DE102013018530B4 - Vorlochfrei screwed component composite with at least one FRP component and at least one sheet metal component, and method for producing the FRP component and the composite component - Google Patents

Vorlochfrei screwed component composite with at least one FRP component and at least one sheet metal component, and method for producing the FRP component and the composite component Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines FVK-Bauteils (100), welches nachfolgend an wenigstens einer Verschraubungsstelle (300) durch eine loch- und gewindeformende Schraube (400) mit wenigstens einem Blechbauteil (200) gefügt werden soll, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Fasern enthaltenden Ausgangsmaterials; – Erzeugen einer lokalen Aufweitung an der vorgesehenen Verschraubungsstelle (300) durch beschädigungsfreies Verdrängen der Fasern mit Hilfe eines Dornwerkzeugs; und – Fertigstellen des FVK-Bauteils (100), wobei die Fasern von einem Harzmaterial umschlossen werden und sich in der Aufweitung eine faserfreie Harzfüllung (110) ausbildet. Die Erfindung betrifft ferner einen Bauteilverbund (500) mit wenigstens einem nach diesem Verfahren hergestellten FVK-Bauteil (100), sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteilverbunds (500).The invention relates to a method for producing a FRP component (100), which is subsequently to be joined to at least one screwing point (300) by a hole-forming and thread-forming screw (400) having at least one sheet-metal component (200), comprising the following steps: Providing a fiber-containing starting material; - Creating a local expansion at the intended Verschraubungsstelle (300) by damage-free displacement of the fibers by means of a mandrel tool; and - finishing the FRP component (100), wherein the fibers are enclosed by a resin material and in the expansion a fiber-free resin filling (110) is formed. The invention further relates to a component assembly (500) having at least one FRP component (100) produced by this method, and to a method for producing such a component assembly (500).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines FVK-Bauteils, welches nachfolgend an wenigstens einer Verschraubungsstelle durch eine loch- und gewindeformende Schraube mit wenigstens einem Blechbauteil gefügt werden soll.The invention relates to a method for producing a FRP component, which is subsequently to be joined to at least one bolting point by a hole and thread-forming screw with at least one sheet metal component.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds zwischen wenigstens einem FVK-Bauteil und wenigstens einem Blechbauteil mit Hilfe wenigstens einer loch- und gewindeformenden Schraube.The invention further relates to a method for producing a component composite between at least one FRP component and at least one sheet metal component with the aid of at least one hole and thread-forming screw.

Die Erfindung betrifft auch einen Bauteilverbund mit wenigstens einem FVK-Bauteil und wenigstens einem Blechbauteil, die mit Hilfe wenigstens einer loch- und gewindeformenden Schraube miteinander gefügt sind.The invention also relates to a composite component with at least one FRP component and at least one sheet metal component, which are joined together by means of at least one hole and thread-forming screw.

Die Offenlegungsschrift DE 37 15 409 A1 zeigt ein Verfahren zum Formen von Löchern für mechanische Befestigungselemente in einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, gemäß welchem spitze Dorne durch das noch nicht ausgehärtete Material hindurchgestoßen werden und das Material dann ausgehärtet wird, während die Dorne an Ort und Stelle verbleiben.The publication DE 37 15 409 A1 shows a method of forming holes for mechanical fasteners in a fiber reinforced composite, according to which pointed mandrels are pushed through the uncured material and the material is then cured while the mandrels remain in place.

Aus der DE 10 2006 018 051 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Befestigungspunktes in plattenförmigen Materialien, mit einer Kernlage, die gegenüber den Deckschichten eine geringere Dichte aufweist, derart, dass nach Herstellen einer Zugangsbohrung durch eine Deckschicht ein Hohlraum durch Räumen der Kernlage erzeugt wird, dieser mit einer fließfähigen und aushärtbaren Füllmasse verfüllt wird bekannt. Außerdem wird ein Werkzeug zur Erzeugung eines Hohlraumes in plattenförmigen Materialien, mit einer Kernlage, die gegenüber den Deckschichten eine geringere Dichte aufweist, bestehend aus einer Welle zum Einsetzen in eine Zugangsbohrung, die von einer Hülse und einer in der Hülse axial verschiebbar gelagerten Vorschubwelle gebildet wird, sowie einer gelenkig aufgehängten Schneide, die zur Erzeugung eines Hohlraumes radial ausschwenkbar ist offenbart.From the DE 10 2006 018 051 A1 is a method for producing a point of attachment in plate-like materials, with a core layer having a lower density compared to the cover layers, such that after making an access hole through a cover layer a cavity is created by broaching the core layer, this with a flowable and curable filling material filled is known. In addition, a tool for creating a cavity in plate-like materials, with a core layer having a lower density compared to the cover layers, consisting of a shaft for insertion into an access hole, which is formed by a sleeve and an axially slidably mounted in the sleeve feed shaft , As well as a hinged suspended blade, which is radially swing out to produce a cavity revealed.

Das Fügen von Blechbauteilen und dergleichen mit Hilfe von loch- und gewindeformenden Schrauben, die auch als fließlochformende Schrauben bezeichnet werden, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Diesbezüglich wird bspw. auf die DE 39 09 725 C1 hingewiesen.The joining of sheet metal components and the like by means of hole and thread forming screws, which are also referred to as flow hole forming screws, is known from the prior art. In this regard, for example, on the DE 39 09 725 C1 pointed.

Solche loch- und gewindeformenden Schrauben können grundsätzlich auch zur Herstellung einer Mischbau-Fügeverbindung zwischen einem FVK-Bauteil (FVK = faserverstärkter Kunststoff) und einem Blechbauteil verwendet werden. Hierzu wird die loch- und gewindeformende Schraube das FVK-Bauteil durchringend direkt und ohne Vorlochen (so genanntes Direktverschrauben) in das Blechbauteil eingeschraubt, wobei sich das Blechmaterial an der Verschraubungsstelle unter Ausbildung eines Fließlochs und eines Gewindes plastisch verformt. Das FVK-Bauteil wird hierbei vom Schraubenkopf der loch- und gewindeformenden Schraube gegen das Blechbauteil geklemmt.In principle, such hole-forming and thread-forming screws can also be used for producing a mixed-construction joint connection between an FRP component (FRP = fiber-reinforced plastic) and a sheet-metal component. For this purpose, the hole-forming and thread-forming screw is screwed through the FRP component directly and without pre-punching (so-called direct screwing) in the sheet metal component, wherein the sheet material plastically deforms at the Verschraubungsstelle to form a flow hole and a thread. The FRP component is thereby clamped by the screw head of the hole and thread-forming screw against the sheet metal component.

Um eine optimale Fügeverbindung zu erhalten, muss das FVK-Bauteil jedoch an der wenigstens einen Verschraubungsstelle vorgelocht sein. Das Vorlochen stellt einen zusätzlichen Fertigungsschritt dar und erhöht den Aufwand beim Ausrichten der Bauteile und beim Setzen einer loch- und gewindeformenden Schraube.However, in order to obtain an optimum joining connection, the FRP component must be pre-punched at the at least one screwing point. The pre-punching represents an additional manufacturing step and increases the effort when aligning the components and when setting a hole and thread-forming screw.

Die Erfindung soll Möglichkeiten aufzeigen, wie wenigstens ein mit dem Stand der Technik einhergehender Nachteil beim Herstellen einer Mischbau-Fügeverbindung zwischen wenigstens einem FVK-Bauteil und wenigstens einem Blechbauteil (oder blechähnlichen Bauteil) mit Hilfe wenigstens einer loch- und gewindeformenden Schraube vermieden oder zumindest verringert werden kann.The invention is intended to show ways in which at least one disadvantage associated with the prior art in producing a mixed-structure joining connection between at least one FRP component and at least one sheet-metal component (or sheet-like component) is avoided or at least reduced by means of at least one hole-forming and thread-forming screw can be.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass das FVK-Bauteil an der wenigstens einen Verschraubungsstelle mit einer faserfreien Harzfüllung ausgebildet ist, durch die hindurch ein vorlochfreies Verschrauben ermöglicht wird.To solve this problem, the invention provides that the FRP component is formed on the at least one screw connection with a fiber-free resin filling, through which a pre-hole-free screwing is made possible.

Die Erfindung umfasst mehrere Erfindungsgegenstände gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.The invention comprises several subject matters according to the features of the independent claims. Preferred developments and refinements emerge analogously for all subjects according to the invention both from the dependent claims and from the following explanations.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines FVK-Bauteils, das nachfolgend an wenigstens einer Verschraubungsstelle durch eine loch- und gewindeformende Schraube mit wenigstens einem Blechbauteil gefügt werden soll, umfasst zumindest folgende Schritte:

  • – Bereitstellen eines Fasern bzw. Verstärkungsfasern enthaltenden Ausgangsmaterials;
  • – Erzeugen einer lokalen Aufweitung an der vorgesehenen Verschraubungsstelle durch beschädigungsfreies Verdrängen der Fasern mit Hilfe eines Dornwerkzeugs; und
  • – Fertigstellen des FVK-Bauteils, wobei die Fasern des Ausgangsmaterials von einem Harzmaterial umschlossen werden und sich in der vorausgehend erzeugten Aufweitung eine faserfreie Harzfüllung ausbildet.
The method according to the invention for producing a FRP component which is to be subsequently joined to at least one bolting point by a hole-forming and thread-forming screw having at least one sheet-metal component comprises at least the following steps:
  • - Providing a fiber or reinforcing fibers containing starting material;
  • - Creating a local expansion at the intended Verschraubungsstelle by damage-free displacement of the fibers by means of a mandrel tool; and
  • Finishing the FRP component, wherein the fibers of the starting material are enclosed by a resin material and forms in the previously generated expansion a fiber-free resin filling.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unmittelbar hergestelltes FVK-Bauteil, dass sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass dieses an wenigstens einer Verschraubungsstelle eine Aufweitung mit einer faserfreien Harzfüllung aufweist. The invention also extends to an FRP component produced directly by the method according to the invention, which is characterized in particular by the fact that it has an expansion with a fiber-free resin filling at at least one screw joint.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte FVK-Bauteil weist demnach wenigstens eine mit Harzmaterial gefüllte Aufweitung auf. Bevorzugt weist ein derart hergestelltes FVK-Bauteil eine Vielzahl solcher mit Harzmaterial gefüllten Aufweitungen auf, die, insbesondere bezüglich ihres Durchmessers, identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein können. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich teilweise in nicht einschränkender Weise auf eine Ausnehmung. Ein derart hergestelltes FVK-Bauteil weist bevorzugt eine geschlossene Oberfläche auf, die insbesondere auch im Bereich der mit Harzmaterial gefüllten Ausnehmungen frei von Einzügen sind.The FRP component produced by the method according to the invention accordingly has at least one expansion filled with resin material. Preferably, an FRP component produced in this way has a multiplicity of such expansions filled with resin material, which, in particular with regard to their diameter, can be identical or different. The following explanations relate in part to a recess in a non-limiting manner. An FRP component produced in this way preferably has a closed surface which, in particular in the region of the recesses filled with resin material, is free of indentations.

Bei dem herzustellenden FVK-Bauteil handelt es sich insbesondere um ein flächiges blechähnliches Bauteil mit einer komplexen Formgebung. Bei dem herzustellenden FVK-Bauteil kann es sich aber auch um ein Profilteil handeln. Die Dicke liegt bevorzugt im Bereich weniger Millimeter oder auch darunter. Als Fasern bzw. Verstärkungsfasern kommen insbesondere Glasfasern und Kohlenstofffasern in Betracht, wobei auch andere Fasern, wie bspw. mineralische Fasern, Metallfasern oder Naturfasern, vorgesehen sein können.The FRP component to be produced is, in particular, a sheetlike sheetlike component with a complex shape. However, the FRP component to be produced can also be a profile part. The thickness is preferably in the range of a few millimeters or less. As fibers or reinforcing fibers, in particular glass fibers and carbon fibers come into consideration, although other fibers, such as, for example, mineral fibers, metal fibers or natural fibers, may be provided.

Die Fasern können als Wirrfasern, als unidirektionale Fasern (auch mehrschichtig) oder als Fasergewebe (auch mehrschichtig) vorliegen. Bei dem Fasern enthaltenden Ausgangsmaterial handelt es sich bevorzugt um wenigstens ein UD-Gelege oder um wenigstens ein Fasergewebe, das ohne oder gegebenenfalls auch mit Vorimprägnierung (Prepreg-Material) ausgebildet ist.The fibers may be present as random fibers, as unidirectional fibers (also multilayered) or as fiber fabrics (also multilayered). The fiber-containing starting material is preferably at least one UD-scrim or at least one fiber web which is formed without or optionally also with pre-impregnation (prepreg material).

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Fasern enthaltende Ausgangsmaterial in einem Preforming-Prozess vorgeformt wurde und somit eine bedingte Formstabilität aufweist. Die wenigstens eine Aufweitung kann beim Preforming-Prozess oder auch danach eingebracht werden. In vorteilhafter Weise ist die Aufweitung dann formstabil, d. h. die Fasern ziehen sich nicht mehr zusammen.It is preferably provided that the fiber-containing starting material was preformed in a preforming process and thus has a conditional dimensional stability. The at least one expansion can be introduced during the preforming process or also afterwards. Advantageously, the expansion is then dimensionally stable, d. H. the fibers do not contract anymore.

Die Herstellung des FVK-Bauteils kann die Formgebung in einem Formwerkzeug umfassen. Ein solches Formwerkzeug weist wenigstens zwei zueinander relativbewegliche Werkzeugteile auf (insbesondere ein Werkzeugoberteil und ein Werkzeugunterteil), die zwischen sich eine formgebende Werkzeugkavität begrenzen. Ferner weist dieses Formwerkzeug bevorzugt wenigstens ein baulich eingebundenes Dornwerkzeug auf, mit dem innerhalb der Werkzeugkavität dieses Formwerkzeugs (an der vorgesehenen Verschraubungsstelle) eine Aufweitung in dem in der Werkzeugkavität befindlichen Ausgangsmaterial erzeugt wird bzw. erzeugt werden kann, wobei die Aufweitung am Ort einer späteren Verschraubungsstelle erzeugt wird. Dies ist sowohl bei einem biegeschlaffen Gelege oder Gewebe als auch bei einem vorgeformten Ausgangsmaterial möglich. Durch ein im Formwerkzeug integriertes Dornwerkzeug wird die Herstellungsabfolge vereinfacht. Zudem wird hinsichtlich der späteren Verschraubungsstelle eine exakte Positionierung der Aufweitung ermöglicht. Ein solches Formwerkzeug kann mehrere Dornwerkzeuge aufweisen.The manufacture of the FRP component may include shaping in a mold. Such a molding tool has at least two mutually relatively movable tool parts (in particular an upper tool part and a tool lower part), which delimit between them a shaping tool cavity. Furthermore, this mold preferably has at least one structurally integrated mandrel tool with which a widening in the tool cavity located in the mold cavity is generated or can be generated within the tool cavity of this mold (at the intended Verschraubungsstelle), wherein the expansion at the location of a later Verschraubungsstelle is produced. This is possible both in a pliable scrim or fabric as well as a preformed starting material. By means of a mandrel tool integrated in the mold, the production sequence is simplified. In addition, an exact positioning of the expansion is made possible with respect to the subsequent screwing. Such a mold may have a plurality of mandrel tools.

Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Herstellung eines FVK-Bauteils einen RTM-Prozess (RTM = Resin Transfer Moulding), mit folgenden Schritten:

  • – Einlegen des Fasern enthaltenden Ausgangsmaterials in ein geöffnetes Formwerkzeug, wobei es sich insbesondere um ein Formwerkzeug gemäß den vorausgehenden Erläuterungen handelt;
  • – Schließen des Formwerkzeugs, wobei die Fasern an der vorgesehenen Verschraubungsstelle mit Hilfe eines im Formwerkzeug integrierten Dornwerkzeugs aufgeweitet und hierbei beschädigungsfrei verdrängt werden (d. h. eine Aufweitung wird erzeugt); und
  • – Einspritzen eines Harzmaterials in die Werkzeugkavität (bei geschlossenem Formwerkzeug), wobei die Fasern des Ausgangsmaterials vom Harzmaterial umschlossen werden und sich in der zuvor durch Verdrängung der Fasern erzeugten Aufweitung eine faserfreie Harzfüllung ausbildet.
The production of an FRP component according to the invention preferably comprises an RTM process (RTM = Resin Transfer Molding), with the following steps:
  • - Loading the fiber-containing starting material in an open mold, which is in particular a mold according to the preceding explanations;
  • - Closing of the mold, wherein the fibers are widened at the intended Verschraubungsstelle using a tool integrated in the mandrel tool and thereby displaced without damage (ie, a widening is generated); and
  • - Injecting a resin material in the mold cavity (with the mold closed), wherein the fibers of the starting material are enclosed by the resin material and forms in the expansion previously produced by displacement of the fibers, a fiber-free resin filling.

Bevorzugter Weise wird das Dornwerkzeug unmittelbar vor dem Einspritzen oder gleichzeitig mit dem Einspritzen des Harzmaterials aus der Werkzeugkavität zurückgezogen bzw. aus dieser herausgezogen, so dass die verdrängten Fasern kaum Zeit haben, sich in ihre Ausgangslage zurückzustellen bzw. zurückzubewegen (d. h. die Fasern können sich nach dem Aufweiten nicht mehr zusammenziehen). Das Dornwerkzeug ist hierzu insbesondere relativbeweglich zur Werkzeugkavität angeordnet und kann bspw. mit Hilfe eines Stellantriebs betätigt werden. Weist das Formwerkzeug mehrere Dornwerkzeuge auf, können diese synchron oder asynchron bewegt werden.Preferably, the mandrel tool is withdrawn from or withdrawn from the tool cavity immediately prior to injection or simultaneously with the injection of the resin material, such that the displaced fibers have little time to return to their original position (ie, the fibers may sag) no longer contract the expansion). The mandrel tool is arranged for this purpose in particular relatively movable to the mold cavity and can, for example, be actuated by means of an actuator. If the molding tool has several mandrel tools, these can be moved synchronously or asynchronously.

Die Erfindung erstreckt sich, zumindest indirekt, auch auf ein solches Formwerkzeug zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den vorausgehenden Erläuterungen. Ein solches Formwerkzeug zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses wenigstens zwei relativbewegliche Werkzeugteile, die zwischen sich eine formgebende Werkzeugkavität begrenzen, und wenigstens ein, insbesondere relativbewegliches, Dornwerkzeug aufweist.The invention also extends, at least indirectly, to such a mold for carrying out a method according to the preceding explanations. Such a mold is characterized in particular by the fact that this at least two relatively movable tool parts, which between them a shaping Limit tool cavity, and at least one, in particular relatively movable, mandrel tool has.

Die erfindungsgemäße Herstellung eines FVK-Bauteils kann auch einen VARI-Prozess (VARI = Vacuum Assisted Resin Injection) umfassen, bei welchem nur ein Werkzeugteil und ein Vakuumsack benötigt wird, wobei das zuvor eingebrachte Harzmaterial durch Unterdruck in das Fasern enthaltende Ausgangsmaterial hineingesogen wird und hierbei auch die wenigstens eine Aufweitung ausfüllt.The production of an FRP component according to the invention may also include a VARI process (VARI = Vacuum Assisted Resin Injection) in which only one tool part and one vacuum bag is required, wherein the previously introduced resin material is sucked into the fiber-containing starting material by means of negative pressure and in this case also fills the at least one expansion.

Bevorzugt weist die mit dem Dornwerkzeug erzeugte Aufweitung im Ausgangsmaterial und die sich darin ausbildende faserfreie Harzfüllung eine zylindrische Form mit einem Kreisquerschnitt auf, dessen Kreisdurchmesser bis zu 125%, bevorzugt bis zu 120% und insbesondere bis zu 115% des Gewinde-Nenndurchmessers der an der Verschraubungsstelle zu verwendenden loch- und gewindeformenden Schraube betragen kann.Preferably, the expansion produced in the starting material and the fiber-free resin filling formed therein with the mandrel tool has a cylindrical shape with a circular cross-section whose circular diameter up to 125%, preferably up to 120% and in particular up to 115% of the nominal thread diameter of the Verschraubungsstelle can be used to hole and thread forming screw.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds zwischen wenigstens einem FVK-Bauteil und wenigstens einem Blechbauteil sieht vor, dass das FVK-Bauteil an wenigstens einer Verschraubungsstelle mit einer loch- und gewindeformenden Schraube ohne Vorlochen durch eine faserfreie Harzfüllung hindurch mit dem Blechbauteil verschraubt wird. Eine Ausrichtung zwischen Schraube und Vorloch und die damit verbundene Gefahr der Sichelbildung (Schraubenkopf überdeckt das Vorloch nur partiell) entfällt. Auf diese Weise können zwei oder auch mehr als zwei Bauteile gefügt werden.The method according to the invention for producing a component bond between at least one FRP component and at least one sheet metal component provides that the FRP component is screwed to the sheet metal component at at least one screw joint with a hole-forming and thread-forming screw without pre-punching through a fiber-free resin filling. An alignment between the screw and pre-hole and the associated risk of sickle formation (screw head covers the pre-hole only partially) is eliminated. In this way, two or even more than two components can be joined.

Der Verschraubungsvorgang als solcher ist aus dem Stand der Technik bekannt (siehe bspw. DE 39 09 725 C1 ). Die Verschraubung erfolgt insbesondere automatisiert. Das FVK-Bauteil ist insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß den vorausgehenden Erläuterungen hergestellt. Da die Verschraubung durch eine im FVK-Bauteil ausgebildete faserfreie Harzfüllung hindurch ausgeführt wird, bleiben die Fasern des FVK-Bauteils unbeschädigt. Die Fasern sind quasi um die Verschraubung herumgelenkt und behalten ihre Funktionsfähigkeit. Ferner werden keine Fasern in den Bereich der Gewindeausbildung eingezogen.The Verschraubungsvorgang as such is known from the prior art (see, for example. DE 39 09 725 C1 ). The screwing is done in particular automated. The FRP component is produced in particular by a method according to the invention in accordance with the preceding explanations. Since the screw connection is made through a fiber-free resin filling formed in the FRP component, the fibers of the FRP component remain undamaged. The fibers are virtually directed around the screw connection and retain their functionality. Furthermore, no fibers are drawn into the area of the thread formation.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bauteile, zumindest im Bereich der Verschraubungsstelle, zusätzlich miteinander verklebt werden. Die Verklebung kann mit Hilfe eines Klebstoffs erfolgen, der zwischen den einander zugewandten Bauteiloberflächen aufgetragen wird. Da das FVK-Bauteil geschlossene Oberflächen aufweist, kann an der Verschraubungsstelle kein Klebstoff austreten. Die Schraubenkopfauflagefläche am FVK-Bauteil wird nicht verunreinigt.Furthermore, it is preferably provided that the components are additionally glued together, at least in the area of the screwing point. The bonding can be done with the aid of an adhesive which is applied between the mutually facing component surfaces. Since the FRP component has closed surfaces, no adhesive can escape at the screwing point. The screw head bearing surface on the FRP component is not contaminated.

Ein erfindungsgemäßer Bauteilverbund umfasst wenigstens ein FVK-Bauteil und wenigstens ein Blechbauteil und kann insofern als Mischbauverbund bezeichnet werden. Die Bauteile sind an wenigstens einer Verschraubungsstelle mit einer loch- und gewindeformenden Schraube gefügt, derart, dass die loch- und gewindeformende Schraube das FVK-Bauteil an einer im FVK-Bauteil ausgebildeten faserfreien Harzfüllung durchdringt. Bevorzugt handelt es sich um einen Bauteilverbund für ein Kraftfahrzeug. Das FVK-Bauteil und die Verschraubung sind insbesondere mit erfindungsgemäßen Verfahren gemäß den vorausgehenden Erläuterungen hergestellt.A component assembly according to the invention comprises at least one FRP component and at least one sheet metal component and may be referred to as mixed assembly. The components are joined to at least one screw joint with a hole- and thread-forming screw, such that the hole and thread-forming screw penetrates the FRP component on a fiber-free resin filling formed in the FRP component. It is preferably a component composite for a motor vehicle. The FRP component and the screw connection are produced in particular using methods according to the invention in accordance with the preceding explanations.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Blechbauteil um ein aus Stahl bzw. Stahlblech oder Aluminium bzw. Aluminiumblech gebildetes Blechformteil oder Profilteil (bspw. Hohlprofil, Mehrkammerprofil, T-Profil, etc.). Das Blechbauteil weist, zumindest an der Verschraubungsstelle, duktile Eigenschaften auf, um das Einschrauben der loch- und gewindeformenden Schraube ohne Vorlochen zu ermöglichen. Ein Blechbauteil kann auch ein blechartig gestaltetes Gussbauteil sein.The sheet metal component is preferably a sheet metal shaped part or profiled part (for example hollow profile, multi-chamber profile, T profile, etc.) formed from steel or sheet steel or aluminum or aluminum sheet. The sheet metal component, at least at the Verschraubungsstelle, ductile properties to allow the screwing of the hole and thread-forming screw without pre-punching. A sheet metal component may also be a sheet metal-like cast component.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.The invention will be explained in more detail by way of example and not by way of limitation with reference to the schematic figures. The features shown in the figures and / or explained below may, regardless of specific feature combinations, be general features of the invention.

1 zeigt in einer Schnittansicht ausschnittsweise ein FVK-Bauteil und ein Blechbauteil, die an der gezeigten Verschraubungsstelle mit einer loch- und gewindeformenden Schraube zu einem Bauteilverbund gefügt werden sollen. 1 shows in a sectional view a detail of a FVK component and a sheet metal component to be joined at the Verschraubungsstelle shown with a hole and thread forming screw to a composite component.

2 zeigt, ebenfalls in einer Schnittansicht, die Verschraubungsstelle der mit einer loch- und gewindeformenden Schraube zu einem Bauteilverbund gefügten Bauteile aus 1. 2 shows, also in a sectional view, the Verschraubungsstelle the joined with a hole and thread-forming screw to a component composite components 1 ,

3 zeigt in einer Schnittansicht ausschnittsweise ein Formwerkzeug zur Herstellung des FVK-Bauteils aus 1 und 2. 3 shows in a sectional view a detail of a mold for producing the FRP component 1 and 2 ,

4 zeigt in einer Draufsicht wie bei der Herstellung des FVK-Bauteils aus 1 und 2, insbesondere mit dem in 3 gezeigten Formwerkzeug, die Fasern des Ausgangsmaterials an der vorgesehenen Verschraubungsstelle mit einem Dornwerkzeug aufgeweitet werden. 4 shows in a plan view as in the production of the FRP component 1 and 2 , especially with the in 3 shown molding tool, the fibers of the starting material are widened at the intended Verschraubungsstelle with a mandrel tool.

1 zeigt ausschnittsweise ein flächiges FVK-Bauteil 100 und ein flächiges Blechbauteil 200. Die beiden Bauteile 100 und 200 sollen an der Verbindungsstelle 300 durch Verschrauben ohne Vorlochen miteinander gefügt werden, wobei ergänzend auch eine Verklebung vorgesehen sein kann. Das FVK-Bauteil 100 ist an der vorgesehenen Verbindungs- bzw. Verschraubungsstelle 300 faserfrei ausgebildet und weist eine durchgehende Harzfüllung 110 auf. Die Harzfüllung 110 kann auch als harzgefülltes Durchgangsloch oder nur als Harzloch bezeichnet werden. 1 shows a section of a FRP component 100 and a sheet-metal part 200 , The two components 100 and 200 should be at the connection point 300 be joined by screwing without pre-punching each other, where supplementary also a bond can be provided. The FRP component 100 is at the intended connection or bolting point 300 formed fiber-free and has a continuous resin filling 110 on. The resin filling 110 may also be referred to as a resin-filled through hole or just as a resinous hole.

Zur Erzeugung der Harzfüllung 110 werden die Fasern des Ausgangsmaterials beim Herstellungsprozess des FVK-Bauteils 100 aufgeweitet, wie nachfolgend noch näher erläutert. Die Harzfüllung 110 ist aus dem selben Material gebildet, welches auch zur Einbindung der Fasern bzw. Verstärkungsfasern im übrigen FVK-Bauteil 100 dient (Matrixmaterial). Zur Herstellung des FVK-Bauteils 100 wird somit nur ein Harzmaterial, nämlich das Matrixmaterial, benötigt. Das FVK-Bauteil 100 weist geschlossene und plane Oberflächen auf, die auch im Bereich der Harzfüllung 110 frei von Einzügen sind (d. h. die Bauteildicke ist im Bereich der Harzfüllung 110 nicht geringer als in den übrigen Bauteilbereichen).To produce the resin filling 110 become the fibers of the starting material in the manufacturing process of the FRP component 100 expanded, as explained in more detail below. The resin filling 110 is made of the same material, which also for the integration of fibers or reinforcing fibers in the rest of the FRP component 100 serves (matrix material). For the production of the FRP component 100 Thus, only one resin material, namely the matrix material needed. The FRP component 100 has closed and flat surfaces, which also in the area of the resin filling 110 are free from indentations (ie the component thickness is in the area of the resin filling 110 not less than in the other component areas).

Zur Herstellung eines Bauteilverbunds 500 wird das FVK-Bauteil 100 an der gezeigten Verbindungsstelle bzw. Verschraubungsstelle 300 mit einer loch- und gewindeformenden Schraube 400 ohne Vorlochen durch die faserfreie Harzfüllung 110 hindurch mit dem Blechbauteil 200 verschraubt, wobei sich das Blechmaterial an der Verschraubungsstelle 300 unter Ausbildung eines Fließlochs und eines Gewindes plastisch verformt. Dies ist in 2 gezeigt. Die Verschraubung erfolgt bevorzugt automatisiert. Die Verschraubungsstelle 300 kann anhand der Harzfüllung 110 automatisch erfasst werden, bspw. mit Hilfe eines Kamerasystems. Beim Einschrauben der Schraube 400 können keine Fasern in den Bereich der Gewindeausbildung eingezogen bzw. durchgezogen werden, woraus eine hohe Verschraubungsfestigkeit und eine geringe Korrosionsneigung resultieren. Ferner ist eine gute Abdichtung an der Verschraubungsstelle 300 gegeben.For the production of a composite component 500 becomes the FRP component 100 at the junction or bolting point shown 300 with a hole and thread forming screw 400 without pre-punching through the fiber-free resin filling 110 through with the sheet metal component 200 screwed, with the sheet material at the Verschraubungsstelle 300 plastically deformed to form a flow hole and a thread. This is in 2 shown. The screw connection is preferably automated. The bolting point 300 can be based on the resin filling 110 be detected automatically, for example. With the help of a camera system. When screwing in the screw 400 No fibers can be pulled into the area of the thread formation or pulled through, resulting in a high bolting strength and a low tendency to corrosion. Furthermore, a good seal at the bolting point 300 given.

Die loch- und gewindeformende Schraube 400 weist einen Schraubenkopf 410 und einen daran angeformten Bolzen bzw. Schaft 420 auf. Der Schraubenkopf 410 ist mit einem nicht gezeigten Formschlusselement, wie bspw. ein Innen- oder Außensechskant, zum Ansetzen eines Werkzeugs ausgebildet. Der Schaft 420 weist einen selbstformenden Gewindeabschnitt und einen in Einschraubrichtung vor diesem Gewindeabschnitt liegenden Lochformungsabschnitt zum Ausbilden eines Fließlochs auf. Eine fließlochformende Schraube und der Einschraubvorgang sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt, wozu bspw. auf die DE 39 09 725 C1 verwiesen wird.The hole and thread forming screw 400 has a screw head 410 and an integrally formed bolt or shank 420 on. The screw head 410 is formed with a form-fitting element, not shown, such as, for example, an inner or outer hex, for applying a tool. The shaft 420 has a self-tapping threaded portion and a hole forming portion in the screwing-in direction in front of this threaded portion for forming a flow hole. A flow-hole-forming screw and the screwing are known as such from the prior art, including, for example, on the DE 39 09 725 C1 is referenced.

In dem gezeigten Beispiel weist der Schraubenkopf 410 einen größeren Durchmesser als die Harzfüllung 110 auf, so dass sich die Außenkante des Schraubenkopfs 410 außerhalb der Harzfüllung 110 und somit in einem mit Fasern verstärkten Bauteilbereich befindet. Durch Verwendung eines durchmessergroßen Schraubenkopfs 410 und einer daraus resultierenden großen Kopfauflagefläche wird eine hohe axiale Vorspannung ermöglicht. Da sich im Bereich der Harzfüllung 110 keine von der Schraube 400 zu verdrängenden Fasern befinden, kommt es zu keiner Aufwölbung und die Unterseite des Schraubenkopfs 410 kann in optimale, vollflächige Anlage mit dem FVK-Bauteil 100 gelangen, wie in 2 dargestellt.In the example shown, the screw head 410 a larger diameter than the resin filling 110 on, so that the outer edge of the screw head 410 outside the resin filling 110 and thus located in a fiber reinforced component area. By using a large diameter screw head 410 and a resulting large headrest surface is a high axial preload allows. Because in the area of the resin filling 110 none of the screw 400 There are no bulges and the underside of the screw head 410 can in optimal, full-surface plant with the FRP component 100 arrive as in 2 shown.

Die Bauteile 100 und 200 sind bevorzugt über eine Vielzahl solcher Schraubverbindungen miteinander gefügt, wobei die Schraubverbindungen identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein können. Im Übrigen können auf die erläuterte Weise auch mehr als zwei Bauteile miteinander zu einem Bauteilverbund gefügt werden.The components 100 and 200 are preferably joined together via a plurality of such screw, wherein the screw can be identical or different. Incidentally, more than two components can be joined together to form a composite component in the manner explained.

3 zeigt ein Formwerkzeug 600 zur Herstellung des FVK-Bauteils 100. Zum Formwerkzeug 600 gehört ein Werkzeugunterteil 610 und ein hierzu relativbewegliches Werkzeugoberteil 620, die zwischen sich eine formgebende Werkzeugkavität 630 ausbilden. Das Formwerkzeug 600 weist ferner an der gezeigten Stelle ein relativbewegliches Dornwerkzeug 700 auf, das in die Kavität 630 eingefahren und wieder zurückgezogen werden kann. 3 shows a mold 600 for the production of the FRP component 100 , To the mold 600 heard a tool base 610 and a relatively movable upper tool 620 , which between them is a formative tool cavity 630 form. The mold 600 also has a relatively movable mandrel tool at the location shown 700 on that in the cavity 630 retracted and can be withdrawn.

Mit dem Formwerkzeug 600 kann das FVK-Bauteil 100 wie folgt hergestellt werden: Zunächst wird bei geöffnetem Formwerkzeug 600 ein Fasern 20 enthaltendes Ausgangsmaterial 10 in die Werkzeugkavität 630 eingelegt. Gleichzeitig mit dem Schließen des Formwerkzeugs 600, oder gegebenenfalls auch erst danach, werden die Fasern 20 an einer vorgesehenen Verschraubungsstelle mit Hilfe des Dornwerkzeugs 700 beschädigungsfrei verdrängt. Danach wird das Dornwerkzeug 700 zurückgezogen (d. h. gemäß Darstellung nach oben aus der Werkzeugkavität 630 herausbewegt). Gleichzeitig hierzu oder unmittelbar danach wird ein Harzmaterial in die Werkzeugkavität 630 eingespritzt (so genannter RTM-Prozess), wobei die Fasern 20 vom Harzmaterial umschlossen werden und sich in der zuvor mit dem Dornwerkzeug 700 erzeugten Aufweitung 30 eine faserfreie Harzfüllung 110 ausbildet. Vor dem Einspritzen des Harzmaterials kann die Werkzeugkavität 630 evakuiert werden.With the mold 600 can the FRP component 100 be prepared as follows: First, with the mold open 600 a fiber 20 containing starting material 10 into the tool cavity 630 inserted. Simultaneously with the closing of the mold 600 , or possibly only afterwards, become the fibers 20 at a designated Verschraubungsstelle using the mandrel tool 700 displaced without damage. Thereafter, the mandrel tool 700 withdrawn (ie, as shown upward from the mold cavity 630 moved). Simultaneously or immediately thereafter, a resin material is introduced into the mold cavity 630 injected (so-called RTM process), wherein the fibers 20 be enclosed by the resin material and in the previously with the mandrel tool 700 generated expansion 30 a fiber-free resin filling 110 formed. Before injecting the resin material, the tool cavity 630 be evacuated.

Das FVK-Bauteil 100 kann auch auf andere Weise hergestellt werden, wie obenstehend bereits erläutert. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Fasern 20 des Ausgangsmaterials 10 beim lokalen Aufweiten an der vorgesehenen Verschraubungsstelle 300 mit Hilfe des Dornwerkzeugs 700 nicht beschädigt und insbesondere nicht unterbrochen oder zerrissen werden, sondern quasi um den Verschraubungspunkt herumgelenkt werden und hierbei ihre Funktionsfähigkeit behalten. Dies ist in 4 veranschaulicht. Die Bauteilfestigkeit wird durch das gezeigte lokale Aufweiten der Fasern 20 nicht nachteilig beeinflusst.The FRP component 100 can also be prepared in other ways, as already explained above. Essential to the invention is that the fibers 20 of the starting material 10 for local widening at the intended screwing point 300 with the help of the mandrel tool 700 not damaged and in particular not interrupted or torn, but are virtually steered around the screwing point and retain their functionality. This is in 4 illustrated. Component strength is demonstrated by the local expansion of the fibers 20 not adversely affected.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines FVK-Bauteils (100), welches nachfolgend an wenigstens einer Verschraubungsstelle (300) durch eine loch- und gewindeformende Schraube (400) mit wenigstens einem Blechbauteil (200) gefügt werden soll, umfassend: – Bereitstellen eines Fasern (20) enthaltenden Ausgangsmaterials (10); – Erzeugen einer lokalen Aufweitung (30) an der vorgesehenen Verschraubungsstelle (300) durch beschädigungsfreies Verdrängen der Fasern (20) mit Hilfe eines Dornwerkzeugs (700); und – Fertigstellen des FVK-Bauteils (100), wobei die Fasern (20) von einem Harzmaterial umschlossen werden und sich in der Aufweitung (30) eine faserfreie Harzfüllung (110) ausbildet.Method for producing an FRP component ( 100 ), which subsequently at least one screwing ( 300 ) through a hole and thread forming screw ( 400 ) with at least one sheet metal component ( 200 ), comprising: - providing a fiber ( 20 ) starting material ( 10 ); Creating a local expansion ( 30 ) at the intended screwing point ( 300 ) by damage-free displacement of the fibers ( 20 ) using a spike tool ( 700 ); and - completion of the FRP component ( 100 ), whereby the fibers ( 20 ) are enclosed by a resin material and in the expansion ( 30 ) a fiber-free resin filling ( 110 ) trains. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasern (20) enthaltende Ausgangsmaterial (10) in einem Preforming-Prozess vorgeformt wurde.Method according to claim 1, characterized in that the fibers ( 20 ) containing starting material ( 10 ) was preformed in a preforming process. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des FVK-Bauteils (10) die Formgebung in einem Formwerkzeug (600) umfasst, wobei das Formwerkzeug (600) wenigstens ein Dornwerkzeug (700) aufweist, mit dem innerhalb der Werkzeugkavität (630) eine Aufweitung (30) im Ausgangsmaterial (10) erzeugt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the production of the FRP component ( 10 ) the shaping in a mold ( 600 ), wherein the molding tool ( 600 ) at least one mandrel tool ( 700 ) with which within the tool cavity ( 630 ) an expansion ( 30 ) in the starting material ( 10 ) is produced. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, umfassend einen RTM-Prozess mit: – Einlegen des Fasern (20) enthaltenden Ausgangsmaterials (10) in ein geöffnetes Formwerkzeug (600); – Schließen des Formwerkzeugs (600), wobei die Fasern (20) an der vorgesehenen Verschraubungsstelle (300) mit Hilfe eines im Formwerkzeug (600) integrierten Dornwerkzeugs (700) beschädigungsfrei verdrängt werden; und – Einspritzen eines Harzmaterials in die Werkzeugkavität (630), wobei die Fasern (20) vom Harzmaterial umschlossen werden und sich in der zuvor durch Verdrängung der Fasern erzeugten Aufweitung (30) eine faserfreie Harzfüllung (110) ausbildet.Method according to one of the preceding claims, comprising an RTM process comprising: - inserting the fibers ( 20 ) starting material ( 10 ) in an open mold ( 600 ); - closing the mold ( 600 ), whereby the fibers ( 20 ) at the intended screwing point ( 300 ) with the aid of a mold ( 600 ) integrated mandrel tool ( 700 ) are displaced without damage; and injecting a resin material into the mold cavity ( 630 ), whereby the fibers ( 20 ) are enclosed by the resin material and in the previously generated by displacement of the fibers widening ( 30 ) a fiber-free resin filling ( 110 ) trains. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dornwerkzeug (700) unmittelbar vor dem Einspritzen des Harzmaterials aus der Werkzeugkavität (630) zurückgezogen wird.Method according to claim 4, characterized in that the mandrel tool ( 700 ) immediately before the injection of the resin material from the mold cavity ( 630 ) is withdrawn. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung (30) und die sich darin ausbildende faserfreie Harzfüllung (110) einen Kreisquerschnitt aufweisen, wobei der Kreisdurchmesser bis zu 120% des Gewinde-Nenndurchmessers der an der Verschraubungsstelle (300) zu verwendenden loch- und gewindeformenden Schraube (400) betragen kann.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion ( 30 ) and the fiber-free resin filling ( 110 ) have a circular cross-section, wherein the circle diameter up to 120% of the nominal thread diameter of the screw at the screw ( 300 ) to be used hole and thread forming screw ( 400 ). Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds (500) zwischen wenigstens einem FVK-Bauteil (100) und wenigstens einem Blechbauteil (200), wobei das FVK-Bauteil (100) an wenigstens einer Verschraubungsstelle (300) mit einer loch- und gewindeformenden Schraube (400) ohne Vorlochen durch eine faserfreie Harzfüllung (110) hindurch mit dem Blechbauteil (200) verschraubt wird.Method for producing a component composite ( 500 ) between at least one FRP component ( 100 ) and at least one sheet metal component ( 200 ), whereby the FRP component ( 100 ) at least one screwing point ( 300 ) with a hole and thread forming screw ( 400 ) without pre-punching through a fiber-free resin filling ( 110 ) through with the sheet metal component ( 200 ) is screwed. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (100, 200) zumindest im Bereich der Verschraubungsstelle (300) zusätzlich miteinander verklebt werden.Method according to claim 7, characterized in that the components ( 100 . 200 ) at least in the area of the screwing point ( 300 ) are additionally glued together. Bauteilverbund (500) mit wenigstens einem FVK-Bauteil (100) und wenigstens einem Blechbauteil (200), wobei die Bauteile (100, 200) an wenigstens einer Verschraubungsstelle (300) mit einer loch- und gewindeformenden Schraube (400) gefügt sind, derart, dass die loch- und gewindeformende Schraube (400) das FVK-Bauteil (100) an einer darin ausgebildeten faserfreien Harzfüllung (110) durchdringt.Component composite ( 500 ) with at least one FRP component ( 100 ) and at least one sheet metal component ( 200 ), the components ( 100 . 200 ) at least one screwing point ( 300 ) with a hole and thread forming screw ( 400 ), such that the hole and thread forming screw ( 400 ) the FRP component ( 100 ) on a fiber-free resin filling formed therein ( 110 ) penetrates. Bauteilverbund (500) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Blechbauteil (200) um ein aus Stahl oder Aluminium gebildetes Blechformteil oder Profilteil handelt.Component composite ( 500 ) according to claim 9, characterized in that it is in the sheet metal component ( 200 ) is a formed from steel or aluminum sheet metal part or profile part.
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