welcher zu dem Teller abgewandt ist, aufweist. Dieser Verjüngungsbereich kann beispielsweise durch eine oder mehrere Keilflächen, durch eine konische oder teilkonische Fläche usw. hergestellt sein. Der Verjüngungsbereich er- möglicht ein leichtes Eindringen in Matrixmaterial eines Faserverbundwerkstoffs (welches insbesondere erwärmt ist).
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist ein Stift bezogen auf seinen Querschnitt parallel zu dem Teller einen Verjüngungsbereich auf, wobei insbe- sondere ein Bereich mit größerer Breite näher zu einem Rand des Tellers liegt als ein Bereich mit kleinerer Breite. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Richtung für die plastische Verformung und damit für eine Art von Biegung eines Stifts vorgeben. Insbesondere lässt sich dadurch auf einfache Weise erreichen, dass sich ein Stift bei entsprechender Kraftausübung von einem zentralen Bereich des Tellers weg nach außen biegt, um so eine effektive Verankerung zu erhalten und damit wiederum eine gute Verbindung zwischen Faserverbundwerkstoff-Bauteilen zu erreichen.
Günstig ist es, wenn die Stifte mit dem Teller verbunden sind und insbe- sondere einstückig verbunden sind . Dadurch ergibt sich ein Verbindungselement, welches auf einfache Weise nutzbar und herstellbar ist. Bei einer Ausführungsform ist an einem Stift mindestens ein Widerhaken angeordnet. Diese Widerhaken bilden eine Art von Dorne. Über ihn lässt sich eine zusätzliche (formschlüssige) Verankerung erreichen. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Verbindung zwischen (mindestens) zwei Faserverbundwerkstoff- Bauteilen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Verbinden von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen mit mindestens einem erfindungsgemäßen Verbindungselement bereitgestellt, bei dem das mindestens eine Verbindungselement von einer ersten Seite einer Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung her in einer
Richtung von der ersten Seite zu einer zweiten Seite der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung gedrückt wird, und bei dem an der zweiten Seite ein Gegenelement positioniert ist oder wird .
Es wird zunächst ein Verbindungselement in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung eingeführt. Die Stifte können in den Faserverbundwerkstoff eindringen. Über das Gegenelement lässt sich eine plastische Verformung erreichen, um eine "Verhakung" der Stifte in der Kombination von Faserver- bundwerkstoff-Bauteilen zu erreichen.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Gegenelement in einer Richtung von der zweiten Seite zu der ersten Seite gedrückt wird . Dadurch lässt sich die plastische Verformung von Stiften erreichen. Ferner lässt sich ein Werkstück (die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung) einspannen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Faserverbundwerkstoff-Bauteil- Anordnung beheizt wird und insbesondere bei thermoplastischem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der Faserverbundwerkstoff-Bauteil- Anordnung eine Erwärmung in einem thermoplastischen Zustand oder fließfähigen Zustand des Matrixmaterials erfolgt. Insbesondere erfolgt eine
Erhitzung über eine Konsolidierungstemperatur. Dadurch lassen sich auf einfache Weise die Stifte in den Faserverbundwerkstoff einführen. Fasern können ausweichen und werden nicht durchtrennt. Dies wird unterstützt durch die erhöhte Viskosität des Matrixmaterials. Nach anschließender Konsolidierung ergibt sich eine feste Verbindung mit ausgezeichneten Rissstoppereigenschaften. Darüber hinaus kann an einer Grenzfläche zwischen Faserver- bundwerkstoff-Bauteilen auch noch eine zusätzliche stoffschlüssige Verbindung in Art eines thermoplastischen Verschweißens erreicht werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Gegenelement angepasst an das mindestens eine Verbindungselement eine Vertiefung zur Positionierung von Stiften auf. Durch eine entsprechende Vertiefung lässt sich gezielt eine Positionierung von Stiften steuern. Beispielsweise kann dadurch eine Richtung für die plastische Verformung wie beispielsweise durch Biegung erreicht werden. Ferner lässt sich auch eine Art von Umlenkung erreichen. Günstig ist es dann, wenn die Vertiefung ringförmig einen zentralen Bereich umgibt, wobei insbesondere der zentrale Bereich mit einer geschlossenen Linie korrespondiert, auf welcher die Stiftelemente an dem Teller des mindestens einen Verbindungselements angeordnet sind . Es lässt sich so gezielt die plastische Verformung der Stifte und damit deren Position innerhalb der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung steuern.
Es ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn die Vertiefung zu einem ersten Rand hin, welcher dem zentralen Bereich zugewandt ist, eine sich verringernde und insbesondere sich kontinuierlich verringernde Tiefe aufweist und/oder die Vertiefung zu einem zweiten Rand, welcher von dem zentralen Bereich abgewandt ist, eine sich verringernde und insbesondere sich kontinuierliche verringernde Tiefe aufweist. Es sind so Kanten und dergleichen vermieden. Es lässt sich so auf einfache Weise eine gezielte Verbiegung der Stifte erreichen. Bei einer Ausführungsform ist das Gegenelement beweglich an einer ersten Hülse geführt, welche insbesondere auf die Faserverbundwerkstoff-Bauteil- Anordnung an der zweiten Seite aufgesetzt ist, wobei insbesondere das Gegenelement und/oder die erste Hülse beheizbar ist und/oder beheizt wird . Über die erste Hülse (in Korrespondenz insbesondere mit einer zweiten Hülse) lässt sich ein Werkstück (die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung) auf definierte Weise einspannen und es lässt sich der entsprechende Verbindungs- prozess durchführen. Ferner lässt sich durch die erste Hülse das Gegen- element definiert führen, um eine definierte, räumlich gesteuerte optimierte Positionierung eines Verbindungselements mit plastisch verformten Stiften zu erreichen. Weiterhin lässt sich eine gezielte Beheizung durchführen, um Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs weich zu machen und beispielsweise über seine Konsolidierungstemperatur zu bringen.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das mindestens eine Verbindungselement über einen Stempel in der Richtung von der ersten Seite zu der zweiten Seite gedrückt wird, wobei insbesondere der Stempel an einer zweiten Hülse geführt wird, welche an der ersten Seite auf die Faserverbund- werkstoff-Bauteil-Anordnung aufgesetzt ist, wobei insbesondere der Stempel und/oder die zweite Hülse beheizbar ist und/oder beheizt wird . Zwischen der ersten Hülse und der zweiten Hülse lässt sich ein Werkstück einspannen. Die zweite Hülse kann ferner als Führung für den Stempel benutzt werden. Der Stempel übt die notwendige Druckkraft aus, um ein Verbindungselement in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung zu drücken.
Günstig ist es, wenn an der zweiten Hülse ein Heizelement führbar ist und/oder geführt wird . Dieses zweite Heizelement, welches auch der Stempel sein kann, wird insbesondere eingesetzt, um einen großen Oberflächenbereich aufzuheizen, und insbesondere einen Bereich aufzuheizen, in welchen dann anschließend ein Verbindungselement gedrückt wird.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Höhe von Stiften des mindestens einen Verbindungselements über dem zugeordneten Teller höher oder gleich ist wie eine Höhe (Dicke) der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung . Dadurch wird eine gute Verbindung erreicht. Ferner lässt es sich auf einfache Weise erkennen, ob ein oder mehrere Stifte während des Verbindungsvorgangs abgebrochen sind. Es ist insbesondere vorgesehen, dass bei hergestellter Verbindung Stifte des mindestens einen Verbindungselements im Vergleich zu einem Ausgangszustand durch plastische Verformung gebogen sind und im Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung liegen. Insbesondere weisen sie eine derartige Umbiegung auf, dass ein Umlenkungs- bereich vorhanden ist. Wenn beispielsweise zwei Faserverbundwerkstoff-Bauteile miteinander zu verbinden sind, dann ist es vorteilhaft, wenn Stifte sowohl in dem ersten Faserverbundwerkstoff-Bauteil als auch in dem zweiten Faser- verbundwerkstoff-Bauteil liegen, um eine sichere Verbindung zu erreichen.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verbindung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen ist eine Presseinrichtung zum Einpressen eines
erfindungsgemäßen Verbindungselements vorgesehen, und es ist ein Gegen- element (Matrize) zur Verformung von Stiften des Verbindungselements vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich an der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich verwenden, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Gegenelement in einer ersten Hülse geführt ist und/oder ein Stempel der Presseinrichtung in einer zweiten Hülse geführt ist, und insbesondere ist eine Heizeinrichtung an mindestens einer der folgenden Einrichtungen angeordnet: dem Gegenelement, dem Stempel, der ersten Hülse, der zweiten Hülse, einem Heizelement, welches an der zweiten Hülse geführt ist. Dadurch lässt sich insbesondere ein Werkstück zwischen der ersten Hülse und der zweiten Hülse einpressen. Ferner lässt sich über den
Stempel und das Gegenelement ein Verbindungselement in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung einpressen und es lässt sich eine plastische Verformung von Stiften erreichen. Über die mindestens eine Heizeinrichtung lässt sich Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs "weich" machen. Dadurch wiederum lässt sich auf einfache Weise ein Einpressen des Verbindungselements erreichen. Fasern im Faserverbundwerkstoff können verdrängt werden und es wird eine Durchtrennung verhindert.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung bereitgestellt, umfassend mindestens zwei Faserverbundwerkstoff- Bauteile, welche miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung mit mindestens einem erfindungsgemäßen Verbindungselement erfolgt.
Zusätzlich kann auch noch eine stoffschlüssige Verbindung an Grenzflächen zwischen zwei Faserverbundwerkstoff-Bauteilen vorliegen. Diese Verbindung wird insbesondere über thermoplastisches Schweißen erreicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung
Es zeigen :
Figur 1 Eine schematische (Teilschnitt-)Ansicht von zwei Faserverbundwerkstoff-Bauteilen, welche über ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbindungselements verbunden sind;
Figur 2 eine erste perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verbindungselements;
Figur 3 eine andere perspektivische Darstellung des Verbindungselements gemäß Figur 2; Figur 4 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer
Vorrichtung zur Verbindung von Faserverbundwerkstoff- Bauteilen; Figuren 5 bis 7 verschiedene Verfahrensschritte zur Herstellung der Verbindung mit der Vorrichtung gemäß Figur 4;
Figur 8 schematisch eine hergestellte Verbindung (ähnlich zu Figur
i ) ;
Figur 9 eine erste perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verbindungselements; Figur 10 eine zweite perspektivische Ansicht des Verbindungselements gemäß Figur 9;
Figur 11 eine erste perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verbindungselements;
Figur 12 eine zweite perspektivische Ansicht des Verbindungselements gemäß Figur 11;
Figur 13 eine erste perspektivische Ansicht eines weiteren Aus- führungsbeispiels eines Verbindungselements; und
Figur 14 eine zweite perspektivische Ansicht des Verbindungselements gemäß Figur 13. Eine erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung, welche in Figur 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst (mindestens) ein erstes Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 und ein zweites Faserverbundwerkstoff-Bauteil 14. Das erste Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 und das zweite Faserverbundwerkstoff-Bauteil 14 sind aus einem Faserverbundwerkstoff 16 hergestellt (vgl. Figur 4), welcher ein Matrixmaterial 18 umfasst und über Fasern 20 faserver- stärkt ist. Die Fasern 20 können beispielsweise Einzelfasern sein oder in einem Gewebe, Gewirke oder dergleichen vorliegen.
Das Matrixmaterial 18 ist insbesondere ein thermoplastisches Material wie beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon).
Grundsätzlich können das erste Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 und das zweite Faserverbundwerkstoff-Bauteil 14 aus dem gleichen Material bezüglich Matrixmaterial 18 und Fasern 20 oder aus unterschiedlichen Materialien bezüglich Matrixmaterial 18 und/oder Fasern 20 hergestellt sein.
Das erste Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 und das zweite Faserverbundwerkstoff-Bauteil 14 sind über ein und insbesondere mehrere Verbindungselemente 22 miteinander verbunden. Ein Verbindungselement 22 ist eine Art von Niet.
Ein Verbindungselement 22 (Figuren 2 und 3) umfasst einen Teller 24. Der Teller 24 weist eine erste Seite 26 und eine gegenüberliegende zweite Seite 28 auf.
Bei einer Ausführungsform ist die erste Seite 26 eben ausgebildet. Die zweite Seite 28 ist insbesondere eben ausgebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen die erste Seite 26 und die zweite Seite 28 parallel zueinander.
Der Teller 24 ist beispielsweise in Art einer Kreisscheibe ausgebildet.
Die erste Seite 26 bildet eine Anlagefläche an das erste Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12. Die zweite Seite 28 bildet bei der Herstellung der Faserver- bundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 10 mit Verbindung über das mindestens eine Verbindungselement 22 eine Druckfläche zum Pressen des Verbindungselements 22 in die Faserverbundwerkstoff-Bauteile 12 und 14. Der Teller 24 kann insbesondere an der zweiten Seite 28 abgerundet ausgebildet sein, um scharfe Kanten oder dergleichen an der zweiten Seite 28 zu vermeiden. An dem Teller 28 sitzen eine Mehrzahl von Stiften 30. Die Stifte 30 sind beabstandet zueinander.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Stifte 30 beabstandet auf einer geschlossenen Linie 32 (Figur 3) sitzen. Diese Linie 32 ist bei einem Aus- führungsbeispiel (Figuren 2, 3) eine Kreislinie.
Die geschlossene Linie 32 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 und 3 parallel beabstandet zu einem Rand 34 des Tellers 24. Die Stifte 30 sind insbesondere gleichmäßig beabstandet an dem Teller 24 angeordnet, das heißt ein Abstand zwischen benachbarten Stiften 30 ist für alle Stifte gleich.
Ein Stift 30 ragt quer zu der ersten Seite 26 über den Teller 24 hinaus weg .
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Stift 30 senkrecht zu der ersten Seite 26 des Tellers 24 orientiert.
Ein Stift 30 weist an einem Ende 36, welches abgewandt zu dem Teller 24 ist, einen Verjüngungsbereich 38 auf. Dieser Verjüngungsbereich 38 ist beispielsweise über eine Keilfläche (Figuren 2, 3) gebildet. Er kann auch über mehrere Keilflächen gebildet sein oder beispielsweise über eine Kegelspitze (vgl .
Figuren 9 bis 12). Der Verjüngungsbereich 38 dient zum Erleichtern des Eindringens in die Faserverbundwerkstoff-Bauteile 12, 14. Die Anzahl der Stifte 30 beträgt vorzugsweise mindestens drei und besonders bevorzugt mindestens fünf und insbesondere mindestens sieben.
Bei dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zehn Stifte 30 vorhanden.
Grundsätzlich richtet sich die Anzahl der Stifte 30 und ihre Abmessungen sowie die Abmessungen des Tellers 24 an die Anwendung, das heißt an die Faserverbundwerkstoff-Bauteile 12, 14, die miteinander zu verbinden sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform entspricht eine Höhe H der Stifte 30 einer Höhe D (Dicke D) der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 10 (vgl. Figur 1), oder diese Höhe H ist größer als die Dicke D. Wenn die Höhe H der Stifte 30 größer ist als die Dicke D und insbesondere etwas größer ist als die Dicke D, dann kann auf einfache Weise eine Kontrolle erfolgen, ob Stifte 30 beim Herstellungsprozess der Verbindung abgebrochen sind . Es ist dabei möglich, dass alle Stifte 30 die gleiche Höhe H aufweisen, oder dass unterschiedliche Höhen H für unterschiedliche Stifte 30 vorgesehen sind .
Die Dicke D der hergestellten Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 10 setzt sich zusammen als Summe der Dicken di des ersten
Faserverbundwerkstoff-Bauteils 12 und d2 des zweiten Faserverbundwerkstoff- Bauteils 14. Eine typische Größenordnung für die Dicken di und d2 liegt bei 1 bis 3 mm.
Bei dem Verbindungselement 22 gemäß den Figuren 2, 3 ist eine gerade Anzahl von Stiften 30 vorgesehen. Diese sind auf der Linie 32 positioniert. Verbindungslinien 40 zwischen diametral gegenüberliegenden Stiften 30 schneiden sich in einem Punkt 42, welcher ein Mittelpunkt der Linie 32 ist. Es ergibt sich so eine gleichmäßige Kraftverteilung. Das Verbindungselement 22 ist insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt. Die Stifte 30 sind plastisch verformbar. In den Figuren 2, 3 ist ein Ausgangszustand des Verbindungselements 22 gezeigt. Durch die plastische Verformbarkeit können die Stifte 30 ihre Orientierung bezogen auf den Ausgangszustand ändern. Sie lassen sich insbesondere mindestens bereichsweise biegen (und dabei relativ zu dem Teller 24 biegen). Bezogen auf eine Eindringrichtung 44 des Verbindungselements 22 in ein Faserverbundwerkstoff- Bauteil 12 beziehungsweise 14 (angedeutet in Figur 2) lassen sich die Stifte 30 mindestens bereichsweise quer orientieren. Bezogen auf die Ausgangsstellung, welche insbesondere senkrecht zu dem Teller 24 ist, lassen sich die Stifte 30 mindestens bereichsweise durch plastische Verformung mit einer Querorientierung versehen. In Figur 1 ist eine Fixierungsstellung des Verbindungselements 22 gezeigt, bei welcher die Stifte 30 zu dem Teller 24 und bezogen auf die Ausgangsstellung gemäß den Figuren 2, 3 gebogen sind.
Durch die plastische Verformbarkeit und Biegung der Stifte 30 können diese beim Eindringen in ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 beziehungsweise 14 an Fasern 20 vorbeigeführt werden und es kann eine Verankerung in den Faserverbundwerkstoff-Bauteilen 12, 14 erfolgen, wodurch eine Verbindung zwischen diesen möglich ist, um die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 10 herzustellen.
Die Stifte 30 sind an dem Teller 24 insbesondere derart angeordnet und ausgebildet, dass eine plastische Verformbarkeit der Stifte 30 (eine Biegbarkeit) vorliegt, welche von der Linie 32 nach außen weg (in Richtung zu dem Rand 34 hin) erfolgt. Es liegt insbesondere eine Biegbarkeit in einer radialen
Richtung 46 (Figur 3) weg von dem Punkt 42 vor. Zusätzlich zu der Verbindung mit den Verbindungselementen 22 kann auch noch eine Verschweißung an einer Grenzfläche 48 zwischen den Faserverbundwerkstoff-Bauteilen 12 und 14 vorliegen. Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 50 (Figuren 4 bis 7) zur Verbindung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen 12, 14 (wobei auch mehr als zwei Faserverbundwerkstoff-Bauteile miteinander verbunden werden können), umfasst einen Stempel 52 (Figur 6), über welchen ein Verbindungselement 22 mit seinen Stiften 30 in Faserverbundwerkstoff-Bauteile 12, 14 gedrückt werden kann unter Eindringen der Stifte 30 in der Eindringrichtung 44 in das entsprechende Matrixmaterial 18 und unter Verdrängung von Fasern 20, falls diese den Stiften 30 im Weg sein sollten.
Dem Stempel 52 ist ein Gegenelement 54 (Matrize) zugeordnet. Eine Faser- verbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 vor der Verbindung hat eine erste
Seite 58 und eine gegenüberliegende zweite Seite 60. Es ist vorgesehen, dass ein Verbindungselement 22 an der ersten Seite 58 positioniert wird und der Stempel 52 in einer Richtung 62 von der ersten Seite 58 zu der zweiten Seite 60 bewegt wird, um das Verbindungselement 22 mit der Eindringrichtung 44 der Stifte 30 in das Matrixmaterial 18 der Faserverbund Werkstoff- Bauteil- Anordnung 56 zu bringen.
Das Gegenelement 54 wird an der zweiten Seite 60 positioniert, um eben als Gegenelement wirken zu können.
Es kann dabei insbesondere auch vorgesehen sein, dass das Gegenelement 54 in einer Richtung 64, welche eine Gegenrichtung zu der Richtung 62 ist, und einer Richtung von der zweiten Seite 60 zu der ersten Seite 58 entspricht, gegen die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 gepresst wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine erste Hülse 66 vorgesehen. Die erste Hülse 66 ist zur Positionierung an der zweiten Seite 60 bestimmt. Die erste Hülse 66 weist eine Führungsausnehmung 68 auf, in welcher das Gegenelement 54 verschieblich geführt ist. Die erste Hülse 66 ist insbesondere ringförmig ausgestaltet beispielsweise in Form eines Kreisrings. Die Führungsausnehmung 68 ist insbesondere hohlzylindrisch ausgebildet. Das Gegen- element 54 ist dann insbesondere zylindrisch ausgebildet.
Die erste Hülse 66 ist zur festen Positionierung an der zweiten Seite 60 vorgesehen. In der Führungsausnehmung 68 lässt sich dann das Gegenelement 54 in der Richtung 64 führen und dabei an die Faserverbundwerkstoff-Bauteil- Anordnung 56 anpressen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Gegenelement 54 eine Heizeinrichtung 70. Über diese Heizeinrichtung 70 ist die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung derartig erwärmbar, dass insbesondere eine Konsolidierungs- temperatur für das Matrixmaterial 18 erreicht werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Heizung über die Heizeinrichtung 70 derart, dass Matrixmaterial 18 in einen "weichen" beziehungsweise fließfähigen Zustand gebracht werden kann. Es kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die erste Hülse 66 eine Heizeinrichtung 72 aufweist, um die gleiche Erwärmungswirkung zu erzielen.
Bei einer Ausführungsform ist eine zweite Hülse 74 vorgesehen, welche zur Positionierung an der ersten Seite 58 dient. Die zweite Hülse 74 ist insbesondere in Form eines Zylinderrings ausgebildet.
Ein Werkstück lässt sich zwischen der ersten Hülse 66 und der zweiten Hülse 74 einspannen.
Die zweite Hülse 74 weist eine Führungsausnehmung 76 auf. Die Führungsausnehmung 76 ist angepasst an die Abmessungen des Verbindungselements 22 und dabei des Tellers 24. Dieses lässt sich durch die Führungsausnehmung 66 hindurchführen, um die Stifte 30 in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 bringen zu können. Die zweite Hülse 74 bildet eine Positionierschablone für das Verbindungselement 22. Ferner dient die Führungsausnehmung 76 dazu, den Stempel 52 zu führen und mit dem Stempel 52 den Teller 24 (an der zweiten Seite 28) beaufschlagen zu können, um das Verbindungselement 22 mit seinen Stiften 30 in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 57 pressen zu können. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die zweite Hülse 74 eine Heizeinrichtung 78 aufweist, über welche die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 von der ersten Seite 58 her beheizbar ist.
Es kann ferner ein Heizelement 80 vorgesehen sein (Figuren 4, 5), welches ebenfalls eine Heizeinrichtung 82 aufweist. Es ist insbesondere vorgesehen, dieses Heizelement 80 in die Führungsausnehmung 76 zu führen, um den Bereich an der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56, welcher nicht von der zweiten Hülse 74 berührt wird und damit nicht in thermischem
Kontakt mit dieser steht, zu heizen. Dadurch wird das Heizelement 80 in der Führungsausnehmung 76 an die erste Seite 58 für einen thermischen Kontakt gedrückt.
Das Heizelement 80 wird benutzt, bevor das Verbindungselement 22 in die Führungsausnehmung 76 gebracht wird und mit dem Stempel 52 in die Faser- verbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 gedrückt wird.
Das Heizelement 80 kann dabei durch den Stempel 52 gebildet sein oder von diesem getrennt sein. Grundsätzlich ist es möglich, dass der Stempel 52 selber eine Heizeinrichtung aufweist, und so insbesondere das Verbindungselement 22, welches dann vorzugsweise aus einem metallischen Material ist, heizt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Faserverbundwerkstoff- Bauteil-Anordnung 10 mit verbundenem ersten Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 und zweiten Faserverbundwerkstoff-Bauteil 14 durch eine oder mehrere Verbindungselemente 22 aus der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 vor der Verbindung erfolgt wie folgt:
Das erste Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 und das zweite Faserverbundwerkstoff-Bauteil 14 werden aneinander gelegt. Es kann dabei vorgesehen sein, dass, wie oben erwähnt, die Grenzfläche 48 zwischen dem ersten Faserverbundwerkstoff-Bauteil 12 und dem zweiten Faserverbundwerkstoff-Bauteil 14 erhitzt wird und insbesondere eine flächige Schweißverbindung durchgeführt wird. Es wird dann an der Vorrichtung 50 die erste Hülse 66 an die zweite Seite 60 der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 (vor der Verbindung) angelegt. Ferner wird die zweite Hülse 74 angelegt und dabei das entsprechende Werkstück eingespannt. Die erste Hülse 66 und die zweite Hülse 74 weisen insbesondere mindestens näherungsweise gleiche Quermessungen auf und sind fluchtend zueinander ausgerichtet.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass diese aneinander gepresst werden.
Es wird das Gegenelement 54 in die Führungsausnehmung 68 gebracht und an die zweite Seite 60 geführt. Das Heizelement 80 wird in die Führungsausnehmung 76 gebracht und an die erste Seite 58 geführt. Es erfolgt eine Beheizung, um den entsprechenden Faserverbundwerkstoff zu erwärmen und dabei das Matrixmaterial 18 zu erwärmen, so dass dieses in einem thermoplastischen Zustand ist beziehungsweise fließfähig ist. Wenn beispielsweise PEEK als Matrixmaterial 18 verwendet wird, dann erfolgt eine Erhitzung auf circa 400°C, um entsprechend die Konsolidierungstemperatur des Matrixmaterials 18 zu erreichen. Parallel dazu wird das Verbindungselement 22 erhitzt.
Es wird dann durch die Führungsausnehmung 76 ein Verbindungselement 22 zu der ersten Seite 58 geführt und mit dem Stempel 52 in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 gedrückt. Die Stifte 30 dringen in der Eindringrichtung 44 in das Matrixmaterial 18 ein.
Fasern 20 werden, wenn sie in den Bereich der Stifte 30 kommen, verdrängt, und dabei nicht durchtrennt. Durch die Erwärmung ist die Viskosität des Matrixmaterials 18 so verringert, dass eben dieses Ausweichen der Fasern 20 ermöglicht ist.
Das Gegenelement 54 ist bei diesem Verfahrensschritt fest positioniert, das heißt derart, dass es nicht in der Richtung 62 ausweichen kann.
Wenn die Stifte 30 das Gegenelement 54 beaufschlagen (direkt oder mit Matrixmaterial 18 dazwischen), werden diese plastisch verformt (Figur 7) und bezogen auf den Ausgangszustand werden die Stifte 30 umgebogen (Figur 7). Diese können sich dadurch im Matrixmaterial 18 sowohl des ersten
Faserverbundwerkstoff-Bauteils 12 als auch des zweiten Faserverbundwerkstoff-Bauteils 14 verankern und es wird die Verbindung erreicht.
Die erste Seite 26 des Tellers 24 liegt dabei an der ersten Seite 58 des ersten Faserverbundwerkstoff-Bauteils 12 an und es wird ein weiteres Eindringen verhindert. In einer Fixierungsstellung 84 (vgl. Figur 8) sind die Stifte 30 im Vergleich zu der Ausgangsstellung (vgl. Figur 6) gebogen. Sie weisen bereichsweise eine Querorientierung zu der Eindringrichtung 44 auf und sind bereichsweise eben quer orientiert zu dieser Ausgangsstellung. Durch die Erhitzung der Faserverbundwerkstoff-Bauteile 12, 14 kann auch, wenn zuvor keine Schweißverbindung erfolgt ist, eine stoffschlüssige Verbindung an der Grenzfläche 48 erfolgen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Gegenelement 54 an einer Seite 86, welche der zweiten Seite 60 der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 46 bei der Herstellung der Verbindung zugewandt ist, eine Vertiefung 88 auf, welche ringförmig einen zentralen Bereich 90 umgibt. Diese Vertiefung 88 ist durch einen ersten Rand 92 zu dem zentralen Bereich 90 hin begrenzt, und durch einen zweiten Rand 94 zu einer Außenseite des Gegenelements 54 hin begrenzt.
Der zentrale Bereich 90 ist in seinen Querabmessungen an den Teller 24 an- gepasst (und dadurch an die Führungsausnehmung 76 beziehungsweise den Stempel 52). Der zentrale Bereich 90 weist insbesondere bei einer kreisscheibenförmigen Ausbildung des Tellers 24 einen etwas kleineren Durchmesser auf als der Teller 24. Eine Tiefe T der Vertiefung 88 verkleinert sich zu dem ersten Rand 92 hin kontinuierlich und verkleinert sich zu dem zweiten Rand 94 hin kontinuierlich. Zwischen dem ersten Rand 92 und dem zweiten Rand 94 weist die Vertiefung 88 ihre größte Tiefe auf. Es sind insbesondere Kanten und dergleichen an der Vertiefung 88 vermieden.
Die Vertiefung 88 ist ausgerichtet auf die Position der Stifte 30 an einem Verbindungselement 22.
Wenn ein Verbindungselement 22 in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-An- Ordnung 56 gedrückt wird (Figur 6), dann können die Stifte 30 in die Vertiefung 88 ausweichen und dort eine Art von Umlenkung erfahren (Figur 7). Es lässt sich so eine Art von Widerhakenpositionierung in der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 56 erreichen, um eben in der Faserverbundwerkstoff- Bauteil-Anordnung 10 die Faserverbundwerkstoff-Bauteile 12, 14 miteinander zu verbinden.
Die Vertiefung 88 sorgt über entsprechende Anpassung an das Verbindungs- element 22 mit der Anordnung seiner Stifte 30 für eine gezielte Führung der plastischen Verformung der Stifte 30 und insbesondere für eine Umlenkung für eine gezielte Verbiegung .
Vorzugsweise korrespondiert der zentrale Bereich 90 mit der Linie 32 und ins- besondere sind diese bezogen auf die Richtung 62 fluchtend zueinander ausgerichtet.
Es kann vorgesehen sein, dass nach Positionierung des Verbindungselements 22 mit seinen Stiften 30 zur Abkühlung des Werkstücks eine definierte Ab- kühlung des Gegenelements 54 beziehungsweise der ersten Hülse 66 beziehungsweise der zweiten Hülse 74 mit dem Heizelement 80, welches jetzt als Kühlelement wirkt, erfolgt, um eine Konsolidierung der Fügepartner 12 und 14 zu erreichen. Das Ergebnis ist dann die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 10 (Figur 1 beziehungsweise Figur 8).
Das erfindungsgemäße Verfahren setzt sich zusammen aus einem Stanznieten des Verbindungselements 22 mit Elementen eines Thermoplastschweißver- fahrens, in dem das Matrixmaterial 18 über seine Konsolidierungstemperatur gebracht wird, um eben thermoplastisch zu sein beziehungsweise fließfähig zu sein. Dadurch, dass mehrere beabstandete Stifte 30 an dem Teller 24 angeordnet sind, findet keine lokale Abtrennung an den Faserverbundwerkstoff- Bauteilen 12, 14 statt; es ist ein vollständig umschlossener Bereich wie beim Halbhohlstanznieten vermieden.
Über die Stifte 30 können Fasern 20 verdrängt werden; eine Durchtrennung von Fasern 20 wird dadurch vermieden. Die Erwärmung des Matrixmaterials 18 unterstützt diesen Verdrängungsprozess über Erniedrigung der Viskosität des Matrixmaterials 18.
Die plastische Verformung der Stifte 30 ermöglicht eine optimierte Positio- nierung der Stifte 30 in dem Faserverbundwerkstoff 16 der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 10. Die Stifte 30 können sich gewissermaßen darin verfangen und so für die Verbindung sorgen .
Zusätzlich zur mechanischen Verbindung über ein Verbindungselement 22 kann auch noch eine stoffschlüssige Verbindung an der Grenzfläche 58 durch vorher durchgeführtes thermoplastisches Schweißverfahren, oder durch entsprechende Erhitzung während des "Vernietungsprozesses" durch Verbindungselemente 22 erfolgen. Die Verbindung über ein Verbindungselement 22 lässt sich herstellen, ohne dass eine Vorbohrung erfolgen muss. Dadurch entstehen auch keine Späne, welche eine Kontamination der Umgebung verursachen.
Durch vorhandene Verbindungselemente 22 erhält man für eine hergestellte Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung 10 sehr gute Rissstoppereigenschaften, das heißt die Ausbreitung von Rissen lässt sich begrenzen.
Weiterhin lassen sich Faserverbundwerkstoff-Bauteile 12, 14 mit relativ hohen Toleranzen bei den Fügepartnern herstellen, da nicht unbedingt parallele beziehungsweise exakt parallele Flächen vorhanden sein müssen.
Ein Verbindungselement 22 lässt sich auf einfache Weise herstellen. Es kann beispielsweise aus einem Tiefziehstahl oder aus einer Legierung wie Ti-6AI-4V hergestellt sein.
Eine Vorrichtung 50 zur Herstellung einer Verbindung lässt sich auf konstruktiv einfache Weise ausbilden und universell einsetzen. Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnungen 10, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise mit Hilfe von erfindungsgemäßen Verbindungselementen 22 hergestellt worden sind, lassen sich in vielen Gebieten wie Flugzeugbau, Automobilbau, Sportgerätebau usw. einsetzen. Grundsätzlich lassen sich alle Faserverbundwerkstoff-Bauteile mit thermoplastischem
Matrixmaterial 18 verbinden.
Wie oben erwähnt, hängt die Anordnung und Ausbildung der Stifte 30 an dem Teller 24 sowie die Anzahl der Stifte 30 von der jeweiligen Anwendung ab.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements 96
(Figuren 9, 10) sind an einem Teller 98 Stifte 100 angeordnet. In ihrer Ausgangsstellung ragen diese Stifte 100 senkrecht von dem Teller 98 weg. Ein Stift 100 weist bezogen auf einen Querschnitt 102 parallel zu dem Teller 98 einen Verjüngungsbereich 104 auf. An diesem Verjüngungsbereich 104 ist eine Breite 106 zu einem Rand 108 des Tellers 98 größer als eine Breite 110 zu einem Zentrum.
Im Querschnitt 102 ist ein Steg 100 beispielsweise mindestens näherungs- weise dreieckförmig.
Insbesondere erstreckt sich ein solcher Verjüngungsbereich 104 über eine gesamte Höhe eines Stifts 100 bis in einen Verjüngungsbereich an einem Ende.
Der Verjüngungsbereich 104 im Querschnitt 102 dient dazu, bei der
plastischen Verformung ein Biegen nach außen (von einem Zentrum 112 weg) zu erreichen. Durch den Verjüngungsbereich 104 lässt sich eine Biegerichtung vorgeben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements 114 (Figuren 11, 12) ist ein Teller 116 vorgesehen, an welchem Stifte 118 in einer Ausgangsstellung senkrecht nach oben weg ragen. Ein Stift 108 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist an einem Ende 120 mit einer Spitze 122 versehen; an dem Ende 120 ist ein Verjüngungsbereich 124 gebildet, welcher zu der Spitze 122 führt.
Die Stifte 118 sind insbesondere auf einer Kreislinie beabstandet angeordnet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements 126 (Figuren 13, 14) ist ein Teller 128 vorgesehen, an welchem ein Ausgangszu- stand Stifte 130 senkrecht nach oben ragen.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Stifte 130 einen kreisrunden Querschnitt auf und einen Verjüngungsbereich 132 im Bereich eines zu dem Teller 128 abgewandten Endes.
An den Stiften 130 sitzen eine Mehrzahl von Widerhaken 134.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Widerhaken in Art einer Dorne gebildet, welche quer von dem Stift 130 ab ragt.
Ein solcher Widerhaken 134 weist beispielsweise eine dreieckförmige Gestalt auf.
Die Widerhaken 134 bewirken eine Oberflächenvergrößerung der Kombination aus Stift 130 mit Widerhaken 134.
Die Widerhaken 134 sorgen für eine zusätzliche formschlüssige Fixierung in konsolidiertem Matrixmaterial 18. Insbesondere sind umfänglich um den Stift 130 verteilt Widerhaken 134 angeordnet. Diese können dabei auf unterschiedlichen Höhen bezogen auf den Abstand zu dem Teller 128 angeordnet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Widerhaken 134 bezogen auf einen Mantel 136 eines Stifts 130 eine erste Flanke 138 und eine zweite Flanke 140 auf. Die erste Flanke 138 ist dabei so angeordnet und ausgebildet, dass sie in einem stumpfen Winkel 142 (größer als 180°) zu dem Mantel 136 liegt. Die erste Flanke 138 ist dabei abgewandt zu dem Teller 128.
Die zweite Flanke 140 ist zugewandt zu dem Teller 128. Sie liegt insbesondere in einem spitzen Winkel 144 zu dem Mantel 136.
Die Anordnung der ersten Flanke 138 in dem stumpfen Winkel 142 erleichtert das Eindringen eines Stifts 130 beim Einführen in die Faserverbundwerkstoff- Bauteil-Anordnung 56.
Bezugszeichenliste Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung
Erstes Faserverbundwerkstoff-Bauteil
Zweites Faserverbund Werkstoff- Bauteil
Faserverbundwerkstoff
Matrixmaterial
Fasern
Verbindungselement
Teller
Erste Seite
Zweite Seite
Stifte
Linie
Rand
Ende
Verjüngungsbereich
Verbindungslinie
Punkt
Eindringeinrichtung
Radialer Bereich
Grenzfläche
Vorrichtung
Stempel
Gegenelement
Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung vor/bei Verbindung Erste Seite
Zweite Seite
Richtung
Richtung
Erste Hülse
Führungsausnehmung Heizeinrichtung
Heizeinrichtung
Zweite Hülse
Führungsausnehmung
Heizeinrichtung
Heizelement
Heizeinrichtung
Fixierungsstellung
Seite
Vertiefung
Zentraler Bereich
Erster Rand
Zweiter Rand
Verbindungselement
Teller
Stifte
Querschnitt
Verjüngungsbereich
Breite
Rand
Breite
Zentrum
Verbindungselement
Teller
Stift
Ende
Spitze
Verjüngungsbereich
Verbindungselement
Teller
Stift
Verjüngungsbereich
Widerhaken Mantel
Erste Flanke Zweite Flanke Stumpfer Winkel Spitzer Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungselement für Faserverbundwerkstoff-Bauteile (12, 14),
umfassend einen Teller (24; 98; 116; 128), und eine Mehrzahl von beabstandeten Stiften (30; 100; 118; 130), welche an dem Teller (24; 98; 116; 128) sitzen, wobei die Stifte (30; 100; 118; 130) zum Eindringen in ein Matrixmaterial (18) des Faserverbundwerkstoffs vorgesehen sind, wobei die Stifte (30; 100; 118; 130) plastisch verformbar sind, und wobei in einer Fixierungsstellung des Verbindungselements ein Stift (30; 100; 118; 130) durch plastische Verformung mindestens bereichsweise quer zu einer Eindringrichtung (44) des entsprechenden Stifts (30; 100; 118; 130) in das Matrixmaterial (18) orientiert ist und/oder mindestens bereichsweise bezogen zu seiner Orientierung in einer Ausgangsstellung gebogen ist und/oder mindestens bereichsweise eine Querorientierung zu seiner Orientierung in der Ausgangsstellung aufweist.
2. Verbindungselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
mindestens drei Stifte (30; 100; 118; 130), vorzugsweise mindestens fünf Stifte (30; 100; 118; 130) und insbesondere durch mindestens sieben Stifte (30; 100; 118; 130).
3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (30; 100; 118; 130) beabstandet und insbesondere gleichmäßig beabstandet auf einer geschlossenen Linie (32) angeordnet sind .
4. Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Stift (30; 100; 118; 130) einen Verjüngungsbereich (38; 104; 124; 132) an einem Ende (36), welcher zu dem Teller (24; 98; 116; 128) abgewandt ist, aufweist.
5. Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stift (100) bezogen auf seinen Querschnitt (102) parallel zu dem Teller (98) einen Verjüngungsbereich (104) aufweist, wobei insbesondere ein Bereich mit größerer Breite (106) näher zu einem Rand (108) des Tellers (98) liegt als ein Bereich mit kleinerer Breite (110).
6. Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (30; 100; 118; 130) mit dem Teller (24; 98; 116; 128) verbunden sind und insbesondere einstückig verbunden sind.
7. Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass an einem Stift (130) mindestens ein Widerhaken (134) angeordnet ist.
8. Verfahren zum Verbinden von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen (12; 14) mit mindestens einem Verbindungselement (22; 96; 114; 126) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Verbindungselement (22; 96; 114; 126) von einer ersten Seite (58) einer Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung (56) her in einer Richtung (60) von der ersten Seite (58) zu einer zweiten Seite (60) der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung (56) in die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung (56) gedrückt wird, und an der zweiten Seite (60) ein Gegenelement (54) positioniert ist oder wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (54) in einer Richtung von der zweiten Seite (60) zu der ersten Seite (58) gedrückt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung (56) beheizt wird und insbesondere bei thermoplastischem Matrixmaterial (18) des Faserverbundwerkstoffs der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung eine Erwärmung in einen thermoplastischen Zustand oder fließfähigen Zustand des Matrixmaterials (18) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (54) angepasst an das mindestens eine Verbindungselement (22; 96; 114; 126) eine Vertiefung (98) zur Positionierung von Stiften (30; 100; 118; 130) aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (88) ringförmig einen zentralen Bereich (90) umgibt, wobei insbesondere der zentrale Bereich (90) mit einer geschlossenen Linie (32) korrespondiert, auf welcher die Stifte (30; 100; 118; 130) an dem Teller (24; 98; 116; 128) des mindestens einen Verbindungselements (22; 96; 114; 126) angeordnet sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (88) zu einem ersten Rand (92) hin, welcher dem zentralen Bereich (90) zugewandt ist, eine sich verringernde und insbesondere sich kontinuierlich verringernde Tiefe aufweist und/oder dass die Vertiefung (88) zu einem zweiten Rand (94) hin, welcher von dem
zentralen Bereich (90) abgewandt ist, eine sich verringernde und insbesondere sich kontinuierlich verringernde Tiefe aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (54) beweglich an einer ersten Hülse (66) geführt wird, welche insbesondere auf die Faserverbundwerksoff-Bauteil- Anordnung (56) an der zweiten Seite (60) aufgesetzt ist, wobei insbesondere das Gegenelement (54) und/oder die erste Hülse (66) beheizbar ist und/oder beheizt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (22; 96; 114; 126) über einen Stempel (52) in der Richtung (62) von der ersten Seite (58) zu der zweiten Seite (60) gedrückt wird, wobei insbesondere der Stempel (52) an einer zweiten Hülse (74) geführt wird, welche an der ersten Seite (58) auf die Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung (56) aufgesetzt ist, wobei insbesondere der Stempel (52) und/oder die zweite Hülse (74) beheizbar ist und/oder beheizt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der
zweiten Hülse (74) ein Heizelement (80) führbar ist und/oder geführt wird .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (H) von Stiften (30; 100; 118; 130) des mindestens einen Verbindungselements (22; 96; 114; 126) über dem zugeordneten Teller (24; 98; 116; 128) höher oder gleich ist wie eine Höhe (D) der Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung (56; 10).
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei hergestellter Verbindung Stifte (30; 100; 118; 130) des mindestens einen Verbindungselements (22; 96; 114; 126) im Vergleich zu ihrem Ausgangszustand gebogen sind und im Matrixmaterial (18) des Faserverbundwerkstoffs der Faserverbundwerkstoff- Bauteil-Anordnung (10) liegen.
19. Vorrichtung zur Verbindung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen, umfassend eine Presseinrichtung (52) zum Einpressen eines Verbindungselements (22; 96; 114; 126) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in eine Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung (56), und ein Gegenelement (54) zur Verformung von Stiften (30; 100; 118; 130) des Verbindungselements (22; 96; 114; 126).
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gegenelement (54) in einer ersten Hülse (66) geführt ist und/oder ein Stempel (52) der Presseinrichtung in einer zweiten Hülse (74) geführt ist, und insbesondere eine Heizeinrichtung (70; 72; 78; 82) an mindestens einer der folgenden Einrichtungen angeordnet ist: dem Gegenelement (54), dem Stempel (52), der ersten Hülse (66), der zweiten Hülse (74), einem Heizelement (80), welches in der zweiten Hülse (74) geführt ist.
21. Faserverbundwerkstoff-Bauteil-Anordnung, umfassend mindestsens zwe Faserverbundwerkstoff-Bauteile (12, 14), welche mit mindestens einem Verbindungselement (22; 96; 114; 126) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 verbunden sind.
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