WO2013185980A1 - Befestigungselement und verfahren zu dessen montage - Google Patents

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WO2013185980A1
WO2013185980A1 PCT/EP2013/059284 EP2013059284W WO2013185980A1 WO 2013185980 A1 WO2013185980 A1 WO 2013185980A1 EP 2013059284 W EP2013059284 W EP 2013059284W WO 2013185980 A1 WO2013185980 A1 WO 2013185980A1
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WO
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fiber composite
composite component
fastening element
sleeve
conical
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PCT/EP2013/059284
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Dustin Flock
Jörg Jonas
Carina LAWS
Axel Koever
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Johnson Controls Gmbh
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    • Y10T29/49947—Assembling or joining by applying separate fastener
    • Y10T29/49954—Fastener deformed after application

Definitions

  • the invention relates to a fastening element for the positive, material and / or non-positive arrangement and / or in a fiber composite component according to the features of the preamble of claim 1, a method for mounting a fastener to and / or in a fiber composite component according to the features of the preamble of claim 5 and a fiber composite component with at least one fastening element according to the features of the preamble of claim 10.
  • Fiber composite components by means of screwing, riveting and / or
  • Such fiber composite components are, for example, fiber-reinforced thermoplastic sheets.
  • Object of the present invention is an improved over the prior art fastener for positive, material and / or non-positive arrangement of and / or in a fiber composite component, an improved over the prior art method for mounting a fastener and / or in a fiber composite component and to provide a comparison with the prior art improved fiber composite component with at least one fastener.
  • the object is achieved by a fastener for positive, material and / or non-positive arrangement and / or in a fiber composite component with the features of claim 1, a method for mounting a fastener to and / or in a
  • An inventive fastening element for positive, material, and / or non-positive arrangement on and / or in a fiber composite component comprises a sleeve-like portion, wherein at a first end of the sleeve-like portion, a holding portion is formed, which is angled from the sleeve-like portion such that a Outer diameter of the fastener is increased by the holding portion. That is, the holding portion is so from the sleeve-like portion
  • the fastener is in an assembly process in the
  • Fiber composite component is significantly improved.
  • the holding portion of the sleeve-like portion is angled substantially at right angles. In this way is the
  • Holding portion flat on the first side of the fiber composite component, at least when the fastener was pressed in starting from the first side of the fiber composite component perpendicular thereto or pressed.
  • the holding portion forms a plane bearing surface in order to allow the flat as possible and full-surface concerns on the first side of the fiber composite component.
  • the sleeve-like portion has an internal thread.
  • the sleeve-like portion may also have a through hole without an internal thread, for example, to arrange a screw, a bolt or an axle therein.
  • the fastening element is preferably formed of a metallic material, whereby it is sufficiently stable to withstand occurring loads during assembly in the fiber composite component and during a subsequent use of the fiber composite component. Furthermore, this allows the heating of the fastening element to a temperature which is above the melting temperature of the thermoplastic matrix of the fiber composite component, so that this Way the impressions or pressing of the fastener is made possible in the fiber composite component.
  • a metallic material whereby it is sufficiently stable to withstand occurring loads during assembly in the fiber composite component and during a subsequent use of the fiber composite component. Furthermore, this allows the heating of the fastening element to a temperature which is above the melting temperature of the thermoplastic matrix of the fiber composite component, so that this Way the impressions or pressing of the fastener is made possible in the fiber composite component.
  • thermoresistant materials possible, which withstand such temperatures, which are required for pressing or pressing, at least for the short indention time or press-fit.
  • a combination of metal and another material is possible.
  • the fastening element has a surface structuring on the outside in the region of the sleeve-like section.
  • This allows a particularly good positive, material and / or non-positive connection of the fastening element with the fiber composite component, since the fibers and the matrix of the fiber composite component surround the sleeve-like portion on the outside and thereby cling in the surface structuring.
  • the surface structuring is formed for example as a grain and / or corrugation.
  • the fastening element is so at least partially
  • sleeve-like portion of the fastening element projects beyond, abuts the second end of the fastening element on a base surface of the conical or conical portion and a diameter of the base surface of the conical or conical portion substantially one
  • Outer diameter of the sleeve-like portion of the fasteningiatas corresponds.
  • the fastening element and the joining tool designed, for example, as a joining mandrel are then pressed or pressed into the fiber composite component in such a way that the conical or conical section of the joining tool completely penetrates the fiber composite component from a first side to a second side and the sleeve-like section of the fastening element penetrates into the fiber-reinforced component
  • Fiber composite component penetrates until a second contact surface of the
  • Holding portion of the fastener rests against a first side of the fiber composite component, preferably rests flat.
  • connection made possible by the method according to the invention, high forces can be transmitted which occur, for example, on vehicle seats in the event of a crash.
  • Conventional connecting elements either have to be intricately embedded in the manufacturing process of the fiber composite component in selbigem or be arranged screwing destruction of the fibers of the fiber composite component by a drilling process on the fiber composite component.
  • the process according to the invention makes possible a fiber-destroying-free molding, substance and / or material
  • Fiber composite component in particular, a power line between the fastener and fiber composite component is significantly improved.
  • the fastening element and the joining tool are heated to a predetermined temperature prior to pressing or pressing into the fiber composite component and pressed in a heated state in the fiber composite component in such a way that the conical or conical portion of the joining tool
  • Fiber composite component completely penetrates from the first side to the second side and the sleeve-like portion of the fastening element penetrates into the fiber composite component until the second bearing surface of the
  • Holding portion of the fastener on the first side of Fiber composite component is applied, preferably lying flat. This allows the pressing or pressing of the fastener in the fiber composite component in a cold and therefore rigid, cured state of the fiber composite component, which is then partially heated by the heated joining tool and thereby melted to the pressing or pressing first of the joining tool and immediately thereafter of the fastener to enable.
  • the predefinable temperature to which the fastening element and the joining tool are heated expediently predetermined such that they above a melting temperature of a
  • thermoplastic matrix of the fiber composite component is located. As a result, this thermoplastic matrix is melted in the course of pressing through the hot joining tool with the hot fastener and forms when cooled a positive, material and / or non-positive connection with the fastener.
  • the fibers of the fiber composite component in the relevant section are displaced by the conical or conical portion of the joining tool so that they lie around the sleeve-like portion of the fastener and so a new fiber orientation, which is a particularly advantageous
  • the method can also be integrated into an injection molding process for shaping the fiber composite component, so that the joining tool penetrates an already heated fiber composite component, for example a so-called organic sheet, and thus separates the temperature of the joining tool and / or the coating. fastening element is not required. Also in this embodiment, in the course of pushing through the joining tool with the
  • Fiber composite component the fibers of the fiber composite component in the relevant section through the conical or conical portion of the
  • Joining tool displaced so that they wrap around the sleeve-like portion of the fastener and so a new
  • Fiber composite component a positive, material and / or non-positive
  • the fastening element is preferably pressed or pressed into the fiber composite component in such a way that the second end of the fastening element facing away from the retaining section projects beyond the fiber composite component on its second side.
  • This advantageously makes it possible to reshape a section of the fastening element projecting beyond the fiber composite component onto its second side with a corresponding tool, for example a mandrel, such that this section is angled away from the sleeve-like section after forming and projects beyond an outer diameter of the sleeve-like section, ie increases the outer diameter of the sleeve-like portion.
  • the fastener is firmly clamped in the fiber composite component, ie secured in such a form-fitting manner that it can not be detached from the fiber composite component.
  • the section is angled by this forming perpendicular to the sleeve-like portion so that it, at least when the fastener penetrates the fiber composite component at right angles, flat against the second side of the fiber composite component.
  • the section is after the forming at least a flat contact surface, so that the flat and full-surface concerns on fiber composite component is made possible.
  • An inventive fiber composite component has at least one fastening element described above and is by means of the above
  • the fiber composite component with the at least one fastening element is in an advantageous
  • Embodiment formed as a part of such a vehicle seat Conventional fasteners must either be elaborately embedded in selbigem in the manufacturing process of the fiber composite component or screwing destruction of the fibers of the fiber composite component by a drilling process on
  • Fiber composite component can be arranged.
  • the fiber composite component according to the invention with the at least one fastening element has a fiber-destructive form, material and / or non-positive bond between the fastening element and fiber composite component, wherein in particular a power line between the fastener and fiber composite component is significantly improved.
  • the fiber composite component expediently has a thermoplastic matrix in order to enable production by the method described above.
  • the fibers of the fiber composite component may be, for example, carbon fibers, glass fibers and / or natural fibers.
  • Fig. 1 shows schematically a side view of an inventive
  • Fig. 2 shows schematically a side view of an inventive
  • Fig. 3 schematically shows a side view of an inventive
  • Fig. 4 shows schematically a sectional view of a in a
  • Fiber composite component form, material and / or non-positively arranged fastener.
  • FIG. 1 schematically shows a side view of a fastening element 1 according to the invention during a joining operation with a joining tool 2, which is designed, for example, as a joining mandrel.
  • the joining tool 2 is referred to below as the joining mandrel 2.
  • the fastening element 1 has a sleeve-like section 3 in its central region.
  • a non-illustrated, conventional internal thread is formed.
  • a holding portion 5 is arranged, which is angled perpendicularly from the sleeve-like portion 3 and so enlarges an outer diameter of the sleeve-like portion 3 and planar bearing surfaces 6, 7 forms.
  • the holding portion 5 is preferably round and may be formed in alternative embodiments polygonal or oval.
  • the fastening element 1 is preferably formed from a metallic material and may have a surface structuring 8 on the outside in the area of the sleeve-like section 3.
  • Surface structuring 8 can be formed for example by a grain or corrugation.
  • the fastener 1 is by means of the invention
  • the fiber composite component 9 is preferably designed as a flat semi-finished product made of a thermoplastic material, in which a fabric of glass, carbon and / or aramid fibers or a mixed form of these is introduced such that the fibers are completely wetted with thermoplastic material.
  • Such a fiber composite component 9 may be, for example, a seat structure of a vehicle seat, in particular a seat back of a so-called organo sheet.
  • a seat structure of a vehicle seat in particular a seat back of a so-called organo sheet.
  • Fastener 1 in the fiber composite component 9 is a
  • Fastening element 1 formed in accordance with the invention is placed in a form-fitting manner on a correspondingly shaped joining mandrel 2 and joining mandrel 2 and fastening element 1 are heated to a predeterminable temperature.
  • the joining mandrel 2 has a conical or conical section 10 which projects beyond a second end 11 of the fastening element 1 facing away from the holding section 5.
  • Joining mandrel 2 and fastening element 1 are pressed or pressed in a heated state starting with the conical or conical section 10 of the joining mandrel 2 through the fiber composite component 9.
  • the predetermined temperature is above a melting temperature of the thermoplastic matrix of the fiber composite component 9, so that this thermoplastic matrix is melted in the course of pressing through the hot fastener 1 and when cooling a positive, material and / or non-positive connection with the fastener 1, in particular with the surface structuring 8, forms.
  • the fastening element 1 is pressed into the fiber composite component 9 such that the second contact surface 7 of the holding section 5 of the fastening element 1 on a first side 12 of the
  • Fiber composite component 9 is flat.
  • a length of the fastening element 1 is designed such that it projects beyond the fiber composite component 9 in a joined state on the second side 13 by a predetermined amount.
  • Figure 2 shows schematically a side view of a fastener 1 according to the invention after completion of such a joining operation.
  • the joining mandrel 2 is here already removed from the fastener 1, d. H. he was pulled out of the fastener 1 to the front and thus in the pressing direction used by the fiber composite component 9 during pressing or pressing through the composite component 9, because pulling out in the opposite direction, d. H. to the rear, is not possible because a diameter of a base of the cone or
  • cone-shaped portion 10 of the mandrel 2 is as large as a
  • Fastener 1 with a corresponding forming tool 15, for example, a mandrel or a forming die, so deformed until the portion 14 is angled perpendicularly from the sleeve-like portion 3 and thus forms an undercut and an outer diameter the sleeve-like portion 3 increases and planar abutment surfaces 16, 17 forms.
  • a corresponding forming tool for example, a mandrel or a forming die
  • the first contact surface 16 faces away from the sleeve-like section 3, while the second contact surface 17 in the direction of
  • an abutment 18 rests against the first contact surface 6 of the holding section 5, so that the fastening element 1 is held in the fiber composite component 9 during the forming and does not slip back.
  • This abutment 18 can also be used to in the process step shown in Figure 1 the
  • Fastening element 1 and expediently also to press the voltage applied to his conical or conical portion 10 on the fastener 1 joining mandrel 2 in the fiber composite component 9 or to press. Therefore, the counter bearing is already in Figure 1 on
  • the joining mandrel 2 can also be coupled to the abutment 18 during impressions or press-fit into the fiber composite component 9 by means of formations formed in the joining mandrel 2, so that the pressing force acts both on the fastening element 1 and on the joining mandrel 2.
  • a separate pressing force can be exerted.
  • the joining mandrel 2 can also be coupled to the abutment 18 during impressions or press-fit into the fiber composite component 9 by means of formations formed in the joining mandrel 2, so that the pressing force acts both on the fastening element 1 and on the joining mandrel 2.
  • Figure 3 shows schematically a side view of the fastener 1 according to the invention after completion of such a forming process of the fiber composite component 9 superior portion 14 with a mandrel.
  • Figure 4 shows schematically a sectional view of a in a
  • Fiber composite component 9 form, material and / or non-positively arranged fastener. 1
  • Fasteners must either be intricately embedded in the manufacturing process of the fiber composite component 9 in selbigem or screwed with destruction of the fibers of the fiber composite component 9 by a bore process on the fiber composite component 9.
  • the method according to the invention allows a fiber-disruption-free, positive, material and / or non-positive bond between
  • Fiber composite component 9 is significantly improved.
  • Forming tool 15 are integrated into an injection mold for forming the fiber composite component 9, so that the forming tool 15 penetrates an already heated fiber composite component 9 and such a separate temperature of the forming tool 15 is avoided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft erfindungsgemäß ein Befestigungselement (1) zur form-, stoff-, und/oder kraftschlüssigen Anordnung an und/oder in einem Faserverbundbauteil (9), umfassend einen hülsenartigen Abschnitt (3), wobei an einem ersten Ende (4) des hülsenartigen Abschnitts (3) ein Halteabschnitt (5) ausgebildet ist, welcher vom hülsenartigen Abschnitt (3) derart abgewinkelt ist, dass ein Außendurchmesser des Befestigungselementes (1) durch den Halteabschnitt (5) vergrößert ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines derartigen Befestigungselementes (1) an und/oder in einem Faserverbundbauteil (9) und ein mittels des Verfahrens hergestelltes Faserverbundbauteil (9) mit zumindest einem derartigen Befestigungselement (1).

Description

Befestigungselement und Verfahren zu dessen Montage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement zur form-, Stoff- und/oder kraftschlüssigen Anordnung an und/oder in einem Faserverbundbauteil nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 , ein Verfahren zur Montage eines Befestigungselementes an und/oder in einem Faserverbundbauteil nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5 und ein Faserverbundbauteil mit zumindest einem Befestigungselement nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Im Stand der Technik werden Anbindungselemente an
Faserverbundbauteile mittels Verschraubung, Vernietung und/oder
Verklebung angebracht. Solche Faserverbundbauteile sind beispielsweise faserverstärkte Thermoplastplatten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Befestigungselement zur form-, Stoff- und/oder kraftschlüssigen Anordnung an und/oder in einem Faserverbundbauteil, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Montage eines Befestigungselementes an und/oder in einem Faserverbundbauteil und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Faserverbundbauteil mit zumindest einem Befestigungselement anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Befestigungselement zur form-, Stoff- und/oder kraftschlüssigen Anordnung an und/oder in einem Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Verfahren zur Montage eines Befestigungselementes an und/oder in einem
Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und ein Faserverbundbauteil mit zumindest einem Befestigungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Befestigungselement zur form-, Stoff-, und/oder kraftschlüssigen Anordnung an und/oder in einem Faserverbundbauteil umfasst einen hülsenartigen Abschnitt, wobei an einem ersten Ende des hülsenartigen Abschnitts ein Halteabschnitt ausgebildet ist, welcher vom hülsenartigen Abschnitt derart abgewinkelt ist, dass ein Außendurchmesser des Befestigungselementes durch den Halteabschnitt vergrößert ist. Das heißt, der Halteabschnitt ist vom hülsenartigen Abschnitt derart
abgewinkelt, dass er den Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts überragt und dadurch vergrößert.
Das Befestigungselement ist in einem Montageverfahren in das
Faserverbundbauteil einzudrücken oder einzupressen, bis eine zweite Anlagefläche des Halteabschnitts des Befestigungselementes an einer ersten Seite des Faserverbundbauteils anliegt, vorzugsweise plan anliegt. Das Eindrücken oder Einpressen erfolgt dabei zweckmäßigerweise, während das Befestigungselement und/oder das Faserverbundbauteil erhitzt ist, so dass eine thermoplastische Matrix des Faserverbundbauteils in einem Einpressbereich aufgeschmolzen und während des Eindrückens oder Einpressens des Befestigungselementes verdrängt wird. Mittels einer solchen Verbindung, welche durch das erfindungsgemäß ausgebildete Befestigungselement ermöglicht ist, können hohe Kräfte übertragen werden, welche beispielsweise an Fahrzeugsitzen im Crashfall auftreten. Herkömmliche Verbindungselemente müssen entweder aufwändig im Herstellprozess des Faserverbundbauteils in selbigem eingebettet werden oder schraubend unter Zerstörung der Fasern des Faserverbundbauteils durch einen Bohrungsprozess am Faserverbundbauteil angeordnet werden. Das erfindungsgemäße Befestigungselement ermöglicht einen
faserzerstörungsfreien form-, Stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbund zwischen Befestigungselement und Faserverbundbauteil, wobei
insbesondere eine Kraftleitung zwischen Befestigungselement und
Faserverbundbauteil signifikant verbessert ist.
Zweckmäßigerweise ist der Halteabschnitt vom hülsenartigen Abschnitt im Wesentlichen rechtwinklig abgewinkelt. Auf diese Weise liegt der
Halteabschnitt flach an der ersten Seite des Faserverbundbauteils an, zumindest dann, wenn das Befestigungselement ausgehend von der ersten Seite des Faserverbundbauteils senkrecht in dieses eingedrückt oder eingepresst wurde. Zweckmäßigerweise bildet der Halteabschnitt eine plane Anlagefläche aus, um das möglichst flache und vollflächige Anliegen an der ersten Seite des Faserverbundbauteils zu ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der hülsenartige Abschnitt ein Innengewinde auf. Dadurch ist eine schraubende Befestigung zumindest eines weiteren Bauteils an dem Befestigungselement und über dieses am Faserverbundbauteil ermöglicht. Alternativ kann der hülsenartige Abschnitt auch eine Durchgangsöffnung ohne ein Innengewinde aufweisen, um beispielsweise eine Schraube, einen Bolzen oder eine Achse darin anzuordnen.
Das Befestigungselement ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff gebildet, wodurch es ausreichend stabil ausgebildet ist, um auftretenden Belastungen während der Montage im Faserverbundbauteil und während einer anschließenden Verwendung des Faserverbundbauteils standzuhalten. Des Weiteren ist dadurch die Erhitzung des Befestigungselementes auf eine Temperatur ermöglicht, welcher über der Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix des Faserverbundbauteils liegt, so dass auf diese Weise das Eindrücken oder Einpressen des Befestigungselementes in das Faserverbundbauteil ermöglicht ist. Alternativ sind auch andere
insbesondere temperaturbeständige Materialien möglich, welche derartigen Temperaturen, welche zum Eindrücken oder Einpressen erforderlich sind, zumindest für die kurze Eindrückzeit oder Einpresszeit standhalten. Auch eine Kombination aus Metall und einem anderen Material ist möglich.
Zweckmäßigerweise weist das Befestigungselement im Bereich des hülsenartigen Abschnitts außenseitig eine Oberflächenstrukturierung auf. Dadurch ist eine besonders gute form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung des Befestigungselementes mit dem Faserverbundbauteil ermöglicht, da die Fasern und die Matrix des Faserverbundbauteils den hülsenartigen Abschnitt außenseitig umschließen und sich dabei in der Oberflächenstrukturierung verklammern. Um eine möglichst gute derartige Verklammerung und form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung des Befestigungselementes mit dem Faserverbundbauteil zu erreichen, ist die Oberflächenstrukturierung beispielsweise als eine Narbung und/oder Riffelung ausgebildet.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Montage eines derartigen Befestigungselementes an und/oder in einem Faserverbundbauteil wird das Befestigungselement derart auf ein zumindest bereichsweise
korrespondierend ausgebildetes Fügewerkzeug, welches einen konus- oder kegelförmigen Abschnitt aufweist, formschlüssig aufgesetzt, dass der konus- oder kegelförmige Abschnitt ein vom Halteabschnitt abgewandtes zweites Ende des Befestigungselementes in axialer Richtung des
hülsenartigen Abschnitt des Befestigungselementes überragt, das zweite Ende des Befestigungselementes an einer Grundfläche des konus- oder kegelförmigen Abschnitts anliegt und ein Durchmesser der Grundfläche des konus- oder kegelförmigen Abschnitts im Wesentlichen einem
Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts des Befestigungs- elementes entspricht. Das Befestigungselement und das beispielsweise als Fügedorn ausgebildete Fügewerkzeug werden dann erfindungsgemäß derart in das Faserverbundbauteil gedrückt oder gepresst, dass der konus- oder kegelförmige Abschnitt des Fügewerkzeugs das Faserverbundbauteil von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite vollständig durchdringt und der hülsenartige Abschnitt des Befestigungselementes in das
Faserverbundbauteil eindringt, bis eine zweite Anlagefläche des
Halteabschnitts des Befestigungselementes an einer ersten Seite des Faserverbundbauteils anliegt, vorzugsweise plan anliegt.
Mittels einer solchen durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichten Verbindung können hohe Kräfte übertragen werden, welche beispielsweise an Fahrzeugsitzen im Crashfall auftreten. Herkömmliche Verbindungselemente müssen entweder aufwändig im Herstellprozess des Faserverbundbauteils in selbigem eingebettet werden oder schraubend unter Zerstörung der Fasern des Faserverbundbauteils durch einen Bohrungsprozess am Faserverbundbauteil angeordnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen faserzerstörungsfreien form-, Stoff- und/oder
kraftschlüssigen Verbund zwischen Befestigungselement und
Faserverbundbauteil, wobei insbesondere eine Kraftleitung zwischen Befestigungselement und Faserverbundbauteil signifikant verbessert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden das Befestigungselement und das Fügewerkzeug vor dem Eindrücken oder Einpressen in das Faserverbundbauteil auf eine vorgebbare Temperatur erhitzt und in erhitztem Zustand derart in das Faserverbundbauteil gedrückt oder gepresst, dass der konus- oder kegelförmige Abschnitt des Fügewerkzeugs das
Faserverbundbauteil von der ersten Seite zur zweiten Seite vollständig durchdringt und der hülsenartige Abschnitt des Befestigungselementes in das Faserverbundbauteil eindringt, bis die zweite Anlagefläche des
Halteabschnitts des Befestigungselementes an der ersten Seite des Faserverbundbauteils anliegt, vorzugsweise plan anliegt. Dies ermöglicht das Eindrücken oder Einpressen des Befestigungselementes in das Faserverbundbauteil auch in einem kalten und daher starren, ausgehärteten Zustand des Faserverbundbauteils, welches dann durch das erhitzte Fügewerkzeug partiell erhitzt und dadurch aufgeschmolzen wird, um das Eindrücken oder Einpressen zunächst des Fügewerkzeugs und unmittelbar danach des Befestigungselementes zu ermöglichen.
Dazu wird die vorgebbare Temperatur, auf welche das Befestigungselement und das Fügewerkzeug erhitzt werden, zweckmäßigerweise derart vorgegeben, dass sie oberhalb einer Schmelztemperatur einer
thermoplastischen Matrix des Faserverbundbauteils liegt. Dadurch wird diese thermoplastische Matrix im Verlauf des Durchdrückens des heißen Fügewerkzeugs mit dem heißen Befestigungselement aufgeschmolzen und bildet beim Erkalten eine form-, Stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung mit dem Befestigungselement aus.
Im Verlauf des Durchdrückens des heißen Fügewerkzeugs mit dem heißen Befestigungselement durch das Faserverbundbauteil werden die Fasern des Faserverbundbauteils im betreffenden Abschnitt durch den konus- oder kegelförmigen Abschnitt des Fügewerkzeugs derart verdrängt, dass sie sich um den hülsenartigen Abschnitt des Befestigungselements legen und derart eine neue Faserorientierung, welche einen besonders vorteilhaften
Kraftfluss ermöglicht, ausbilden. Dabei erfolgt diese Verdrängung der Fasern besonders vorteilhafterweise zerstörungsfrei.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Verfahren auch in einen Spritzgussprozess zur Ausformung des Faserverbundbauteils integriert werden, so dass das Fügewerkzeug ein bereits erwärmtes Faserverbundbauteil, beispielsweise ein so genanntes Organoblech, durchdringt und derart eine separate Temperierung des Fügewerkzeugs und/oder des Be- festigungselementes nicht erforderlich ist. Auch in dieser Ausführungsform werden im Verlauf des Durchdrückens des Fügewerkzeugs mit dem
Befestigungselement durch das im Spritzgusswerkzeug noch heiße
Faserverbundbauteil die Fasern des Faserverbundbauteils im betreffenden Abschnitt durch den konus- oder kegelförmigen Abschnitt des
Fügewerkzeugs derart verdrängt, dass sie sich um den hülsenartigen Abschnitt des Befestigungselements legen und derart eine neue
Faserorientierung, welche einen besonders vorteilhaften Kraftfluss ermöglicht, ausbilden. Dabei erfolgt diese Verdrängung der Fasern ebenfalls besonders vorteilhafterweise zerstörungsfrei. Auch in dieser Ausführungsform des Verfahrens wird beim Erkalten des
Faserverbundbauteils eine form-, Stoff- und/oder kraftschlüssige
Verbindung mit dem Befestigungselement ausgebildet.
Vorzugsweise wird das Befestigungselement derart in das Faserverbundbauteil gedrückt oder gepresst, dass das vom Halteabschnitt abgewandte zweite Ende des Befestigungselementes das Faserverbundbauteil auf dessen zweiter Seite überragt. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise ermöglicht, einen das Faserverbundbauteil auf dessen zweiter Seite überragenden Abschnitt des Befestigungselementes mit einem entsprechenden Werkzeug, beispielsweise einem Dorn, derart umzuformen, dass dieser Abschnitt nach dem Umformen vom hülsenartigen Abschnitt abgewinkelt ist und einen Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts überragt, d. h. den Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts vergrößert. Auf diese Weise wird das Befestigungselement mit im Faserverbundbauteil fest verklammert, d. h. derartig formschlüssig befestigt, dass es sich nicht aus dem Faserverbundbauteil lösen kann. Vorzugsweise wird der Abschnitt durch dieses Umformen rechtwinklig vom hülsenartigen Abschnitt abgewinkelt, so dass er, zumindest wenn das Befestigungselement das Faserverbundbauteil rechtwinklig durchdringt, flach an der zweiten Seite des Faserverbundbauteils anliegt. Vorzugsweise bildet der Abschnitt nach dem Umformen zumindest eine plane Anlagefläche aus, so dass das flache und vollflächige Anliegen am Faserverbundbauteil ermöglicht wird.
Ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil weist zumindest ein oben beschriebenes Befestigungselement auf und ist mittels des oben
beschriebenen Verfahrens hergestellt. Mittels einer solchen Verbindung, mit welcher das Befestigungselement mit dem Faserverbundbauteil verbunden ist, können hohe Kräfte übertragen werden, welche beispielsweise an Fahrzeugsitzen im Crashfall auftreten. Das Faserverbundbauteil mit dem zumindest einen Befestigungselement ist in einer vorteilhaften
Ausführungsform als ein Bestandteil eines derartigen Fahrzeugsitzes ausgebildet. Herkömmliche Verbindungselemente müssen entweder aufwändig im Herstellprozess des Faserverbundbauteils in selbigem eingebettet werden oder schraubend unter Zerstörung der Fasern des Faserverbundbauteils durch einen Bohrungsprozess am
Faserverbundbauteil angeordnet werden.
Das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil mit dem zumindest einen Befestigungselement weist einen faserzerstörungsfreien form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbund zwischen Befestigungselement und Faserverbundbauteil auf, wobei insbesondere eine Kraftleitung zwischen Befestigungselement und Faserverbundbauteil signifikant verbessert ist.
Das Faserverbundbauteil weist, um die Herstellung mittels des oben beschriebenen Verfahrens zu ermöglichen, zweckmäßigerweise eine thermoplastische Matrix auf. Die Fasern des Faserverbundbauteils können beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Naturfasern sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Befestigungselements während eines Fügevorgangs mit einem Fügedorn,
Fig. 2 schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Befestigungselements nach Beendigung eines Fügevorgangs,
Fig. 3 schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Befestigungselements nach Beendigung eines
Umformvorgangs eines das Faserverbundbauteil überragenden Abschnitts mit einem Dorn und
Fig. 4 schematisch eine Schnittdarstellung eines in einem
Faserverbundbauteil form-, Stoff- und/oder kraftschlüssig angeordneten Befestigungselements.
Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Befestigungselements 1 während eines Fügevorgangs mit einem Fügewerkzeug 2, welches beispielsweise als Fügedorn ausgebildet ist, dargestellt. Das Fügewerkzeug 2 wird im Weiteren als Fügedorn 2 bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Befestigungselement 1 weist in seinem zentralen Bereich einen hülsenartigen Abschnitt 3 auf. In diesem hülsenartigen Abschnitt 3 ist ein nicht näher dargestelltes, herkömmliches Innengewinde ausgeformt. An einem ersten Ende 4 des hülsenartigen Abschnitts 3 ist ein Halteabschnitt 5 angeordnet, welcher rechtwinklig vom hülsenartigen Abschnitt 3 abgewinkelt ist und derart einen Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts 3 vergrößert und plane Anlageflächen 6, 7 ausbildet.
Dabei ist eine erste Anlagefläche 6 vom hülsenartigen Abschnitt 3 abgewandt, während die zweite Anlagefläche 7 in Richtung des
hülsenartigen Abschnitts 3 weist.
Der Halteabschnitt 5 ist bevorzugt rund ausgebildet und kann in alternativen Ausführungsvarianten vieleckig oder oval ausgebildet sein.
Das Befestigungselement 1 ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff gebildet und kann im Bereich des hülsenartigen Abschnitts 3 außenseitig eine Oberflächenstrukturierung 8 aufweisen. Eine solche
Oberflächenstrukturierung 8 kann beispielweise durch eine Narbung oder Riffelung gebildet werden.
Das Befestigungselement 1 wird mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens form-, Stoff- und/oder kraftschlüssig in einem Faserverbundbauteil 9 angeordnet. Das Faserverbundbauteil 9 ist bevorzugt als ein flächiges Halbzeug aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet, in welchem ein Gewebe aus Glas-, Carbon- und/oder Aramidfasern oder einer Mischform aus diesen derart eingebracht ist, dass die Fasern vollständig mit thermoplastischem Kunststoff benetzt sind.
Ein solches Faserverbundbauteil 9 kann beispielsweise eine Sitzstruktur eines Fahrzeugsitzes, insbesondere eine Sitzlehnenrückwand aus einem sogenannten Organoblech, sein. Zur form-, Stoff- und/oder kraftschlüssigen Anordnung des
Befestigungselements 1 in dem Faserverbundbauteil 9 wird ein
erfindungsgemäß ausgeformtes Befestigungselement 1 auf einen korrespondierend ausgeformten Fügedorn 2 formschlüssig aufgesetzt und Fügedorn 2 und Befestigungselement 1 werden auf eine vorgebbare Temperatur erhitzt. Dabei weist der Fügedorn 2 einen konus- oder kegelförmigen Abschnitt 10 auf, welcher ein vom Halteabschnitt 5 abgewandtes zweites Ende 1 1 des Befestigungselements 1 überragt.
Fügedorn 2 und Befestigungselement 1 werden in erhitztem Zustand beginnend mit dem konus- oder kegelförmigen Abschnitt 10 des Fügedorns 2 durch das Faserverbundbauteil 9 gedrückt oder gepresst. Dabei liegt die vorgebbare Temperatur oberhalb einer Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix des Faserverbundbauteils 9, so dass diese thermoplastische Matrix im Verlauf des Durchdrückens des heißen Befestigungselements 1 aufgeschmolzen wird und beim Erkalten eine form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung mit dem Befestigungselement 1 , insbesondere mit dessen Oberflächenstrukturierung 8, ausbildet.
Dadurch ist zwischen Befestigungselement 1 und Faserverbundbauteil 9 eine besonders robuste und widerstandsfähige form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung ausgebildet, mittels der große Kräfte in das Faserverbundbauteil 9 einleitbar sind.
Dabei wird das Befestigungselement 1 derart in das Faserverbundbauteil 9 gedrückt, dass die zweite Anlagefläche 7 des Halteabschnitts 5 des Befestigungselements 1 an einer ersten Seite 12 des
Faserverbundbauteils 9 plan anliegt. Eine Länge des Befestigungselements 1 ist dabei derart ausgebildet, dass es das Faserverbundbauteil 9 in einem gefügten Zustand auf dessen zweiter Seite 13 um einen vorgebbaren Betrag überragt.
Im Verlauf des Durchdrückens des heißen Fügedorns 2 mit dem heißen Befestigungselement 1 durch das Faserverbundbauteil 9 werden die Fasern des Faserverbundbauteils 9 im betreffenden Abschnitt durch den konus- oder kegelförmigen Abschnitt 10 des Fügedorns 2 derart verdrängt, dass sie sich um den hülsenartigen Abschnitt 3 des Befestigungselements 1 legen und derart eine neue Faserorientierung, welchen einen besonders vorteilhaften Kraftfluss ermöglicht, ausbilden. Dabei erfolgt diese
Verdrängung der Fasern besonders vorteilhafterweise zerstörungsfrei.
Figur 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Befestigungselement 1 nach Beendigung eines solchen Fügevorgangs. Der Fügedorn 2 ist hier bereits aus dem Befestigungselement 1 entfernt, d. h. er wurde nach vorn und damit in der während des Durchdrückens oder Durchpressens des Fügedorns 2 durch das Faserverbundbauteil 9 verwendeten Pressrichtung aus dem Befestigungselement 1 herausgezogen, denn ein Herausziehen in entgegengesetzter Richtung, d. h. nach hinten, ist nicht möglich, da ein Durchmesser einer Grundfläche des konus- oder
kegelförmigen Abschnitts 10 des Fügedorns 2 so groß ist wie ein
Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts 3 des Befestigungselementes 1 , wodurch dieses formschlüssig auf den Fügedorn 2 aufgesetzt ist.
Anschließend, d. h. nachdem der Fügedorn 2 entfernt ist, wird ein das Faserverbundbauteil 9 überragender Abschnitt 14 des
Befestigungselements 1 mit einem entsprechenden Umformwerkzeug 15, beispielsweise einem Dorn oder einem Umformstempel, derart umgeformt, bis der Abschnitt 14 rechtwinklig vom hülsenartigen Abschnitt 3 abgewinkelt ist und derart einen Hinterschnitt ausbildet und einen Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts 3 vergrößert sowie plane Anlageflächen 16, 17 ausbildet.
Dabei ist die erste Anlagefläche 16 vom hülsenartigen Abschnitt 3 abgewandt, während die zweite Anlagefläche 17 in Richtung des
hülsenartigen Abschnitts 3 weist.
Während des Umformens liegt ein Gegenlager 18 an der ersten Anlagefläche 6 des Halteabschnitts 5 an, so dass das Befestigungselement 1 während des Umformens im Faserverbundbauteil 9 gehalten wird und nicht zurückrutscht. Dieses Gegenlager 18 kann auch dazu verwendet werden, um bei dem in Figur 1 dargestellten Verfahrensschritt das
Befestigungselement 1 und zweckmäßigerweise auch den mit seinem konus- oder kegelförmigen Abschnitt 10 am Befestigungselement 1 anliegenden Fügedorn 2 in das Faserverbundbauteil 9 zu drücken oder zu pressen. Daher liegt das Gegenlager auch bereits in Figur 1 am
Befestigungselement 1 an. Auf den Fügedorn 2 kann alternativ oder zusätzlich auch eine separate Presskraft ausgeübt werden. Beispielsweise kann der Fügedorn 2 während des Eindrückens oder Einpressens in das Faserverbundbauteil 9 über im Fügedorn 2 ausgebildete Ausformungen auch mit dem Gegenlager 18 gekoppelt werden, so dass die Presskraft sowohl auf das Befestigungselement 1 als auch auf den Fügedorn 2 einwirkt. Zum Herausziehen des Fügedorns 2 aus dem im
Faserverbundbauteil 9 angeordneten Befestigungselement 1 muss der Fügedorn 2 dann zunächst vom Gegenlager 18 gelöst werden.
Figur 3 zeigt schematisch eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Befestigungselement 1 nach Beendigung eines solchen Umformvorgangs eines das Faserverbundbauteil 9 überragenden Abschnitts 14 mit einem Dorn. Figur 4 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung eines in einem
Faserverbundbauteil 9 form-, Stoff- und/oder kraftschlüssig angeordneten Befestigungselements 1 .
Mittels einer solchen Verbindung zwischen Befestigungselement 1 und Faserverbundbauteil 9 können hohe Kräfte übertragen werden, welche beispielsweise an Autositzen im Crashfall auftreten. Herkömmliche
Verbindungselemente müssen entweder aufwändig im Herstellprozess des Faserverbundbauteils 9 in selbigem eingebettet werden oder schraubend unter Zerstörung der Fasern des Faserverbundbauteils 9 durch einen Bohrungsprozess am Faserverbundbauteil 9 angeordnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen faserzerstörungsfreien form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbund zwischen
Befestigungselement 1 und Faserverbundbauteil 9, wobei insbesondere eine Kraftleitung zwischen Befestigungselement 1 und
Faserverbundbauteil 9 signifikant verbessert ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das
Umformwerkzeug 15 in ein Spritzgießwerkzeug zur Ausformung des Faserverbundbauteils 9 integriert werden, so dass das Umformwerkzeug 15 ein bereits erwärmtes Faserverbundbauteil 9 durchdringt und derart eine separate Temperierung des Umformwerkzeugs 15 vermieden ist.
Bezugszeichenliste
1 Befestigungselement
2 Fügedorn
3 hülsenartiger Abschnitt
4 erstes Ende
5 Halteabschnitt
6 erste Anlagefläche
7 zweite Anlagefläche
8 Oberflächenstrukturierung
9 Faserverbundbauteil
10 konus- oder kegelförmiger Abschnitt
1 1 zweites Ende
12 erste Seite
13 zweite Seite
14 Abschnitt
15 Umformwerkzeug
16 erste Anlagefläche
17 zweite Anlagefläche
18 Gegenlager

Claims

Ansprüche
1 . Befestigungselement (1 ) zur form-, Stoff-, und/oder kraftschlüssigen Anordnung an und/oder in einem Faserverbundbauteil (9), umfassend einen hülsenartigen Abschnitt (3), wobei an einem ersten Ende (4) des hülsenartigen Abschnitts (3) ein Halteabschnitt (5) ausgebildet ist, welcher vom hülsenartigen Abschnitt (3) derart abgewinkelt ist, dass ein Außendurchmesser des Befestigungselementes (1 ) durch den
Halteabschnitt (5) vergrößert ist.
2. Befestigungselement (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Abschnitt (3) ein Innengewinde aufweist.
3. Befestigungselement (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine Ausbildung aus einem metallischen
Werkstoff.
4. Befestigungselement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenartige Abschnitt (3) außenseitig eine Oberflächenstrukturierung (8) aufweist.
5. Verfahren zur Montage eines Befestigungselementes (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 an und/oder in einem Faserverbundbauteil (9), wobei das Befestigungselement (1 ) derart auf ein Fügewerkzeug (2), welches einen konus- oder kegelförmigen Abschnitt (10) aufweist, formschlüssig aufgesetzt wird, dass der konus- oder kegelförmige Abschnitt (10) ein vom Halteabschnitt (5) abgewandtes zweites
Ende (1 1 ) des Befestigungselementes (1 ) in axialer Richtung des hülsenartigen Abschnitt (3) des Befestigungselementes (1 ) überragt, das zweite Ende (1 1 ) des Befestigungselementes (1 ) an einer
Grundfläche des konus- oder kegelförmigen Abschnitts (10) anliegt und ein Durchmesser der Grundfläche des konus- oder kegelförmigen Abschnitts (10) im Wesentlichen einem Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts (3) des Befestigungselementes (1 ) entspricht, wobei das Befestigungselement (1 ) und das Fügewerkzeug (2) derart in das Faserverbundbauteil (9) gedrückt oder gepresst werden, dass der konus- oder kegelförmige Abschnitt (10) des Fügewerkzeugs (2) das Faserverbundbauteil (9) von einer ersten Seite (12) zu einer zweiten Seite (13) vollständig durchdringt und der hülsenartige Abschnitt (3) des Befestigungselementes (1 ) in das Faserverbundbauteil (9) eindringt, bis eine zweite Anlagefläche (7) des Halteabschnitts (5) des
Befestigungselementes (1 ) an der ersten Seite (12) des
Faserverbundbauteils (9) anliegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1 ) und das Fügewerkzeug (2) vor dem Eindrücken oder Einpressen in das
Faserverbundbauteil (9) auf eine vorgebbare Temperatur erhitzt werden und in erhitztem Zustand derart in das Faserverbundbauteil (9) gedrückt oder gepresst werden, dass der konus- oder kegelförmige
Abschnitt (10) des Fügewerkzeugs (2) das Faserverbundbauteil (9) von der ersten Seite (12) zur zweiten Seite (13) vollständig durchdringt und der hülsenartige Abschnitt (3) des Befestigungselementes (1 ) in das Faserverbundbauteil (9) eindringt, bis die zweite Anlagefläche (7) des Halteabschnitts (5) des Befestigungselementes (1 ) an der ersten Seite (12) des Faserverbundbauteils (9) anliegt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1 ) derart in das Faserverbundbauteil (9) gedrückt oder gepresst wird, dass das vom Halteabschnitt (5) abgewandte zweite Ende (1 1 ) des Befestigungselementes (1 ) das Faserverbundbauteil (9) auf dessen zweiter Seite (13) überragt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, auf welche das Befestigungselement (1 ) und das Fügewerkzeug (2) erhitzt werden, derart vorgegeben wird, dass sie oberhalb einer Schmelztemperatur einer thermoplastischen Matrix des Faserverbundbauteils (9) liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass ein das Faserverbundbauteil (9) auf dessen zweiter Seite (13) überragender Abschnitt (14) des
Befestigungselementes (1 ) derart umgeformt wird, dass dieser Abschnitt (14) nach dem Umformen vom hülsenartigen Abschnitt (3) abgewinkelt ist und einen Außendurchmesser des hülsenartigen Abschnitts (3) überragt.
10. Faserverbundbauteil (9) mit zumindest einem Befestigungselement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 9.
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