Title:
Halbhohlstanzniet für das vorlochfreie Fügen eines Kunststoff-Bauteils mit einem Metallbauteil und Stanznietverbindung
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft einen Halbhohlstanzniet für das Fügen eines Kunststoff-Bauteils mit einem Metallbauteil mit einem Nietkopf (110) und einem Nietfuß (120) mit einem als Stanzschneide ausgebildeten Nietfußende (130). Der Nietfuß (120) und die Stanzschneide sind derart ausgestaltet, dass die zu fügenden Bauteile (20, 30) vollständig durchstanzbar sind und die Länge des Nietfußes (120) so gewählt ist, dass bei Vernietung der Bauteile ein Nietfußabschnitt (140) auf der dem Nietkopf (110) abgewandten Seite austritt und der entstehende Stanzbutzen (40) durch Umbiegen des Nietfußabschnitts (140) im Nietfuß (120) fixierbar ist.




Inventors:
Kuhnert-Fischer, Philipp (85386, Eching, DE)
Gschneidinger, Rainer (94447, Plattling, DE)
Application Number:
DE102016211550
Publication Date:
12/28/2017
Filing Date:
06/28/2016
Assignee:
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft, 80809 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102015203608A1N/A2016-09-01
DE102013216039A1N/A2015-02-19
DE19912460A1N/A2000-09-28



Claims:
1. Halbhohlstanzniet für das Fügen eines Kunststoff-Bauteils mit einem Metallbauteil,
mit einem Nietkopf (110) und einem Nietfuß (120) mit einem als Stanzschneide ausgebildeten Nietfußende (130),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Nietfuß (120) und die Stanzschneide derart ausgestaltet sind, dass die zu fügenden Bauteile (20, 30) vollständig durchstanzbar sind und
die Länge des Nietfußes (120) so gewählt ist, dass bei Vernietung der Bauteile ein Nietfußabschnitt (140) auf der dem Nietkopf (110) abgewandten Seite austritt und der entstehende Stanzbutzen (40) durch Umbiegen des Nietfußabschnitts (140) im Nietfuß (120) fixierbar ist.

2. Halbhohlstanzniet nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Nietfußes (120) und der Stanzschneide derart ausgestaltet ist, dass beim Einpressen des Niets (100) in die zu fügenden Bauteile (20, 30) sich der Nietfuß (120) aufspreizt und die Bauteile (20, 30) in der Art einer Hinterschneidung formschlüssig fixiert.

3. Halbhohlstanzniet nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietkopf (110) als Flachkopf ausgebildet ist.

4. Halbhohlstanzniet nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wandstärke des Nietfußes (120) zum Nietfußende (130) hin verjüngt zu einer umlaufenden Schneidkante.

5. Verwenden eines Halbhohlstanzniets nach einem der voranstehenden Patentansprüche zum vorlochfreien Fügen mindestens eines FVK-Bauteils (20) mit einem Metallbauteil (30).

6. Stanznietverbindung, bei der zumindest ein erstes Kunststoff-Bauteil (20) und ein Metallbauteil (30) mittels eines Halbhohlstanzniets (100) verbunden sind,
wobei die Bauteile (20, 30) vom Nietfuß (120) vollständig durchdrungen sind, und
ein Nietfußabschnitt (140), der auf der dem Nietkopf (110) abgewandten Seite aus dem Bauteilverbund austritt, nach innen umgebogen ist, so dass der Stanzbutzen (40) im Nietfuß (120) fixiert ist.

7. Stanznietverbindung nach Patentanspruch 6, wobei das zumindest eine erste Kunststoff-Bauteil ein FVK-Bauteil ist.

8. Stanznietverbindung nach Patentanspruch 7, wobei sich der Nietfuß (120) in seinem Verlauf vom Nietkopf (110) durch die Bauteile (20, 30) aufweitet und einen die Bauteile formschlüssig zueinander und zum Nietkopf (110) fixierenden Hinterschnitt ausbildet.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Halbhohlstanzniet für das vorlochfreie Fügen mindestens eines Kunststoff-Bauteils mit einem Metallbauteil, sowie eine Stanznietverbindung.

Beim vorlochfreien Fügen mittels Halbhohlstanzniet werden die dauerhaft miteinander zu verbindenden Bauteile an der Fügestelle zwischen einem Einpressstempel und einer Matrize positioniert. Stempel und Matrize sind insbesondere korrespondierende Komponenten eines Nietwerkzeugs oder sogenannten Setzgeräts. Anschließend wird der Halbhohlstanzniet mit dem Stempel durch das stempelseitige Bauteil gedrückt, wobei der Niet eine Durchgangsöffnung in das stempelseitige Bauteil schneidet. Im weiteren Fügevorgang wird der Nietfuß in das matrizenseitige Bauteil eingepresst und das matrizenseitige Bauteil in der Matrizenöffnung so verformt, dass der Nietfuß formschlüssig im matrizenseitigen Bauteil verankert ist. Der aus dem stempelseitigen Bauteil ausgestanzte Stanzbutzen verbleibt im Inneren des Nietschafts.

Im Automobilbau finden im Rahmen des Leichtbaus zunehmend Mischbauverbindungen Verwendung, in denen Bauteile aus Kunststoffen mit Metallbauteilen verbunden sind. Wird als Kunststoff-Bauteil ein faserverstärkter Kunststoff (FVK-Bauteil) verwendet und ein solcher Bauteilverbund mittels Halbhohlstanzniet gefügt, so ergeben sich besondere Anforderungen an den Niet und die Nietverbindung. Durch die partielle Zerstörung der Faserverbundstruktur im ausgestanzten Bereich kommt es zu einer Volumenzunahme, welche einen erhöhten Innendruck im Niet bewirkt. Es besteht wenig Hinterschnitt und somit wenig Verbindungsfestigkeit.

Weiterhin sind Leichtbaustrukturen aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Oberflächenpotenziale der verwendeten Materialien anfällig für Kontaktkorrosionsvorgänge. Dies gilt insbesondere für einen Bauteilverbund aus Aluminium und CFK (kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen).

In der den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bildenden Druckschrift DE 10 2013 216 039 A1 ist ein für das Fügen eines FVK-Bauteils mit einem Metallbauteil optimierter Halbhohlstanzniet beschrieben, dessen hohler Innenschaft eine Innenausnehmung aufweist, die sich bis in den Nietkopf hinein erstreckt, wodurch eine großvolumige Innenausnehmung zur Aufnahme des Stanzbutzens trotz Volumenzunahme geschaffen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen alternativen Halbhohlstanzniet anzugeben, der bezüglich des Fügens von Mischbauverbindungen weiter verbessert ist, sowie eine hinsichtlich der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbesserte Nietverbindung eines solchen Bauteilverbundes.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet gemäß Patentanspruch 1 und eine Nietverbindung gemäß Patentanspruch 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Der erfindungsgemäße Halbhohlstanzniet weist einen Nietkopf und einen daran angeformten hohlen Nietfuß mit einem als Stanzschneide ausgebildeten Nietfußende auf.

Erfindungsgemäß sind der Nietfuß und die Stanzschneide derart ausgestaltet, dass die zu fügenden Bauteile vollständig durchstanzbar sind. Weiterhin ist die Länge des Nietfußes so gewählt, dass bei Vernietung der Bauteile ein Nietfußabschnitt auf der dem Nietkopf abgewandten Seite austritt und der entstehende Stanzbutzen durch Umbiegen des Nietfußabschnitts im Nietfuß fixierbar ist.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbhohlstanznieten, die darauf ausgelegt sind, dass matrizenseitige Bauteil nicht zu durchstoßen, ist erfindungsgemäß bewusst ein Durchstoßen sämtlicher zu fügender Bauteile angestrebt. Der von dem Niet ausgestanzte Bauteilabschnitt, der auch als Stanzbutzen bezeichnet wird, besteht somit genau genommen aus den ausgestanzten Abschnitten aller zu fügender Bauteile. Die Fixierung des Stanzbutzens erfolgt im Gegensatz zu bekannten Halbhohlstanznieten nicht durch den Restboden des matrizenseitigen Bauteils, sondern durch den umgebogenen Nietfuß. Die Länge des Nietfußes wird entsprechend ausgelegt, wodurch ein an die Volumenzunahme angepasstes Reservoir bereitgestellt wird, in dem der Stanzbutzen sicher im Niet verwahrt werden kann. Ein durch Innendruck herbeigeführter Verlust des Stanzbutzens und eine daraus resultierende Festigkeitsabnahme oder Korrosionsprobleme werden sicher vermieden.

Vorzugsweise ist die Geometrie des Nietfußes und der Stanzschneide so gestaltet, dass sich beim Einpressen des Niets in die zu fügenden Bauteile der Nietfuß aufspreizt, so dass die Bauteile in der Art einer Hinterschneidung zueinander und gegen den Nietkopf formschlüssig fixiert werden.

Eine bevorzugt vorgesehene Ausbildung des Nietkopfs als Flachkopf ist hinsichtlich des Einpressvorgangs und der erzielbaren Haltbarkeit der Fügeverbindung vorteilhaft, insbesondere wenn nietkopfseitig ein FVK-Bauteil vorgesehen wird.

Die durch den Stanzvorgang bzw. Schneidvorgang auftretende Schädigung eines FVK-Bauteils sowie die notwendigen Stanz- bzw. Schneidkräfte können vorteilhafter Weise reduziert werden, wenn sich die Wandstärke des Nietfußes zum Nietfußende hin zu einer umlaufenden Schneidkante verjüngt.

Der Nietfuß ist vorzugsweise in der Art eines Hohlzylinders ausgebildet mit umlaufend geschlossener Zylinderwand.

Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets zum vorlochfreien Fügen mindestens eines Kunststoffbauteils, vorzugsweise eines FVK-Bauteils, mit einem Metallbauteil.

Bezüglich der Nietverbindung wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass zumindest ein erstes Kunststoff-Bauteil und ein Metallbauteil mittels eines Halbhohlstanzniets verbunden sind, wobei die Bauteile vom Nietfuß vollständig durchdrungen sind und ein Nietfußabschnitt, der auf der dem Nietkopf abgewandten Seite aus dem Bauteilverbund austritt, nach innen umgebogen ist, so dass der Stanzbutzen im Nietfuß fixiert ist.

Besonders vorteilhaft ist eine solche Nietverbindung, wenn es sich bei dem Kunststoff-Bauteil um ein FVK-Bauteil handelt.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich der Nietfuß in seinem Verlauf vom Nietkopf durch die Bauteile aufweitet und einen die Bauteile formschlüssig zueinander und zum Nietkopf fixierenden Hinterschnitt ausbildet.

Bevorzugt wird für die Nietverbindung der voranstehend beschriebene Halbhohlstanzniet verwendet, so dass dieselben technischen Wirkungen und Vorteile erreicht werden, wie sie zum erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet beschrieben sind.

Bei dem Kunststoff-Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein FVK-Bauteil, besonders bevorzugt um ein kohlenstofffaserverstärktes(CFK-)Bauteil, ein glasfaserverstärktes(GFK-)Bauteil oder ein aramidfaserverstärktes Bauteil. Bei dem Kunststoff- oder FVK-Bauteil kann es sich insbesondere um ein flächiges, blechartiges Bauteil handeln. Das Metallbauteil ist Insbesondere ein Blechformteil, z. B. aus einem Aluminium- oder Stahlblech, wobei es sich auch um ein Gußteil oder Profilteil handeln kann.

Das Verbundbauteil aus mindestens einem Kunststoff- oder FVK-Bauteil und einem Metallbauteil kann auch mehrere Kunststoff- oder FVK-Bauteile und/oder Metallbauteile in beliebiger Schichtung aufweisen. Vorzugsweise ist das stempelseitige Bauteil ein FVK-Bauteil und das matrizenseitige Bauteil ein Metallbauteil.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

1 eine Schnittansicht einer Nietverbindung mit einem beispielhaften Halbhohlstanzniet.

Bei der Nietverbindung 10 sind ein ersten Bauteil 20 in Form eines FVK-Bauteils und ein zweites Bauteil 30 in Form eines Metallblechformteils mittels zumindest eines Halbhohlstanzniets 100 miteinander verbunden.

Der Halbhohlstanzniet 100 ist als einstückiger, metallischer Niet ausgebildet mit einem Nietkopf 110 und einem daran angeformten Nietfuß 120. Der Nietkopf 110 ist als Flachnietkopf ausgebildet. Der Nietfuß ist als Hohlkörper in der Art eines Hohlzylinders mit durchgehender, unterbrechungsfreier Zylinderwand ausgebildet. An seinem dem Nietkopf 110 abgewandten freien Ende 130 ist der Nietfuß 120 als Stanzschneide ausgebildet, wozu die Wandstärke des Nietfußes sich zum Ende hin verjüngt.

Zur Ausbildung der Nietverbindung werden die Bauteile in üblicher Weise zueinander positioniert und fixiert. Der Halbhohlstanzniet 100 wird mittels eines geeigneten Nietwerkzeugs bzw. Setzgeräts in die Bauteile 20 und 30 gepresst. Das als Stanzschneide ausgebildete Nietfußende 130 schneidet dabei in das erste und zweite Bauteil ein. Die Geometrie des Nietfußes 120 und insbesondere der Schneidkante ist dabei so gewählt, dass sich der Nietfuß 120 mit fortschreitendem Eindringen in die Bauteile aufweitet bzw. aufspreizt. Hierbei bildet sich ein erster Hinterschnitt aus, der durch beide Bauteil hindurch reicht und sowohl das erste Bauteil 20 als auch das zweite Bauteil 30 formschlüssig fixiert.

Es sei darauf hingewiesen, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Nietverbindungen erfindungsgemäß der Niet beide Bauteile vollständig durchschneidet und kein Restboden verbleibt. Der vom Niet 100 ausgestanzten Stanzbutzen 40 besteht somit aus einem ausgestanzten Abschnitt 42 des ersten Bauteils 20 und einem ausgestanzten Abschnitt 44 des zweiten Bauteils 30. Durch den Stanzvorgang wird die Struktur des Faserverbundkunststoffs zerstört, dargestellt durch die andersartige Schraffur des ausgestanzten Abschnitts 42. Hieraus resultiert eine Volumenzunahme des Stanzbutzens 40, welche bei herkömmlichen Nietverbindungen problematisch ist.

Erfindungsgemäß wird jedoch ausreichend Freiraum zur Aufnahme der zerstörten FVK-Fasern bereitgestellt, indem die Länge des Nietfußes so gewählt wird, dass der Stanzbutzen 40 durch Umbiegen des matrizenseitig aus dem Bauteil 30 austretenden Nietfußabschnitts 140 fixierbar ist. Wie in 1 zu erkennen, ist der Nietfußabschnitt 140 nach innen, also zur Mittellängsachse L des Niets, hin umgebogen, z. B. in der Art eines Bördels, wodurch ein zum ersten Hinterschnitt gegenläufiger zweiter Hinterschnitt gebildet wird, der den Stanzbutzen 40 im Inneren des Nietfuß 120 fixiert.

Das Umbiegen des matrizenseitigen Nietfußabschnitts 140 erfolgt vorzugsweise in demselben Arbeitsschritt wie das Setzen des Mets, z. B. durch Verwendung einer zu diesem Zwecke geformten Matrize und/oder einer entsprechenden Bewegung des Nietwerkzeugs.

Der erfindungsgemäße Halbholstanzniet und eine mit diesem Niet ausgebildete Bauteilverbindung stellt ausreichend Freiraum bereit, um die zerstörten FVK-Fasern aufzunehmen. Korrosionsprobleme durch offenliegende Fasern in Verbindung mit dem Partnerfügeteil können reduziert bzw. gänzlich vermieden werden.

Es versteht sich, dass das Material des Halbholstanzniets 100 so gewählt ist, dass elektrochemische Korrosion mit den Materialien des ersten und zweiten Bauteils 20 und 30 vermieden wird.

Obwohl die Nietverbindung in 1 nur zwei Bauteile miteinander verbindet, können alternativ mehr als die gezeigten zwei Bauteile miteinander verbunden werden. Ebenso können andere Materialien oder Schichtungen der Bauteile als in 1 dargestellt verwendet werden.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.

Bezugszeichenliste

10
Stanznietverbindung
20
FVK-Bauteil
30
Metall-Bauteil
40
Stanzbutzen
42, 42
ausgestanzter Abschnitt
100
Halbhohlstanzniet
110
Nietkopf
120
Nietfuß
130
Nietfußende
140
Nietfußabschnitt
L
Mittellängsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102013216039 A1 [0005]