DE102014206375B4

DE102014206375B4 - Reibschweiß-Vorrichtung zum Fügen von Bauteilen, von denen wenigstens eines aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist

Info

Publication number: DE102014206375B4
Application number: DE102014206375.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Forster; Julia Wagner; Maximilian Wilhelm
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CN104972648A; DE102014206375A1

Abstract

Reibschweiß-Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Fügen von Bauteilen (12, 14), von denen wenigstens eines aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist und die durch Reibschweißen unter Verwendung eines anfänglich separaten Reibelements (20) zu einem Bauteilverbund gefügt werden, wobei das Reibelement (20) im Zuge des Reibschweißens zu einem festen Bestandteil des Bauteilverbunds wird, wobei die Vorrichtung einen Niederhalter (16) zur Fixierung der Bauteile (12, 14) und einem Antrieb (18) zum Drehen und Niederdrücken des Reibelements (20) umfasst, wobei die vom Niederhalter (16) auf die Bauteile (12, 14) ausgeübte Kraft unabhängig von der vom Antrieb (18) auf das Reibelement (20) ausgeübten Kraft einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (16) über eine aktive Regelung zur Einstellung der auf die Bauteile (12, 14) ausgeübten Kraft verfügt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibschweiß-Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Fügen von Bauteilen, von denen wenigstens eines aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
Es hat sich gezeigt, dass viele konventionelle Fügemethoden für bestimmte Materialkombinationen nicht geeignet oder nicht wirtschaftlich sind, insbesondere wenn - den aktuellen Trends im Automobilbau und anderen Industriezweigen folgend - Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff mit Bauteilen aus einem anderen, in der Regel metallischen Material verbunden werden sollen. Bislang wurden Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff üblicherweise mittels Blindnieten oder Stanznieten gefügt. Das Blindnieten stellt jedoch ein sehr kostenintensives Verfahren in Bezug auf die verwendete Anlagentechnik, aber auch auf die verwendeten Elemente (Blindniete) dar. Für das Blindnieten sind zudem in allen zu fügenden Bauteilen Vorlöcher vorzusehen. Mittels Stanznieten können nur Werkstoffe mit einer Güte bis zu einer gewissen Untergrenze und nur in einem bestimmten Dickenbereich gefügt werden.
Die nachveröffentlichte DE 10 2013 202 583 B3 beschreibt ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, von denen wenigstens eines aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Die Bauteile werden durch Reibschweißen unter Verwendung eines anfänglich separaten Reibelements zu einem Bauteilverbund gefügt. Dabei wird das Reibelement im Zuge des Reibschweißens zu einem festen Bestandteil des Bauteilverbunds.
Die ebenfalls nachveröffentlichte DE 10 2012 215 908 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Direktverschrauben von wenigstens zwei Bauteilen unter Verwendung einer loch- und gewindeformenden Schraube. Die Vorrichtung umfasst einen Niederhalter zur Fixierung der Bauteile und einen Antrieb zum Drehen und Niederdrücken der Schraube. Dabei ist die vom Niederhalter auf die Bauteile ausgeübte Kraft einstellbar, und zwar unabhängig von der vom Antrieb auf die Schraube ausgeübten Kraft.
Aus der DE 10 2006 013 529 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von zwei aneinander anliegenden Werkstücken bekannt, bei dem ein separates Fügeelement durch eine rotatorische und translatorische Bewegung durch das obere Werkstück hindurchbewegt und in das untere Werkstück rotierend eingedrückt wird, ohne das untere Werkstück zu durchdringen, um durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine überwiegend stoffschlüssige Verbindung mit dem unteren Werkstück einzugehen. Das obere Werkstück kann aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, und das untere Werkstück aus Metall bestehen. Bei dem Fügeverfahren kommt ein Niederhalter zum Einsatz der benachbart zur Fügestelle eine Niederhalterkraft auf die zu fügenden Werkstücke ausübt, um ein Abheben des oberen Werkstückes vom unteren Werkstück zu verhindern.
Die DE 10 2008 028 687 A1 beschreibt eine Reibschweißverbindung von zwei aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen, die von einem Verbindungskörper zusammengehalten sind, der mit einem Bund auf dem oberen Bauteil aufsitzt und der nach Durchdringen des oberen Bauteils mit seiner Stirnseite als Reibschweißfläche eine durch Rotation und Druck des Verbindungskörpers erzeugte Reibschweißzone an dem unteren Bauteil bildet. Während das untere Bauteil zwingend aus Stahl besteht, kann das obere Bauteil auch aus Kunststoff bestehen.
In der nachveröffentlichten EP 2 762 731 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen beschrieben, bei dem die Bauteile durch Reibschweißen unter Verwendung eines anfänglich separaten Reibelements zu einem Bauteilverbund gefügt werden. Das dem Reibelement zugewandte Bauteil kann aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet sein. Das Reibelement wird im Zuge des Reibschweißens zu einem festen Bestandteil des Bauteilverbunds.
Aus der DE 103 48 427 A1 zeigt einen Niederhalter für eine Vorrichtung zur Direktverschraubung mehrerer Bauteile, bei dem die Niederhalterkraft durch eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, bereitgestellt wird. Mittels einer Einstellvorrichtung kann die Niederhaltekraft der Feder eingestellt werden. Weiterer relevanter Stand der Technik findet sich in der DE 10 2007 031 604 A1 .
Aufgabe der Erfindung ist es, das Fügen von Bauteilen aus einem faserverstärkten Kunststoff mit anderen, insbesondere metallischen Bauteilen, möglichst ohne die oben genannten Nachteile zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei einem nicht-erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen von Bauteilen, von denen wenigstens eines aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist, werden die Bauteile durch Reibschweißen unter Verwendung eines anfänglich separaten Reibelements zu einem Bauteilverbund gefügt. Dabei wird das Reibelement im Zuge des Reibschweißens zu einem festen Bestandteil des Bauteilverbunds.
Das Reibschweißen in seiner allgemeinen Form (ohne separates Reibelement) ist als hochproduktives Verfahren zum Fügen von Werkstücken aus (unterschiedlichen) Metallen oder Legierungen bereits etabliert. Die zu fügenden metallischen Werkstücke werden unter Druck relativ zueinander bewegt. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung und Plastifizierung des Materials. Am Ende des Reibvorgangs müssen die Werkstücke richtig zueinander positioniert sein und sollten noch solange einem hohen Druck ausgesetzt bleiben, bis die Bereiche, in denen eine Gefügeumwandlung stattgefunden hat, homogenisiert sind. Das Reibschweißen von metallischen Werkstücken wird anderen Schweißverfahren meist deshalb vorgezogen, weil die Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist und es nicht zur Bildung von Schmelze in der Fügezone kommt. Außerdem hat das Reibschweißen gegenüber konventionellen Schweißverfahren Vorteile in Bezug auf Eigenspannungen, Verzug und Festigkeit.
Das Reibschweißen kann unter Verwendung eines anfänglich separaten Reibelements (nachfolgend als Reibelementschweißen bezeichnet) zum Fügen von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen genutzt werden, wenn durch den Reibschweißvorgang wenigstens eines der zu fügenden Bauteile eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung mit dem Reibelement eingehen kann. Beim Reibelementschweißen dringt das rotierende Reibelement in axialer Richtung durch das bzw. die oberen Bauteile hindurch und erzeugt durch Reibwärme und hohen axialen Druck eine in der Regel stoffschlüssige Verbindung mit dem unteren Bauteil. Das Reibelement liegt am Ende mit seinem Kopfteil auf dem obersten Bauteil auf, sodass eine axiale Klemmkraft erzeugt wird. Wie allgemein beim Reibschweißen üblich wird die Schmelztemperatur des untersten Bauteils nicht erreicht, wodurch Heißrisse und größere Eigenspannungen in der Wärmeeinflusszone vermieden werden.
Ein solches Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Verbunds aus einem faserverstärkten Kunststoff-Bauteil und einem metallischen Bauteil, wobei das Reibelement vorzugsweise ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist. Es ist aber nicht zwingend notwendig, dass das metallische Bauteil und das Reibelement aus demselben Werkstoff gebildet sind, solange sie als Materialkombination für das Reibschweißen prinzipiell geeignet sind.
Grundsätzlich können mit einem solchen Verfahren auch mehr als zwei übereinander angeordnete Bauteile gleichzeitig miteinander verbunden werden, solange die Gesamtdicke der Bauteile in Bezug auf die Abmessungen des Reibelements nicht zu groß ist. In diesem Fall ist vorzugsweise wenigstens das unterste, also das anfänglich vom Reibelement am weitesten entfernte Bauteil aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Verfahrens besteht darin, dass - im Gegensatz zum Blindnieten oder Schrauben - entweder gar keine Vorlöcher erforderlich sind oder dass sich diese nicht perfekt überdecken müssen. Dadurch kann die ansonsten unvermeidliche Toleranzkettenproblematik umgangen werden. Außerdem können wesentlich größere Werkstoffgüte- und Werkstoffdickenbereiche als beim Stanznieten abgedeckt werden.
Zum Reibschweißen kannn ein Reibelement mit einem Kopfteil verwendet, dessen untere Auflagefläche weitgehend plan ist und entweder gar keine oder nur eine kleine Auskehlung aufweist. Während des Fügens ist die untere Auflagefläche dann parallel zur freien Oberfläche des dem Reibelement zugewandten Bauteils ausgerichtet. Die genannten Eigenschaften der unteren Auflagefläche sind auf übliche, kommerziell erhältliche Reibelemente zu beziehen, die eine zweckbestimmte Auskehlung zur Aufnahme von aufsteigendem Material aufweisen. Im Vergleich zu solchen Reibelementen soll also entweder eine deutlich kleinere oder gar keine Auskehlung vorgesehen und die untere Auflagefläche dementsprechend weitgehend plan sein. Eine solche Gestaltung des Reibelements ist möglich, da während des Fügevorgangs von dem Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoff kein zusammenhängendes Materialvolumen nach oben steigt, das aufgenommen werden müsste. Somit kann die effektive Auflagefläche des Reibelements vergrößert werden, um eine besser verteilte Krafteinleitung zu erreichen. Insbesondere ist eine Ausdehnung der Auflagefläche auf den Bereich des oberen Bauteils möglich, der durch das Eindringen des Reibelements geschädigt ist. Dieser Bereich wird in vorteilhafter Weise durch die Vorspannung des Reibelements stabilisiert, wie später noch genauer erläutert wird.
Die Erfindung schafft eine Reibschweiß-Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Niederhalter zur Fixierung der Bauteile und einen Antrieb zum Drehen und Niederdrücken des Reibelements. Dabei ist die vom Niederhalter auf die Bauteile ausgeübte Kraft einstellbar, und zwar unabhängig von der vom Antrieb auf das Reibelement ausgeübten Kraft.
Gemäß der Erfindung verfügt der Niederhalter über eine aktive Regelung zur Einstellung der auf die Bauteile ausgeübten Kraft. Die Regelung gewährleistet kontinuierlich eine optimale Anpresskraft, ohne dass hierfür ein manuelles Eingreifen erforderlich ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Reibschweiß-Fügevorrichtung;
- 2 eine Schnittansicht einer durch Reibelementschweißen hergestellten Verbindung zweier Bauteile; und
- 3 eine Schnittansicht einer weiteren durch Reibelementschweißen hergestellten Verbindung zweier Bauteile.

In 1 ist vereinfacht eine Fügevorrichtung 10 dargestellt, mit der zwei (oder mehr) Bauteile 12, 14 durch Reibelementschweißen gefügt werden können. Das untere Bauteil 12 besteht aus einem metallischen Werkstoff, das obere Bauteil 14 aus einem faserverstärkten Kunststoff.
Die Vorrichtung umfasst einen Niederhalter 16 zur Fixierung der Bauteile 12, 14 sowie zur Verhinderung des Abhebens der Bauteile 12, 14 durch Material, das im Verlaufe des Reibelementschweißens aufsteigt. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Antrieb 18 zum Drehen und Niederdrücken eines Reibelements 20. Die Drehmoment- bzw. Kraftübertragung kann beispielsweise über ein am Kopfteil 22 des Reibelements 20 angreifendes Bit erfolgen. Der Niederhalter 16 wird aktiv geregelt, sodass die Kraft auf die Bauteile 12, 14 unabhängig von der Kraft, die der Antrieb 18 auf das Reibelement 20 ausübt, einstellbar ist.
Mit der in 1 gezeigten Fügevorrichtung 10 werden die Bauteile 12, 14 gefügt, indem das Reibelement 20 durch den Antrieb 18 in Drehung versetzt und niedergedrückt wird. Das Reibelement 20 durchdringt dabei das obere Bauteil 14 (sowie etwaige weitere unter dem oberen Bauteil 14 angeordnete Bauteile) und erzeugt mit dem unteren Bauteil 12 eine stoffschlüssige Verbindung. Die Materialien des unteren Bauteils 12 und des Reibelements 20 sind entsprechend aufeinander abgestimmt. Da das obere Bauteil 14 aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist, steigt während des Fügevorgangs - anders als bei einem metallischen Bauteil - kein oder nur wenig zusammenhängendes Material nach oben.
In 2 ist eine durch Reibelementschweißen hergestellte Verbindung der Bauteile 12, 14 im Detail dargestellt, wobei hier ein herkömmliches Reibelement 20 verwendet wurde. Der Kopfteil 22 des Reibelements 20 weist auf seiner Unterseite eine relativ große Auskehlung 24 auf. Die Auskehlung 24 bildet eine Aufnahme für ein Materialvolumen, das beim Reibelementschweißen bislang üblicher Materialkombinationen nach oben steigt. Dabei handelt es sich großteils um Material des oberen Bauteils, wenn dieses aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, zum Teil aber auch um Material vom Reibelement 20 selbst. Da jedoch im vorliegenden Fall das obere Bauteil 14 gerade nicht aus einem metallischen Werkstoff, sondern aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht, muss kein oder nur wenig aufsteigendes Materialvolumen aufgenommen werden. Die Auskehlung 24 bleibt somit weitgehend leer.
Diese Konstellation kann sich ungünstig auf die Stabilität des oberen Bauteils 14 auswirken. Wie in 2 zu erkennen ist, ist die effektive Auflagefläche 26 des Kopfteils 22, über die die Klemmkraft (axiale Vorspannung) auf das obere Bauteil 14 ausgeübt wird, relativ klein. Aufgrund des hohen lokalen Drucks entsteht eine Art Keilwirkung, die dazu führen kann, dass sich unterhalb der Auskehlung 24 durch den Fügeprozess geschädigtes Material vom oberen Bauteil 14 abheben oder ablösen und in die Auskehlung 24 eindringen kann. Dies kann eine Verringerung der Lochleibungsfestigkeit und sich weiter ausbreitende Schädigungen im oberen Bauteil 14 zur Folge haben.
Abhilfe schafft die in 3 gezeigte Ausführungsform des Reibelements 20, dessen Kopfteil 22 eine weitgehend plane Unterseite mit einer nur sehr kleinen Auskehlung 24 aufweist. Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die effektive Auflagefläche 26 also deutlich größer. Dies führt zu einer besseren Kraftverteilung. Positiv zu werten ist hierbei insbesondere, dass eine Vorspannung auch auf den unmittelbar an das Reibelement 20 angrenzenden, durch das Fügen geschädigten Bereich des oberen Bauelements 14 ausgeübt wird. Damit ist die Lochleibungsfestigkeit verbessert, und die Gefahr sich von der Fügestelle ausbreitender Schädigungen des oberen Bauteils 14 ist verringert.
Grundsätzlich kann auf eine Auskehlung 24 auch ganz verzichtet werden.
Bezugszeichenliste

10: Fügevorrichtung
12: unteres Bauteil
14: oberes Bauteil
16: Niederhalter
18: Antrieb
20: Reibelement
22: Kopfteil
24: Auskehlung
26: Auflagefläche

Claims

Reibschweiß-Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Fügen von Bauteilen (12, 14), von denen wenigstens eines aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist und die durch Reibschweißen unter Verwendung eines anfänglich separaten Reibelements (20) zu einem Bauteilverbund gefügt werden, wobei das Reibelement (20) im Zuge des Reibschweißens zu einem festen Bestandteil des Bauteilverbunds wird, wobei die Vorrichtung einen Niederhalter (16) zur Fixierung der Bauteile (12, 14) und einem Antrieb (18) zum Drehen und Niederdrücken des Reibelements (20) umfasst, wobei die vom Niederhalter (16) auf die Bauteile (12, 14) ausgeübte Kraft unabhängig von der vom Antrieb (18) auf das Reibelement (20) ausgeübten Kraft einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederhalter (16) über eine aktive Regelung zur Einstellung der auf die Bauteile (12, 14) ausgeübten Kraft verfügt.