DE102018205767A1

DE102018205767A1 - Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile

Info

Publication number: DE102018205767A1
Application number: DE102018205767.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Armin Karle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels einer Klebeverbindung und mittels Stanznieten, wobei zwischen zwei der Bauteile eine Klebeschicht (13) vorgesehen wird, bevor die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) zwischen einem Stempel (15) und einem Gegenhalter (18) einer Stanznietvorrichtung (10) angeordnet werden, wobei ein zwischen dem Stempel (15) und einem dem Stempel zugewandten Bauteil (11) der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet (20) mittels des Stempels (15) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) eingedrückt wird, indem der Stempel (15) mit einer Kraft (F) beaufschlagt wird, und wobei wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) vor und/oder bei dem Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers (32) in Schwingung versetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Klebeverbindung und mittels einer Stanznietvorrichtung bzw. mittels Stanznietens.
Stand der Technik
Verfahren zum Stanznieten dienen zum Verbinden wenigstens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile (Fügepartner). Ein Stanznietverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet mittels eines Stempels oder eines Stempelwerkzeugs in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, beispielsweise in Form einer Matrize, der mit dem Stempelwerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt ist, dass der Niet oder die Bauteile sich in einer bestimmten Art und Weise verformen, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen.
Weiterhin können zwei solche Fügepartner bzw. Bauteile mittels Kleben bzw. einer Klebeverbindung oder einer Klebeschicht, die zwischen den zwei Bauteilen vorgesehen wird, verbunden werden. Eine solche Klebeschicht wird dabei in der Regel zunächst auf eines der Bauteile aufgebracht, anschließend wird das andere Bauteil auf das erste Bauteil bzw. die darauf aufgebrachte Klebeschicht aufgebracht und insbesondere darauf gepresst bzw. gedrückt. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der DE 10 2014 218 693 A1 erwähnt. Während in der DE 10 2016 007 036 A1 das Kleben oder das Stanznieten als eine Verbindungsmethode erwähnt wird, die zusätzlich zu einem Verhaken zweier Bauteile angewendet werden kann, beschreibt die WO 2015/161999 A1 die gleichzeitige bzw. parallele Verwendung des Klebens und des Stanznietens. In diesem Fall spricht man auch von sog. Hybrid-Fügen.
Weiterhin ist beispielsweise aus der EP 2 318 161 B1 ein sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bekannt, bei dem ein Schwingungserzeuger wie beispielsweise ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird beispielsweise die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels einer Klebeverbindung und mittels Stanznietens, wobei zwischen zwei der Bauteile eine Klebeschicht vorgesehen wird, bevor die wenigstens zwei Bauteile zwischen einem Stempel und einem Gegenhalter einer Stanznietvorrichtung angeordnet werden. Dabei wird dann ein zwischen dem Stempel und einem dem Stempel zugewandten Bauteil der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet mittels des Stempels in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, indem der Stempel mit einer Kraft beaufschlagt wird. Der Stempel kann dabei insbesondere mittels eines Antriebs der Stanznietvorrichtung, der beispielsweise an einem Rahmen der Stanznietvorrichtung angeordnet ist, mit einer Kraft beaufschlagt werden. Hierbei handelt es sich also um ein bereits erwähntes, sog. Hybrid-Fügen, bei dem zwei oder mehr Bauteile sowohl mittels Verkleben als auch mittels eines oder mehrerer Niete verbunden werden, wodurch eine bessere Verbindungsqualität realisiert werden kann. Dies wird beispielsweise besonders bevorzugt im Karosseriebau verwendet. Es versteht sich, dass bei insgesamt mehr als zwei zu verbindenden Bauteilen auch zwischen jeweils zwei der Bauteile eine entsprechende Klebeschicht vorgesehen werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente vor und/oder bei dem Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers in Schwingung versetzt wird. Diese wenigstens eine beim Eindrücken des Niets beteiligte Komponente kann dabei insbesondere den Stempel umfassen, über welchen dann auch der Niet in Schwingung versetzt wird. Als Schwingungserzeuger kommt beispielsweise ein Frequenz- bzw. Schall-Generator, insbesondere ein Ultraschall-Generator, in Betracht.
Bei herkömmlichem Hybrid-Fügen unter Verwendung von Klebeverbindung und herkömmlichem Stanznieten, d.h. ohne Schwingungseinkopplung, hat sich herausgestellt, dass der applizierte Klebstoff (meist in der Form einer sog. Klebstoffraupe) während eines Positionierschrittes, in welcher der Niet auf dem ihm zugewandten Bauteil ausgerichtet bzw. positioniert wird, aus dem Fügebereich, d.h. dem Bereich, in dem der Niet in die Bauteile eingebracht bzw. eingedrückt werden soll, verdrängt werden muss, um nötige Qualitätsanforderungen an die Fügeverbindung sicherzustellen. Andernfalls, so hat sich gezeigt, entstehen unerwünschte Spannungen im Bereich der Verbindung. Außerdem sollten in dem Bereich, in dem der Niet eingebracht wird, beide Bauteile direkt aufeinander liegen, d.h. ohne eine Klebstoffschicht dazwischen, um eine möglichst gute Nietverbindung zu erreichen.
Nachdem das dem Niet zugewandte Bauteil dann vom Niet durchtrennt ist und der Umformvorgang beginnt, hemmt der Klebstofffilm andernfalls nämlich die Annäherung zwischen beiden Bauteilen bzw. Fügepartnern. Die im Prozess definierte Nietendpunktlage zwingt die Fügepartner zu einer spaltfreien Annäherung, welche durch den Klebstoff behindert wird. Durch die Klebeschicht bilden sich somit Biegespannungen in den Fügematerialien aus.
Nach dem Fügen einer Reihe von Verbindungen an einem Bauteil, wird der Klebstoff in der Regel in einem Ofen gehärtet. Ein übliches Temperaturprofil eines solchen Ofens bewirkt dabei meist zwei Effekte. Zum einen dehnen sich die Materialien der Fügepartner mit höher werdender Temperatur aus, zum anderen sinkt die Klebstoffviskosität mit höher werdender Temperatur.
Die entstandenen Biegespannungen (in Folge des Fügeprozesses) in den Materialien werden durch den Temperatureinfluss des Ofens abgebaut, während der Klebstoff zunehmend flüssiger wird und sich zwischen den Materialien im Fügespalt neu verteilt. Die Spannungen der Materialien werden also abgebaut und der Klebstoff ändert seine Spaltform. Jedoch werden z.B. Ein-Komponenten Strukturklebstoffe in der Regel ab einer Temperatur von ca. 180°C bei einer Haltezeit von 20 bis 30 min hart. Dies verhindert einen kompletten Abbau der Biegespannungen in den Fügepartnern bzw. Bauteilen. Die Spannungen, die nach dem Härtevorgang im Ofen noch vorhanden sind, sorgen für eine Deformation des Fügeflansches (bzw. der Fügezone oder des Fügebereiches), d.h. des Bereiches in dem der Niet eingebracht ist.
Bislang wurde daher, um den Klebstoff ausreichend aus dem Fügebereich zu verdrängen, sodass eine Abnahme der Fügequalität verhindert wird, am Ende des Prozessschrittes „Positionieren“ eine zusätzliche Haltezeit eingeplant bzw. vorgesehen. Eine solche Haltezeit bzw. Haltezeitdauer beträgt dabei ca. 0,5 s bis 1 s. Während dieser Haltezeit wird durch die auf den Niet und darüber auf die Bauteile ausgeübte Kraft der Klebestoff verdrängt. Der in der Regel pastöse Klebstoff würde ohne diese zusätzliche Haltezeit zu wenig verdrängt, was Auswirkungen auf die Verbindungsqualität (z.B. asymmetrische Fügeverbindung bzw. Verkippen des Nietes oder fehlender Hinterschnitt) hat.
Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt, dass durch die zusätzliche Einkopplung von Schwingungen, insbesondere Ultraschallschwingungen, in den Fügebereich vor bzw. bei dem Eindrücken des Niets, also insbesondere während der Phase bzw. des Prozessschrittes des Positionierens des Niets, sowie ggf. auch danach, der Klebstoff aus dem Fügebereich besonders effektiv verdrängt werden kann, und zwar ohne die zusätzliche Haltezeit. Durch die Schwingungseinkopplung bei einem solchen Hybrid-Fügen lässt sich also nicht nur der Klebstoff aus dem Bereich der Fügestelle besser verdrängen, was zu einer besseren Nietverbindung führt, sondern durch den Wegfall der Haltezeit lässt sich die Fügeverbindung auch schneller herstellen.
Dieser Effekt ist auch insofern überraschend, als die Schwingungseinkopplung beim Stanznieten eigentlich zu einer Reduzierung der zum Eindrücken des Niets benötigten Kraft führt, während beim Hybrid-Fügen bislang gerade die mitunter nicht unerhebliche Kraft genutzt wurde, um den Klebstoff aus dem Fügebereich zu verdrängen. Zugleich ergibt sich damit auch der Vorteil, dass durch die reduzierte Kraft etwaige Schädigungen an den Bauteilen vermieden bzw. reduziert werden.
Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens kommen somit besonders dann zur Geltung, wenn die Klebeschicht wenigstens teilweise in einem Bereich der zwei Bauteile vorgesehen wird, in dem nachfolgend der Niet eingebracht wird.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn beim Eindrücken des Niets zumindest anfangs eine Vorschubgeschwindigkeit für den Stempel von zwischen 1 mm/s und 100 mm/s, vorzugsweise zwischen 5 mm/s und 30 mm/s verwendet wird. Bei diesen Geschwindigkeiten ist die Verdrängung des Klebstoffs aus dem Fügebereich besonders effektiv, wie sich herausgestellt hat. Bevorzugt wird die Schwingung beim vorgeschlagenen Verfahren mit einer Amplitude zwischen 10 µm und 60 µm, vorzugsweise zwischen 35 µm und 50 µm, erzeugt. Als Frequenz kommen bevorzugt Werte zwischen 10 kHz und 35 kHz, vorzugsweise 20 kHz, in Betracht.
Da die Verdrängung des Klebstoffs, wie erwähnt, insbesondere durch die Schwingungseinkopplung und nicht mehr durch die ausgeübte Kraft erfolgt, ist auch eine reduzierte Kraft vorteilhaft. Besonders zweckmäßig ist es beispielsweise, wenn der Niet beim Eindrücken in oder während einer Phase, in welcher Klebstoff der Klebeschicht verdrängt wird (also einer Klebstoffverdrängungsphase), zumindest anfangs mit einer Kraft von höchstens 2 kN, vorzugsweise höchstens 1,5 kN, beaufschlagt wird.
Vorzugsweise werden in die wenigstens zwei Bauteile ein oder mehrere weitere Niete eingedrückt, und zwar insbesondere auf die gleiche Weise wie der (erste) Niet, sodass sich gleichartige oder gar identische Verbindungen hinsichtlich der Klebeverbindung und der Nietverbindungen ergeben. Insbesondere bei einer Reihe von neben- bzw. hintereinander angeordneten Nietverbindungen mit Klebeverbindung führt die vorgeschlagene Verdrängung des Klebstoffs mittels Schwingungseinkopplung zu deutlich geringeren Spannungen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die wenigstens zwei Bauteile, nachdem sie mittels der Klebeverbindung und des Eindrückens des Niets verbunden wurden, in einem Ofen erhitzt werden. Damit kann, wie schon erwähnt, die Klebeverbindung bzw. der verwendete Klebstoff ausgehärtet werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt vereinfacht und schematisch eine Anordnung mit einer Stanznietvorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 zeigt schematisch eine Stanznietvorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
3a bis 3d zeigen eine Stanznietvorrichtung bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4a und 4b zeigen einen Fügebereich bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich.
5 zeigt verbundene Bauteile bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform im Vergleich.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Anordnung mit einer Fertigungseinrichtung 100 gezeigt, welche wiederum eine Stanznietvorrichtung 10 aufweist. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich beispielsweise um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
Die Fertigungseinrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und zwei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Arme 4 und 5 auf.
Am Ende des Armes 5 ist die Stanznietvorrichtung 10 angeordnet, welche hier nur schematisch gezeigt und nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
Weiterhin ist eine Recheneinheit 80 gezeigt, bei der es sich beispielsweise um eine Steuereinheit der Stanznietvorrichtung 10 handelt. Die Recheneinheit 80 kann zudem auch als Steuereinheit für die gesamte Fertigungseinrichtung, d.h. neben der Stanznietvorrichtung insbesondere auch für die Ansteuerung der beweglichen Arme vorgesehen sein. Weiterhin sind Anzeigemittel 90, beispielsweise ein Display, vorgesehen, auf denen beispielsweise aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung angezeigt werden können. Es kann sich bei dem Element 90 auch um ein kombiniertes Anzeige-/Eingabemittel, z.B. einen Touchscreen, handeln.
Weiterhin ist schematisch ein Ofen 200 angedeutet, in dem beispielsweise zwei mittels der Stanznietvorrichtung 10 sowie zuvor mittels einer Klebeverbindung verbundene Bauteile 11, 12 erhitzt werden können und damit die Klebeverbindung gehärtet werden kann. Ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform stellt sich dann beispielsweise so dar, dass zwischen den beiden Bauteile 11, 12 zunächst eine Klebeschicht vorgesehen wird. Dann werden die Bauteile 11, 12 unter Verwendung der Stanznietvorrichtung 10 bzw. der Fertigungseinrichtung 100 mit einem oder mehreren Nieten vernietet. Nachfolgend werden die Bauteile 11, 12 in den Ofen 200 verbracht, um dort erhitzt zu werden.
In 2 ist schematisch eine Stanznietvorrichtung 10 dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Rahmen 60 auf, der vorzugsweise in Form eines C-Rahmens oder C-Bügels vorliegt, an welchem die einzelnen Komponenten bei einer Stanznietvorrichtung in der Regel angeordnet sind, um die gewünschte Position zueinander einnehmen zu können. Über den Rahmen 60 kann die Stanznietvorrichtung 10 beispielsweise an einem Arm wie in 1 gezeigt befestigt sein.
Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel (bzw. eine Sonotrode) 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Der Stempel 15 ist von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter ist hierbei vorzugsweise an einem sog. Nullamplitudendurchgang des Stempels, d.h. einer Position des Stempels, an der Schwingungsamplituden Null oder zumindest möglichst gering sind, mittels einer Feder befestigt. Insbesondere ist der Stempel 15 mit einem Antrieb 50 gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken eines Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels der Recheneinheit 80 gesteuert werden. Dabei kann die Kraft F beispielsweise über einen Sollwert vorgegeben und als Istwert erfasst werden.
Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken. Hierzu kann beispielsweise ein eigener Antrieb vorgesehen sein. Jedoch kann der Niederhalter 16 auch (wie hier gezeigt) an den Antrieb 50 des Stempels 15 oder an den Stempel 15 selbst gekoppelt sein, beispielsweise mittels einer Feder.
Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Der Stempel 15 und die Matrize 18 sind in vertikaler Richtung, wie auch der Niederhalter 16, beweglich angeordnet und relativ zueinander bewegbar. Der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen dem Niederhalter 16 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken. Zwischen den beiden Bauteilen 11, 12 ist eine Klebeschicht 13 vorgesehen.
Der Niet 20, hier beispielhaft ein Halbhohlstanzniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich eines Nietschafts. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite des Niets ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
Der Stempel 15 ist mit einem (elektro-mechanischen) Schwingungskonverter 30, beispielsweise einem Piezokonverter, wirkverbunden. Der Schwingungskonverter 30 wiederum ist mit einem (elektrischen) Schwingungserzeuger 32, beispielsweise einem Frequenz- bzw. Ultraschallgenerator, verbunden. Auf diese Weise können Schwingungen S bzw. Vibrationen erzeugt und auf den Stempel, und damit den Niet eingekoppelt werden. Insbesondere werden mittels des Schwingungserzeugers 32 und des Schwingungskonverters 30 Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung, insbesondere gemessen an der Schnittstelle zwischen Stempel und Niet) zwischen 20 µm und 120 µm (entspricht einer Amplitude von 10 µm bis 60 µm) und einer Frequenz zwischen 10 kHz und 35 kHz oder ggf. auch höher erzeugt. Der Schwingungserzeuger 32 ist an die Recheneinheit 80 angebunden (oder kann auch Teil der Recheneinheit sein) und kann von dieser angesteuert werden.
Bei dem Antrieb 50 kann es sich beispielsweise um einen Antrieb mit Kugel-, Rollen-, Planetengewinde- oder Gewinderollenschraubtrieb oder dergleichen handeln, der dazu geeignet ist, die Kraft F zum Eindrücken des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 aufzubringen. An dem Antrieb 50 ist eine Haltevorrichtung 35, beispielsweise in Form eines Rahmens oder eines Gestells, angebracht. An der Haltevorrichtung 35 ist ein Schwingsystem 39, das vorliegend den Schwingungskonverter 30, einen Booster (Amplitudenverstärker) 31 sowie den Stempel bzw. die Sonotrode 15 umfasst, angeordnet.
In den 3a bis 3d ist die Stanznietvorrichtung 10, wie sie in 2 detaillierter beschrieben wurde, bei verschiedenen Phasen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt.
Weiterhin ist beispielhaft ein Positionssensor 40 gezeigt, der dazu eingerichtet ist, eine Position oder einen Weg x des Stempels 15 zu erfassen. Diese Position x kann dabei an die Recheneinheit 80 übermittelt werden. Die Position des Stempels kann jedoch beispielsweise auch über den Antrieb des Stempels ermittelt werden, beispielsweise bei einem Kugelgewindetrieb über eine Steigung des Gewindes und eine Anzahl an Umdrehungen.
Die in 3a gezeigte Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt noch vor Beginn des eigentlichen Stanznietens, es handelt sich um ein sog. „Vorpositionieren“. Diese Phase bzw. dieser Prozessschritt ist hier mit P₁ bezeichnet. Hierbei wird das Fügewerkzeug, insbesondere der Stempel 15 mit Niet 20 und Niederhalter 16 über dem Bauteil 11 positioniert, noch ohne dieses zu berühren. Der Niet 20 kann am Stempel 15 beispielsweise magnetisch oder durch Unterdruck gehalten werden. Der Niet 20 weist einen Nietschaft 24 und eine Oberseite 26 auf.
Weiterhin ist hier auch die Klebeschicht 13 zu sehen, die zwischen den beiden Bauteilen 11 und 12 vorgesehen ist. Die Klebeschicht 13 kann, wie in Bezug auf 1 erwähnt, in einem vorangehenden Schritt, beispielsweise mittels einer geeigneten Vorrichtung, vorgesehen bzw. auf eines der Bauteile aufgebracht werden.
In einer in 3b gezeigten weiteren Phase, hier mit P₂ bezeichnet, d.h. während des weiteren Verlaufs des Nietvorgangs bzw. des Stanznietens, wird der Nietschaft 24 in Wirkverbindung mit der Oberseite des Bauteils 11 gebracht. Dabei wird der Stempel 15 mit der Kraft F zunächst leicht gegen das dem Stempel 15 zugewandte Bauteil 11 gedrückt. Zugleich kann, wie angedeutet, durch den Niederhalter 16 eine Kraft auf das Bauteil 11 ausgeübt werden. Diese Phase stellt den eigentlichen Beginn des Stanznietverfahrens dar und wird als sog. „Positionieren“ bezeichnet, da hier der Niet 20 in die richtige Position gebracht wird.
Währenddessen wird nun bereits durch die erzeugten Schwingungen begonnen, den Klebstoff aus dem Bereich B, dem sog. Fügebereich, in dem der Niet eingerückt werden soll, zu verdrängen. Zudem ist zu erkennen, dass die Klebeschicht 13 durch die wirkende Kraft (wenngleich diese relativ gering sein kann) sowie die eingekoppelten Schwingungen im Vergleich zur Phase P₁ dünner geworden ist. Mit anderen Worten wird der Klebstoff verdrängt.
In einer in 3c gezeigten weiteren Phase, hier mit P₃ bezeichnet, d.h. während des weiteren Verlaufs des Nietvorgangs und unter Unterstützung der in die Bauteile 11, 12 eingekoppelten Schwingungen schneidet bzw. stanzt der Nietschaft 24 sich zunächst in das Bauteil 11 ein. Diese Phase wird damit auch als Phase „Schneiden bzw. Stanzen“ bezeichnet. Dabei werden die beiden Bauteile 11, 12 plastisch verformt, wobei das einer Ausnehmung 22 der Matrize 18 zugewandte Bauteil 12 in den entsprechenden Bereichen in die Ausnehmung 22 eingedrückt wird.
Weiterhin ist zu erkennen, dass der Klebstoff in der Klebeschicht 13 insbesondere im Bereich des Nietschafts vollständig verdrängt wurde, sodass sich die beiden Bauteile 11, 12 berühren. Lediglich in einem Bereich innerhalb des Nietschafts, dem sog. Butzen, kann ein Rest an Klebstoff verbleiben, der das Nietergebnis jedoch nicht oder allenfalls unwesentlich beeinträchtigt.
Während des weiteren Bewegungswegs bzw. der weiteren Abwärtsbewegung des Niets 20 entsprechend der 3d wird der Nietschaft 24 im Bereich der Ausnehmung 22 nach außen gespreizt, wodurch die beiden Bauteile 11, 12 in Axialrichtung sicher form- und kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Diese Phase wird demzufolge auch als Phase P₄ , „Einformen und Nietspreizen“ bezeichnet. Wesentlich kann dabei sein, dass wie die Endposition des Niets 20 zeigt, der Nietschaft 24 nicht aus dem Bauteil 12 herausragt bzw. dieses nicht vollständig durchdringt.
Nachdem der Niet 20 die in der 3d dargestellte Endposition erreicht hat, bei der die Oberseite 26 des Niets 20 zumindest in etwa bündig mit der Oberseite des Bauteils 11 abschließt, wird anschließend der Stempel 15 wieder von den Bauteilen 11, 12 in entgegengesetzter Richtung nach oben bewegt. Die Bauteile 11, 12 können nun für einen neuen Nietvorgang umpositioniert werden. Denkbar ist natürlich auch, dass die Stanznietvorrichtung an eine andere Position an den Bauteilen 11, 12 verbracht wird.
Nach Fertigstellung der Stanznietverbindungen können die Bauteile 11, 12 dann, wie erwähnt, in den Ofen verbracht werden, um erhitzt zu werden.
In den 4a und 4b sind ein Fügebereich bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren (vgl. 4a) und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform (vgl. 4b) im Vergleich dargestellt.
Dabei ist insbesondere jeweils mittig ein Bereich mit verdrängtem Klebstoff zu erkennen. Sowohl die Breite b als auch die Länge I des Bereichs an verdrängtem Klebstoff sind bei Schwingungseinkopplung, insbesondere Ultraschalleinkopplung, deutlich größer und gleichmäßiger (vgl. 4b) als ohne solche Schwingungseinkopplung (vgl. 4a).
Erreichbare Werte für Breite und Länge sind bei einer Amplitude von 38 µm für die Schwingung beispielsweise b ≈30 mm und I ≈ 45 mm. Die zugehörigen Werte ohne Schwingungseinkopplung betragen beispielsweise b ≈ 15 mm und I ≈ 38 mm. An diesem Beispiel ist zu sehen, dass in dem Fügebereich für den Niet der Klebstoff durch die Schwingungseinkopplung deutlich besser verdrängt werden kann.
In 5 sind verbundene Bauteile 11, 12 bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren (unten) und bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform (oben) im Vergleich dargestellt. In beiden Fällen wurden die Bauteile nach dem Fügen in einem Ofen wärmebehandelt.
Dabei ist deutlich zu erkennen, dass im Fall mit Schwingungseinkopplung (oben) eine geringere Biegung vorhanden ist, was auf geringere Spannungen in den Bauteilen und insbesondere im Bereich der Niete bzw. Fügestellen zurückzuführen ist.
Die verbesserte, gleichmäßigere Klebstoffverdrängung, die mit der Schwingungseinkopplung bzw. der Schallüberlagerung einhergeht, sorgt während des Fügeprozesses für einen reduzierten Aufbau von Biegespannungen in den Materialien der Fügepartner. Dadurch müssen während des Aushärtens des Klebstoffs im Ofen weniger Spannungen abgebaut werden. Somit sind die nach dem Ofenprozess zurückbleibenden Fügespannungen im Bauteil ebenfalls kleiner. Eine schwächere Deformation des Fügeflansches bzw. Fügebereiches ist somit die Folge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014218693 A1 [0003]
DE 102016007036 A1 [0003]
WO 2015/161999 A1 [0003]
EP 2318161 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile (11, 12) mittels einer Klebeverbindung und mittels Stanznieten, wobei zwischen zwei der Bauteile eine Klebeschicht (13) vorgesehen wird, bevor die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) zwischen einem Stempel (15) und einem Gegenhalter (18) einer Stanznietvorrichtung (10) angeordnet werden, wobei ein zwischen dem Stempel (15) und einem dem Stempel zugewandten Bauteil (11) der wenigstens zwei Bauteile angeordneter Niet (20) mittels des Stempels (15) in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) eingedrückt wird, indem der Stempel (15) mit einer Kraft (F) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20) vor und/oder bei dem Eindrücken mittels eines Schwingungserzeugers (32) in Schwingung versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klebeschicht (13) wenigstens teilweise in einem Bereich (B) der zwei Bauteile vorgesehen wird, in dem nachfolgend der Niet (20) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Eindrücken des Niets (20) eine Vorschubgeschwindigkeit für den Stempel (15) von zwischen 1 mm/s und 100 mm/s, vorzugsweise zwischen 5 mm/s und 30 mm/s verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schwingung (S) mit einer Amplitude von zwischen 10 µm und 60 µm, vorzugsweise zwischen 35 µm und 50 µm, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schwingung (S) mit einer Frequenz von zwischen 10 kHz bis 35 kHz, vorzugsweise 20 kHz, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Niet (20) beim Eindrücken während einer Phase, in welcher Klebstoff der Klebeschicht verdrängt wird, mit einer Kraft (F) von höchstens 2 kN beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stempel (15) mittels eines Antriebs (50) der Stanznietvorrichtung (10) mit einer Kraft (F) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine beim Eindrücken des Niets (20) beteiligte Komponente (11, 12, 15, 18, 20), die vor und/oder bei dem Eindrücken mittels des Schwingungserzeugers (32) in Schwingung versetzt wird, den Stempel (15) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Schwingungserzeuger (32) ein Frequenz-Generator, insbesondere Schall-Generator, insbesondere ein Ultraschall-Generator, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in die wenigstens zwei Bauteile (11, 12) ein oder mehrere weitere Niete eingedrückt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Bauteile (11, 12), nachdem sie mittels der Klebeschicht (13) und des Eindrückens des Niets (13) verbunden wurden, in einem Ofen zum Aushärten der Klebeschicht (13) erhitzt werden.