WO2016202877A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteilverbundes mit einem verbindungselement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteilverbundes mit einem verbindungselement Download PDF

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Florian Augenthaler
Gerson Meschut
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Ejot Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • thermoplastic or fiber-plastic composites are formed with thermoplastic matrix.
  • the die can be heated or heated, which is a

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes umfassend eine Befestigungsstruktur (18), umfassend wenigstens eine Bauteillage (20, 22) und ein thermoplastisches Verbindungselement (12), aufweisend einen Kopf (14) und einen Schaft (16), wobei das Verbindungselement (12) unter Rotation und Druck in die Befestigungsstruktur (18) eingetrieben wird, so dass der Schaft (16) die Befestigungsstruktur durchdringt, wobei das Verbindungselement (12) nach Durchdringen der Befestigungsstruktur an einer Matrize (24) unter Reibung erweicht und umgeformt wird, die entgegen der Eintreibrichtung an der Befestigungsstruktur (18) angelegt wird, so dass sich eine über die radiale Ausdehnung des Schaftes (16) hinaus erstreckende Verdickung (26) ergibt, wobei die Befestigungsstruktur zwischen Kopf (14) und Verdickung (26) formschlüssig gehalten wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes mit einem Verbindungselement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes umfassend eine
Befestigungsstruktur und ein thermoplastisches Verbindungselement.
Die DE 10 2013 209 634 A1 betrifft ein Befestigungselement für ein Faserverbundbauteil. Dieses Befestigungselement umfasst einen thermoplastischen Kunststoffbereich. Aus dem thermoplastischen Befestigungselement wird durch Warmumformen, insbesondere durch Heißstemmen, eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Faserverbundwerkstoff hergestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilverbindung anzugeben, sowie ein Befestigungselement.
In bekannter Weise umfasst die Befestigungsstruktur wenigstens eine Bauteillage, in welcher das Verbindungselement fixiert wird. Das Verbindungselement weist einen Kopf und einen Schaft auf. Gemäß der Erfindung wird das Verbindungselement unter Rotation und Vortrieb in die
Befestigungsstruktur eingetrieben, so dass der Schaft die Befestigungsstruktur durchdringt. Nach Durchdringen der Befestigungsstruktur wird das Verbindungselement unter Reibung an einer Matrize erweicht und umgeformt. Die Matrize wird dazu entgegen der Eintreibrichtung an die Befestigungsstruktur angelegt. Durch die derartige Einbringung der Reibungsenergie wird das Verbindungselement lokal erweicht und umgeformt, so dass sich eine über die radiale Ausdehnung des Schaftes hinaus erstreckende Verdickung ergibt. Die Matrize wird nach einer Erstarrungsdauer des Thermoplasts von der Verbindungsstelle wieder entfernt. Das Verbindungselement ist so formschlüssig an der Befestigungsstruktur befestigt.
Die Verwendung der Reibeenergie zum Erweichen des Verbindungselements hat den Vorteil, dass rein mechanisch angetriebene Setzanlagen verwendet werden. Entsprechende Matrizen und
Antriebswerkzeuge weisen daher einen niedrigen Komplexitätsgrad auf.
Vorzugsweise ist zur Verbindung ein Schaft mit einer Spitze, insbesondere einer Dornspitze, vorgesehen. So wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens, bei welchem wenigstens eine Bauteillage aus thermoplastbasiertem Werkstoff gebildet ist, so gestaltet, dass das
Verbindungselement unter Rotation und Druck eine nicht vorgelochte Bauteillage durch Reibung erwärmt. Auf diese Weise kann das Verbindungselement die Bauteillage fließlochformend durchdringen. Somit kann in einem Arbeitsschritt das Lochformen und Verbinden des Verbindungselements mit der Befestigungsstruktur erfolgen.
So kann ein Verbindungselement eine vorgelochte Metallplatte mit einer Bauteillage aus
thermoplastbasiertem Werkstoff verbinden.
Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung mit einer
Befestigungsstruktur, die wenigstens zwei Bauteillagen aus thermoplastbasiertem Werkstoff aufweist, eingesetzt werden. Auf diese Weise kann nicht nur das Verbindungselement mit der
Befestigungsstruktur, sondern auch die Bauteillagen der Befestigungsstruktur miteinander gefügt werden. Dieses Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn die Bauteillagen aus
faserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff oder Faser-Kunststoff-Verbunden mit thermoplastischer Matrix gebildet sind. Durch das Fließlochformen wird ein schonender Eintreibvorgang ermöglicht, der eine Verletzung der Fasern vermeidet. In vorteilhafter Weise kann die Matrize erwärmt beziehungsweise beheizt werden, was eine
Reduzierung von Taktzeiten zur Folge hat. Zur Unterstützung des Lochform-Vorgangs kann vorgesehen sein, dass die Befestigungsstruktur zusätzlich durch ein Heizelement vorgewärmt wird. Eine weitere Durchdringungshilfe kann gegeben sein, wenn die Befestigungsstruktur mit Ultraschall, Induktion, Infrarot oder Heißgas angeregt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein thermoplastisches Verbindungselement, das einen Kopf und einen gewindelosen Schaft, der insbesondere in einer Spitze endet, aufweist. Vorzugsweise weist der Schaft eine Schmelztemperatur von mehr als 340 °C, wodurch ein fließlochformendes Durchdringen herkömmlicher Faserverbund-Werkstoffe ermöglicht wird. Mit einem Verbindungselement mit einer solchen Schmelztemperatur kann eine Verbindung mit den gängigsten thermoplastischen Faserverbund-Kunststoff-Werkstoffen hergestellt werden. Durch die entsprechend hoch gewählte Schmelztemperatur kann gewährleistet werden, dass das
Verbindungselement das Erweichen der Befestigungsstruktur ermöglicht ohne selbst erweicht und umgeformt zu werden. Die zum Erweichen des Verbindungselements verwendete Matrize hat eine gegenüber dem Verbindungselement höhere Schmelztemperatur.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Verbindungselement selbst faserverstärkt, insbesondere kurzfaserverstärkt, ist. In einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese eine Bauteilverbindung umfassend eine
Befestigungsstruktur mit wenigstens einer Bauteillage aus thermoplastbasiertem Werkstoff, wobei die Befestigungsstruktur von einem thermoplastischen Verbindungselement durchsetzt ist, das mit seinem einen Antrieb aufweisenden Kopf am oberen Ende der Befestigungsstruktur anliegt und an seinem unteren Ende eine Erweiterung gebildet ist, die an der dem Kopf gegenüberliegenden Fläche der Befestigungsstruktur anliegt.
Insbesondere ist die Befestigungsstruktur aus wenigstens zwei Bauteillagen aus einem
thermoplastischen Kunststoff gebildet, wobei die Bauteillage mit der höchsten Schmelztemperatur eine geringere Schmelztemperatur aufweist als das thermoplastische Verbindungselement.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet: Fig. 1 einen Zustand während des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens, und Fig. 2 eine erfindungsgemäß hergestellte Bauteilverbindung.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei welchem ein Verbindungselement 12 umfassend einen Kopf 14 und einen Schaft 16 in eine Befestigungsstruktur 18 eingebracht wird. Die
Befestigungsstruktur 18 umfasst zwei Materiallagen 20, 22, die aus einem thermoplastischen
Faserverbund-Kunststoff hergestellt sind. Das Verbindungselement 12 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Werkzeugs unter Rotation und Vortrieb in die Befestigungsstruktur 18 eingebracht. Der Schaft 16 endet in einer Spitze, die für eine fließlochformende Durchdringung der Materiallagen 20, 22 sorgt. An der in Eintreibrichtung gegenüberliegenden Seite der Befestigungsstruktur 18 ist eine Matrize 24 angelegt, gegen welche das Verbindungselement 12 während des Verbindungsvorgangs verfahren wird. Während des Fügeverfahrens wird die Befestigungsstruktur 18 zwischen einem nicht dargestellten Niederhalter und der Matrize 24 geklemmt. Die Matrize 24 weist eine Formausnehmung auf, die in diesem Ausführungsbeispiel kalottenartig dargestellt ist. Das Andrücken des Verbindungselements 12 unter Rotation und Druck an die Matrize 24 führt dazu, dass Reibungsenergie zur lokalen Erwärmung des Schafts 16, insbesondere der Spitze, bereitgestellt wird. Diese ist so hoch, dass der Schaft 16 teilweise aufschmilzt, wonach die Schmelze den durch die Matrize 24 gebildeten Hohlraum ausfüllt. Nach vollständigem Erweichen des in die Matrize 24 eingeführten Schaftteils wird die Rotation des Verbindungselements 12 eingestellt. Das erweichte und umgeformte Material des thermoplastischen Verbindungselements 12 erstarrt im Anschluss daran in Form einer Verdickung und legt das Verbindungselement 12 formschlüssig am Bauteilverbund 18 fest. Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte Bauteilverbindung 28 umfassend zwei
aufeinanderliegende thermoplastische Faserverbund-Kunststofflagen 20, 22, die über ein
thermoplastisches Verbindungselement 12 zwischen Kopf 14 und Verdickung 26 zusammengehalten werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes umfassend eine Befestigungsstruktur (18), umfassend wenigstens eine Bauteillage (20, 22) und ein thermoplastisches
Verbindungselement (12), aufweisend einen Kopf (14) und einen Schaft (16), wobei das Verbindungselement (12) unter Rotation und Druck in die Befestigungsstruktur (18) eingetrieben wird, so dass der Schaft (16) die Befestigungsstruktur durchdringt, wobei das Verbindungselement (12) nach Durchdringen der Befestigungsstruktur an einer Matrize (24) unter Reibung erweicht und umgeformt wird, die entgegen der Eintreibrichtung an der Befestigungsstruktur (18) angelegt wird, so dass sich eine über die radiale Ausdehnung des Schaftes (16) hinaus erstreckende Verdickung (26) ergibt, wobei die Befestigungsstruktur zwischen Kopf (14) und Verdickung (26) formschlüssig gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (18) aus Bauteillagen (20, 22) aus thermoplastischem Kunststoff gebildet ist, wobei das unter Rotation und Druck in den Bauteilverbund (18) eingetriebene Verbindungselement (12) den thermoplastischen Kunststoff unter Reibungswärme aufschmilzt und so fließlochformend die Befestigungsstruktur (18) durchdringt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bauteillage (20, 22) aus faserverstärktem thermoplastischem Kunststoff gebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (18) wenigstens zwei Bauteillagen (20, 22) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (18) während des Durchdringens beheizt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (18) während des Durchdringens mit Ultraschall angeregt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize auch zusätzlich beheizt beziehungsweise erwärmt werden kann.
8. Verbindungselement (12) aus einem thermoplastischen Werkstoff umfassend einen Antrieb aufweisenden Kopf (14) und einen gewindelosen Schaft (16).
9. Verbindungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (16) eine Schmelztemperatur von mehr als 340°C aufweist.
10. Verbindungselement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Verbindungselement (12) an seinem dem Kopf (14) abgewandten Schaftende eine Spitze aufweist.
11. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (12) kurzfaserverstärkt ist.
12. Bauteilverbindung (28) umfassend eine Befestigungsstruktur (18) mit wenigstens einer
Bauteillage (20, 22), wobei die Befestigungsstruktur (18) von einem thermoplastischen Verbindungselement (12) durchsetzt ist, das mit seinem einen Antrieb aufweisenden Kopf (14) an einer ersten Fläche der Befestigungsstruktur (18) anliegt und an seinem dem Kopf (14) abgewandten Ende eine Erweiterung (26) bildet, die an der dem Kopf (14)
gegenüberliegenden Fläche der Befestigungsstruktur (18) anliegt.
13. Bauteilverbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (16) des thermoplastischen Verbindungselements (12) eine höhere Schmelztemperatur hat als die Bauteillage (20, 22) der Befestigungsstruktur (18) mit der höchsten Schmelztemperatur.
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