DE10143155A1 - Verfahren zum Verbinden und Verbindung von Faserverbund-Kunststoffen - Google Patents

Verfahren zum Verbinden und Verbindung von Faserverbund-Kunststoffen

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DE10143155A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Faserverbund-Kunststoff-Bauteilen mit einem Gegenbauteil, wobei das Gegenbauteil eine Bohrung aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gegenbauteil und das Faserverbund-Kunststoff-Bauteil im Bereich der Bohrung flächig aufeinander liegen, durch einen Stempel Fasern und Matrix des Faserverbund-Kunststoffes durch die Bohrung gedrückt werden und durch einen Gegenstempel auf der Seite des Gegenbauteils das durchgedrückte Volumen des Faserverbund-Kunststoffes zu einem Formkopf geformt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Verbindung nach Anspruch 6, sowie einen Stempel nach Anspruch 4 und einen Stempel nach Anspruch 5.
  • Faserverbundwerkstoffe finden immer häufiger Verwendung in Strukturbauteilen insbesondere im Karosseriebereich im Automobilbau. Hierbei stellt das Fügen dieser Werkstoffe mit den herkömmlich verwendeten Strukturmaterialien wie Stahlbleche, Aluminiumbleche oder auch anderen Kunststoffmaterialien stets eine Herausforderung in der Serienfertigung dar.
  • Da Schweiß- oder Lötverfahren als Fügeverfahren für Faserverbund-Kunststoffe (FVK) ausscheiden, werden in der Praxis diese Materialien an ihre korrespondierenden Bauteile genietet, geschraubt oder geklebt. All diesen Fügeverfahren ist jedoch der konzeptbedingte Nachteil zu eigen, dass die Verstärkungsfasern des FVK nicht in die Verbindung einbezogen werden. Somit bleiben wesentliche Vorteile dieser Materialgruppe ungenutzt. Zu dem erhöht die Verwendung von Verbindungselementen die Produktionskosten erheblich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verbindung und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Faserverbund- Kunststoffen mit weiteren Bauteilen bereitzustellen, in der die Faserverstärkung zu Festigkeit der Verbindung beiträgt und weniger Kosten in der Serienfertigung verursacht.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach Anspruch 1, in einem Stempel nach Anspruch 4, sowie einem Stempel nach Anspruch 5 und einer Verbindung nach Anspruch 6.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 besteht in der Herstellung zweier flächiger Körper, einem FVK-Bauteil und einem weiteren Bauteil, im Folgenden Gegenbauteil genannt. Unter flächig wird hierbei verstanden, dass die zu verbindenden Bauteile jeweils wenigstens eine Fläche aufweisen, in der sie sich formschlüssig berühren. Die Flächen sind vorzugsweise eben, können jedoch auch gekrümmt ausgestaltet sein. Die zu verbindenden Flächen der Bauteile sollten mindestens doppelt so groß sein wie der Durchmesser der Verbindung.
  • In dem Gegenbauteil wird im Bereich der Berührungsflächen eine Bohrung eingebracht, mit einem Stempel wird das FVK-Material - Fasern und Matrixmaterial - durch die Bohrung gedrückt. Auf der gegenüberliegenden Seite nimmt ein Gegenstempel das durchgedrückte Material auf und formt einen Formkopf der der Form eines Nietkopfes ähnelt. Unter Matrixmaterial wird hierbei eine Kunststoffmatrix des FVK verstanden in die die Verstärkungsfasern eingebettet sind.
  • Im Rahmen dieses Verfahrens werden keine zusätzlichen Verbindungselemente benötigt, was die Prozesskosten verringert. Die Fasern des FVK-Materials tragen so zu Verfestigung der Verbindung bei.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens rotiert der Gegenstempel während des Formens des Formkopfes. Auf diese Weise wird Energie in die Verbindung eingeführt, was zu einer Erwärmung und zu einer Erweichung des FVK-Matrixmaterials führt. Hierdurch wird die Formung des Formkopfes vereinfacht. Ein weiterer Vorteil der Rotation des Gegenstempels liegt darin, dass die Fasern um die Bohrung gelegt werden.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Stempel zur Durchführung des Verfahrens, der sich dadurch auszeichnet, dass er kopfseitig eine zentrale Erhöhung in Form einer abgerundeten Spitze aufweist. Diese Spitze dient zum Durchdrücken des FVK- Materials durch die Bohrung des Gegenbauteils.
  • Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstempel weist an seiner Kopfseite eine Kontur auf, die zur Formgebung des Formkopfes dient. Hierzu greift der Gegenstempel das FVK-Material auf und bildet einen konzentrischen Wulst aus FVK-Material um die Bohrung herum aus. Der Durchmesser des Gegenstempels ist größer als der Durchmesser der Bohrung.
  • Die erfindungsgemäße Verbindung, hergestellt mit einem Verfahren nach Anspruch 1 zeichnet sich durch einen Formkopf aus FVK- Material auf der Seite des Gegenbauteils aus. Der Formkopf, der über die Bohrung übersteht und in seiner Funktionsweise einem Nietkopf ähnelt, geht kontinuierlich in einen Kragen über, der durch die Bohrung geführt ist und schließt wiederum kontinuierlich an das FVK-Material an. Durch die Verstärkungsfasern, die durch die Bohrung in den Formkopf verlaufen, resultiert eine hohe Festigkeit der Verbindung. Zusätzliche Verbindungselemente sind nicht erforderlich.
  • Die Matrix des Faserverbund-Kunststoffes basiert auf einem thermoplastischen Material. Diese ist durch Temperatureinwirkung plastisch verformbar, was sich vorteilhaft auf die Formgebung des Formkopfes auswirkt. Duroplatische Matrixmaterialien können ebenfalls zu Einsatz gelangen, wenn sie eine gewisse plastische Verformung zulassen.
  • Bevorzugt besteht das Gegenbauteil aus Metall, insbesondere Stahlblech oder Aluminiumblech. Generell sind jedoch alle strukturbildenden Materialien wie Kunststoff, Glas, Keramik oder Holz zweckmäßig.
  • Je nach Durchmesser der Bohrung im Gegenbauteil kann im Kragen der Verbindung ein Hohlraum auftreten, der verschiedenartig gefüllt werden kann. Vorzugsweise wird der Hohlraum durch einen Fadenabschnitt aus Thermoplastfasern oder Verstärkungsfasern geschlossen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden an Hand der folgenden Figuren näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 den ersten Verfahrensschritt, ein FVK-Bauteil wird flächig an ein Gegenbauteil gefügt,
  • Fig. 2 den zweiten Verfahrensschritt, ein Stempel drückt das FVK-Material durch eine Bohrung des Gegenbauteils,
  • Fig. 3 den dritten Verfahrensschritt, ein Gegenstempel formt den Formkopf,
  • Fig. 4 Querschnitt einer Verbindung von FVK-Bauteil und Gegenbauteil und
  • Fig. 5 eine Aufsicht auf die Verbindung aus Fig. 3 unter Berücksichtigung der Faserorientierung.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein FVK-Bauteil 1 und ein Gegenbauteil 2, das eine Bohrung 4 aufweist, gemäß Fig. 1 aneinandergefügt. Ein Stempel 6 mit eine spitzenförmigen Erhöhung 8 durchdringt das FVK-Bauteil 1 (Fig. 2). Hierbei werden die Fasern oder Gewebe des FVK-Materials aufgeteilt bzw. aufgerissen. Eine Kunststoff- Matrix des FVK-Bauteils 1 wird durch den Stempel 6 durchbrochen. Das FVK-Material wird durch die Spitze 8 durch die Bohrung 4 gedrückt. Die Spitze 8 ist derart ausgestaltet, dass sie in der Endposition etwa auf einer Höhe mit der Oberfläche des Gegenbauteils 2 befindet.
  • Im nächsten Verfahrensschritt nach Fig. 3 wird ein rotierender Gegenstempel 10 auf die Bohrung 4 geführt. Der Gegenstempel 10 weist an seiner Kopfseite eine Kontur 12 auf, die der Form eines zu formenden Formkopfs 14 entspricht. Durch die Rotation wird Wärmeenergie in den Formkopf 14 eingeführt, was zu einer Verformung der Kunststoff-Matrix führt. Gleichzeitig werden die Fasern 20 des FVK-Materials durch die Rotation des Gegenstempels 10 um die Bohrung 4 gedreht. Nach der Abkühlung bleibt die Verbindung dauerhaft in der gewünschten Form bestehen.
  • Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindung, hergestellt nach dem beschriebenen Verfahren. Das Gegenbauteil 2 ist im Bereich der Bohrung 4 von dem FVK-Material durchdrungen. An der Oberseite ist der Formkopf 14 ausgebildet, der am Rand der Bohrung 4 in einen Kragen 16 übergeht. In der Mitte der Verbindung bleibt ein Hohlraum 18 bestehen, der gegebenenfalls durch einen Füllstoff geschlossen werden kann.
  • In Fig. 5 ist eine Aufsicht auf die Verbindung nach Fig. 4 dargestellt. Es wird hierbei insbesondere die Orientierung der Fasern 20 schematisch berücksichtigt. Die Fasern 20 verlaufen im Kragen 16 bezüglich der Bohrung 4 in etwa axial. Im Übergangsbereich vom Kragen 16 zum Formkopf 14 sind die Fasern 20 bezüglich der Bohrung 4 radial in eine Richtung eingedreht. Die Festigkeit der Verbindung wird durch die Zugfestigkeit des FVK- Materials und somit durch die Festigkeit der Fasern bestimmt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verbinden von Faserverbund-Kunststoff- Bauteilen mit einem Gegenbauteil, wobei das Gegenbauteil eine Bohrung aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gegenbauteil und das Faserverbund-Kunststoff- Bauteil im Bereich der Bohrung flächig aufeinander liegen,
durch einen Stempel Fasern und Matrix des Faserverbund- Kunststoffes durch die Bohrung gedrückt werden
und durch einen Gegenstempel auf der Seite des Gegenbauteils das durchgedrückte Volumen des Faserverbund- Kunststoffes zu einem Formkopf geformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstempel rotiert und durch die Rotation ein Wärmeeintrag in die Verbindung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern durch die Rotation des Gegenstempels um die Bohrung gelegt werden.
4. Stempel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel an seiner Kopfseite eine Erhöhung aufweist, die in ihrer Höhe in etwa der Dicke der beiden zu verbindenden Bauteile entspricht.
5. Gegenstempel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, der Gegenstempel an seiner Kopfseite eine Kontur des zu formenden Formkopfes aufweist.
6. Verbindung zwischen einem Faserverbund-Kunststoff-Bauteil und einem Gegenbauteil, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
7. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Faserverbund-Kunststoff gebildete Formkopf auf der Seite des Gegenbauteils über der Bohrung übersteht..
8. Verbindung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbund-Kunststoff eine thermoplastische Matrix aufweist.
9. Verbindung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, der flächige Körper aus Metall, Kunststoff, Glas, Keramik oder Holz besteht.
10. Verbindung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung in Bohrungsmitte einen Hohlraum aufweist, der durch einen Fadenabschnitt aus Thermoplastfasern und/oder Verstärkungsfasern verschlossen ist.
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