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Title:
SOLID RIVET FOR JOINING COMPOSITE STRUCTURAL PARTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/121670
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a solid rivet with a swaged head (5) and a shaft (6), which is aligned axially with the swaged head (5), wherein the maximum diameter of the swaged head is greater than the outside diameter of the shaft (6).  To make it possible even for structural parts of fibre-reinforced plastic to be firmly and reliably connected, without this meaning increased production effort, it is proposed according to the invention that the shaft (6) has at least one end portion (11), an intermediate portion (10) and a head portion (9), wherein the outside diameter of the intermediate portion (10) is less than the outside diameter of the end portion (11).

Inventors:
VAS, Peter (Lothringerstr. 9a, Bremen, 28211, DE)
Application Number:
EP2009/052215
Publication Date:
October 08, 2009
Filing Date:
February 25, 2009
Export Citation:
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Assignee:
AIRBUS OPERATIONS GMBH (Kreetslag 10, Hamburg, 21129, DE)
VAS, Peter (Lothringerstr. 9a, Bremen, 28211, DE)
International Classes:
F16B19/06; B21J15/02; B29C65/00; B29C65/60; F16B5/04
Attorney, Agent or Firm:
HABENICHT, Wieland (Nymphenburger Str. 79, München, 80636, DE)
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Claims:

Ansprüche

1. Vollniet mit einem Setzkopf (5) und einem Schaft (6), der axial mit dem Setzkopf (5) ausgerichtet ist, wobei der maximale Durchmesser des Setzkopfes größer als der Außendurchmesser des Schaftes (6) ist, wobei der Schaft (6) wenigstens einen Endabschnitt (1 1 ), einen Zwischenabschnitt (10) und einen Kopfabschnitt (9) aufweist, wobei der Außendurchmesser (a) des Zwischenabschnittes (10) kleiner als der

Außendurchmesser des Endabschnittes (11 ) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (a) des Zwischenabschnittes (10) so gewählt ist, dass bei einer Umformung des Vollniets das Material des Zwischenabschnittes (10) einen

Zwischenraum zwischen dem Zwischenabschnitt (10) und der Bohrung (3) nicht ausfüllt.

2. Vollniet nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die drei Abschnitte (9, 10, 11 ) jeweils zylindrisch sind.

3. Vollniet nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (11 ) konisch zuläuft, wobei er einen kleineren Außendurchmesser an seinem freien Ende aufweist.

4. Vollniet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (11 ) aus einem weichen Material hergestellt ist und der Zwischenabschnitt (10) und/oder der Kopfabschnitt (9) aus einem hochfesten Material hergestellt ist.

5. Vollniet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (11 ) konisch zuläuft, wobei er einen kleineren Außendurchmesser an seinem freien Ende aufweist.

6. Vollniet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der übergang zwischen dem Kopfabschnitt (9) und dem Zwischenabschnitt (10) und/oder zwischen dem Zwischenabschnitt (10) und dem Endabschnitt (11 ) stufenförmig ist.

7. Vollniet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der übergang zwischen dem Kopfabschnitt (9) und dem Zwischenabschnitt (10) und/oder zwischen dem Zwischenabschnitt (10) und dem Endabschnitt (11 ) nur eine Kante aufweist.

8. Vollniet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen den Durchmessern des Kopfabschnittes (9) und des Zwischenabschnitts (10) abhängig von der Länge des Zwischenabschnittes (10) ist.

9. Vollniet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den ersten Endabschnitt (1 1 ) ein zweiter Zwischenabschnitt (12) und ein zweiter Endabschnitt (13) anschließt.

Description:

Vollniet zum Fügen von Composit-Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Vollniet und insbesondere, aber nicht ausschließlich ein Vollniet für das Fügen von Composit-Bauteilen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Vollniete werden seit Beginn der Luftfahrt in großen Stückzahlen im Flugzeugbau eingesetzt. Auch moderne Flugzeuge wie der A380 werden mit diesen Elementen gefügt, insbesondere in der Schalenmontage ist das Vollniet wegen der niedrigen Kosten und der guten Automatisierbarkeit weit verbreitet.

Der Großteil der derzeit verwendeten Vollniete besteht aus Aluminium-Legierungen (2017-T42, 21 17-T42 bzw. 7050-T73), für spezielle Anwendungen werden Vollniete aus Titan bzw. Titanlegierungen verwendet. Vollniete aus Stahl werden im Flugzeugbau nicht mehr verwendet. Darüber hinaus gibt es bi-metallische Niete, z.B. von der Firma Cherry. Dieses Niet besteht aus einem Schaft aus einer hochfesten Titanlegierung (Ti6AI4V) und einem Schaftende aus einer weichen Titanlegierung (Ti45Nb). Beide Komponenten werden bei der Herstellung des Niets mittels Reibschweißen verbunden.

Die Installation des Niets erfolgt durch Umformung des weichen Schaftendes. Unter gewissen Randbedingungen sind auch diese Verbindungselemente zum Fügen von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) geeignet, also um FVK/FVK- Strukturen zu bilden. Aus Korrosionsgründen können dabei keine Vollniete aus Aluminium verwendet werden, stattdessen kommt eine Titanlegierung (TiNb45) als Nietwerkstoff zum Einsatz.

Das Problem bei den herkömmlichen Nieten besteht darin, dass beim Verformen eines Niets große Kräfte auftreten, die dazu führen, dass das Material des Niets in der Bohrung radial nach außen verdrängt wird. Das nach außen verdrängte Material kann insbesondere an den Rändern der Bohrung für den Niet das Material des Fügebauteils beschädigen. Während dies bei Fügebauteilen aus Metall zu einer Verformung des Metalls führt, durch die die Stabilität und Eignung des Bauteils allenfalls geringfügig beeinträchtigt wird, kommt es bei FVK-Bauteilen im Bereich des Schließkopfes aufgrund der sehr hohen Drücke bei der Nietinstallation zu einer Delamination der einzelnen FVK- Lagen. Neben der Delamination von Laminatschichten können auch Risse in dem FVK- Bauteil entstehen.

Um die Delamination und Rissbildung zu vermeiden, wird daher schließkopfseitig ein metallischer Werkstoff vorgeschrieben. Diese Anforderung kann erfüllt werden, indem FVK/FVK-Strukturen unter Einsatz von metallischen Unterlegscheiben gefügt werden, was jedoch einen hohen Fertigungsaufwand bedeutet.

Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist somit das Fügen von FVK/FVK-Strukturen mittels Vollnieten nicht möglich.

Aus der US 2 358 728 ist ein Verankerungsniet bekannt, bei dem ein Schaft einen abgesetzten Kopf, einen an den Schaft anschließenden Zapfen mit kleinerem Durchmesser als jener, eine transversal zum Schaft verlaufende Nut unmittelbar neben dem Zapfen sowie einen Zusatzschlitz zur Aufnahme von Material umfasst.

Aus US 3 634 928 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung bekannt, bei dem ein Niet mit einer oder mehreren ringförmigen Nuten im Schaft des Niets verwendet wird. Die Nut dient dazu, dass der übergang des Niets in eine Pilzform verzögert wird und dadurch der mittlere Abschnitt des Niets gekürzt wird, so dass das Material im wesentlichen gleichmäßig nach außen gedrückt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Niet zu schaffen, mit dem die genannten Nachteile umgangen werden können und das eine feste und zuverlässige Verbindung auch von FVK-Bauteilen miteinander ermöglicht, ohne dass dies einen erhöhten Fertigungsaufwand bedeutet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Vollniet nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, dass in dem Vollniet nach dem Stand der Technik eine Aussparung, eine Nut oder Fase in dem Schaft des Vollniets vorgesehen wird, welche sich in Höhe der Rückseite des schließkopfseitigen Werkstoffes befindet. Während bei der Installation eines klassischen Vollniets ohne eine derartige Aussparung oder Fase das FVK-Bauteil ausgehend von der Bohrungskante delaminiert, verhindert die Fase bei dem erfindungsgemäßen Vollniet den Kontakt des Niets an der Bohrungskante mit dem zu fügenden Bauteil, so dass eine Delamination des FVK-Bauteils in diesem Bereich vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Vollniet mit einem Setzkopf und einem Schaft, der axial mit dem Setzkopf ausgerichtet ist, wobei der maximale Durchmesser des Setzkopfes größer als der Außendurchmesser des Schaftes ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft wenigstens einen Endabschnitt, einen Zwischenabschnitt und einen Kopfabschnitt aufweist, wobei der Außendurchmesser des Zwischenabschnittes kleiner als der Außendurchmesser des Endabschnittes ist.

Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Vollniet als eines oder - soweit technisch möglich und sinnvoll - als mehrere Merkmale auf, dass:

- die drei Abschnitte jeweils zylindrisch sind;

- der Endabschnitt konisch zuläuft, wobei er einen kleineren Außendurchmesser an seinem freien Ende aufweist;

- der Endabschnitt aus einem weichen Material hergestellt ist und der Zwischenabschnitt und/oder der Kopfabschnitt aus einem hochfesten Material hergestellt ist;

- der Endabschnitt konisch zuläuft, wobei er einen kleineren Außendurchmesser an seinem freien Ende aufweist;

- der übergang zwischen dem Kopfabschnitt und dem Zwischenabschnitt und/oder zwischen dem Zwischenabschnitt und dem Endabschnitt stufenförmig ist;

- der übergang zwischen dem Kopfabschnitt und dem Zwischenabschnitt und/oder zwischen dem Zwischenabschnitt und dem Endabschnitt nur eine Kante aufweist;

- die Differenz zwischen den Durchmessern des Kopfabschnittes und des Zwischenabschnitts abhängig von der Länge des Zwischenabschnittes ist;

- sich an den ersten Endabschnitt ein zweiter Zwischenabschnitt und ein zweiter Endabschnitt anschließt.

Das erfindungsgemäße Niet bietet u.a. die folgenden Vorteile: Es wird genau wie das "klassische" Niet installiert, d.h. es können die bekannten Werkzeuge verwendet werden und das Fügen von Bauteilen mit dem erfindungsgemäßen Vollniet kann genauso erfolgen wie beim Stand der Technik. Ferner erzielt man durch eine entsprechend tiefe Fase oder Nut eine Gewichtsersparnis.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.

Fig. 1 zeigt ein Vollniet nach dem Stand der Technik vor der Verformung.

Fig. 2 zeigt das Vollniet nach Fig. 1 nach der Verformung.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vollniets vor der Verformung.

Fig. 4 zeigt das Vollniet nach Fig. 3 nach der Verformung.

Fig. 5 bis 8 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Vollniets.

Die Zeichnung ist nicht maßstäblich. Gleiche bzw. gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen, sofern nicht anders vermerkt.

Fig. 1 zeigt ein Vollniet nach dem Stand der Technik, mit dem ein oberes Bauteil 1 und ein unteres Bauteil 2 verbunden werden sollen, von denen jeweils nur ein Ausschnitt gezeigt ist. Für das Zusammenfügen der Bauteile 1 und 2 wird eine Bohrung 3 vorgesehen, die sich durch beide Bauteile erstreckt. Durch diese Bohrung 3 wird ein Vollniet 4 gesteckt, wobei es auf der einen Seite durch einen Setzkopf 5 daran gehindert wird, ganz durch die Bohrung 3 hindurchzurutschen. An den Setzkopf 5 des Vollniets 4 schließt sich ein Schaft 6 an, der axial mit dem Setzkopf 5 ausgerichtet ist und so lang ist, dass er auf der dem Setzkopf 5 gegenüberliegenden Seite der Bohrung 3 übersteht. Der Setzkopf kann vorzugsweise in der Oberfläche des oberen Bauteils 1 versenkt werden, so dass er plan mit der Oberfläche des Bauteils 1 abschließt. Sein maximaler Durchmesser ist größer als der Innendurchmesser der Bohrung 3 und größer als der Außendurchmesser des Schaftes 6.

In Fig. 2 ist das Niet 4 nach dem Fügen, d.h. nach seiner Umformung gezeigt. Wie erkennbar hat sich an der Form des Setzkopfes 5 nichts geändert, während das freie Ende des Schaftes 6 durch Einwirken eines geeigneten Werkzeuges derart verbreitert wurde, dass der Außendurchmesser des verformten Schaftes 6 an dieser Stelle nun größer als der Innendurchmesser der Bohrung 3 ist. Der verformte Abschnitt des Schaftes 6 bildet damit einen Schließkopf 7, der eine Bewegung des Vollniets 4 in Richtung des Setzkopfes 5 verhindert und dadurch die beiden Bauteile 1 und 2 aneinander hält.

Wie ebenfalls in Fig. 2 erkennbar kann es beim Umformen des Schaftes 6 an seinem freien Ende zu dem Schließkopf 7 zu einer Beeinträchtigung des Bauteils 2 kommen. Durch Druckeinwirkung des Materials des Niets 4, das bei der Umformung verdrängt und

verdichtet wird, wird auch Material des Bauteils 2 verdrängt, so dass sich im Bereich der Austrittskante der Bohrung 3 einzelne Laminatschichten 8 des Bauteils 2 voneinander trennen und delaminieren. Damit wird die Festigkeit der Laminatstruktur des Bauteils 2 beeinträchtigt. Darüber hinaus kann es auch zu einer Vertiefung des Bauteils 2 in der Umgebung der Bohrung 3 kommen, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 angedeutet ist, die die ursprüngliche Dicke des Bauteils bzw. seinen idealen Zustand nach dem Fügen zeigen.

Um diese unerwünschte Verformung des Bauteils 2 in der Umgebung der Bohrung 3 durch das ausweichende Material des Vollniets 4 zu vermeiden, wird erfindungsgemäß das Vollniet 4 mit einer Fase bzw. Nut in Höhe der Austrittskante des Bohrung 3 versehen. Eine erste Ausführungsform eines solchen erfindungsgemäßen Vollniets ist in Fig. 3 gezeigt.

Bei dem Vollniet 4 nach Fig. 3 ist der gleichförmige Schaft 6 ersetzt durch drei unterschiedliche Abschnitte. Als ein erster Abschnitt schließt sich an den Setzkopf 5 ein Kopfabschnitt 9 an. Diesem folgt in Richtung freies Ende des Vollniets ein Zwischenabschnitt 10, und an diesen schließt sich wiederum ein Endabschnitt 1 1 an, der das freie Ende des Vollniets 4 bildet. Die einzelnen Abschnitte sind gekennzeichnet bzw. unterscheiden sich voneinander dadurch, dass sie alle einen von dem jeweils benachbarten Abschnitt unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Insbesondere ist der Außendurchmesser des Zwischenabschnittes 10 kleiner als der Außendurchmesser des Endabschnittes 1 1. Ferner ist der Außendurchmesser des Zwischenabschnittes 10 kleiner als der Außendurchmesser des Kopfabschnittes 9. Die Beziehung der Durchmesser von Kopfabschnitt 9 und Endabschnitt 11 ist frei wählbar. So kann der Kopfabschnitt 9 einen größeren Durchmesser als der Endabschnitt 11 aufweisen, wie es in Fig. 3 angedeutet ist, es ist aber ebenso möglich, den Durchmesser des Endabschnittes 11 gleich groß wie oder etwas größer als den des Kopfabschnittes 9 zu wählen (nicht gezeigt). Der Durchmesser des Zwischenabschnittes 10 ist in Fig. 3 mit "a" bezeichnet.

Nachdem das Vollniet 4 in der Bohrung 3 wie in Fig. 3 gezeigt positioniert worden ist, wird es wie im Stand der Technik in der Art umgeformt, dass es die beiden Bauteile 1 und 2 fest miteinander verbindet. Die Gestalt des Vollniets 4 nach der Umformung ist in Fig. 4 gezeigt.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass nach der Umformung des Vollniets der Endabschnitt 1 1 in axialer Richtung gestaucht wurde, so dass seine Länge reduziert wurde und gleichzeitig

sein Außendurchmesser um soviel größer wurde, dass ein Durchrutschen des umgeformten Endabschnittes 1 1 durch die Bohrung 3 nicht mehr möglich ist. Durch den Umformungsprozess wurde auch der Zwischenabschnitt 10 verformt, der sich direkt an den Endabschnitt 1 1 anschließt. In der Darstellung in Fig. 4 hat die Umformung des Vollniets 4 bei dem Zwischenabschnitt 10 zu einer Vergrößerung des Durchmessers von "a" auf "b" geführt. Dieses Verhalten entspricht damit genau demjenigen von Vollnieten beim Stand der Technik, mit dem Unterschied jedoch, dass das Material nicht ausreicht, um den Außendurchmesser "a" des Zwischenabschnittes 10 bis zum Innendurchmesser der Bohrung 3 auszudehnen. Und damit wird auch die unerwünschte Verdrängung von Material des Bauteils 2 vermieden, was andernfalls zu dem Delaminieren der einzelnen Laminatschichten 8 nach Fig. 2 führen kann.

Da die bei der Umformung geleistete Arbeit zu einer Verformung des Endabschnittes 11 wie auch des Zwischenabschnittes 10 führt, der eine Schwachstelle des Vollniets 4 bildet, bleibt eine Verformung des Kopfabschnittes 9 aus, d.h. die Bohrung 3 wird auch in tiefer liegenden Bereichen nicht beeinträchtigt.

Die drei Abschnitte 9, 10 und 1 1 sind in Fig. 3 und Fig. 4 jeweils zylindrisch dargestellt. Dies ist jedoch keine Bedingung für das erfindungsgemäße Vollniet. So kann der Zwischenabschnitt 10 in einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform nur bereichsweise einen kleineren Durchmesser als seine benachbarten Abschnitte 9 und 1 1 aufweisen. In diesem Fall wäre seine Querschnittsform in Richtung der in den Fig. 1 bis 4 gestrichelt dargestellten Symmetrieachse also nicht kreisförmig, sondern beispielsweise ellipsenförmig oder rechteckig mit abgerundeten Ecken oder die eines Kreises mit zwei gegenüberliegenden Abflachungen etc.

Weitere Modifikationen des erfindungsgemäßen Vollniets sind in den Figuren 5 bis 8 gezeigt. In Fig. 5 ist noch einmal die Ausführungsform nach Fig. 3 gezeigt. Das Merkmal des Vollniets, was in Fig. 5 und 6 variiert, ist der übergang zwischen den einzelnen Abschnitten. In Fig. 5 ist der übergang zwischen den Abschnitten stufenförmig, d.h. es gibt zwei Kanten zwischen dem Zwischenabschnitt 10 und dem Kopfabschnitt 9 bzw. zwischen dem Zwischenabschnitt 10 und dem Endabschnitt 1 1. Von der Ausführungsform nach Fig. 5 unterscheidet sich die Ausführungsform nach Fig. 6 dadurch, dass der übergang zwischen dem Kopfabschnitt 9 und dem Zwischenabschnitt 10 sowie zwischen dem Zwischenabschnitt 10 und dem Endabschnitt 1 1 abgerundet ist, so dass jeder übergang jeweils nur eine Kante aufweist. Diese Ausführungsform ist fertigungstechnisch einfacher zu realisieren, da hier nur mit einem einfachen Werkzeug eine Nut gefertigt

werden muss, während bei der Ausführungsform nach Fig. 5 der Durchmesser des Zwischenabschnitts 10 durch Fräsen verringert werden muss. Die Einbringung der Fase kann also spanend (z.B. durch Drehen) erfolgen oder durch Umformung eingebracht werden. Beide Vorgänge können bei dem Niethersteller oder aber auch beim Nietanwender erfolgen.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vollniets ist in Fig. 7 gezeigt. In dieser Ausführungsform läuft der Endabschnitt 11 konisch zu, wobei er einen kleineren Außendurchmesser an seinem freien Ende aufweist. Damit ist seine Handhabe beim Setzen in die Bohrung 3 einfacher. Ferner unterscheidet sich die Ausführungsform des Vollniets 4 nach Fig. 7 von den vorangehenden Ausführungsformen dadurch, dass sein Zwischenabschnitt 10 verlängert ist. Die Wahl der Dimension des Zwischenabschnitts 10 (und auch der anderen Abschnitte) in axialer Richtung hängt im wesentlichen von den Festigkeitsanforderungen an den jeweiligen Abschnitt ab und mit dem Durchmesser "a" des Zwischenabschnittes 10 zusammen.

Schließlich ist in Fig. 8 eine Ausführungsform dargestellt, die mehrere Zwischenabschnitte und Endabschnitte aufweist: zusätzlich zu dem ersten Zwischenabschnitt 10 ist ein zweiter Zwischenabschnitt 12 vorgesehen, der sich an den ersten Endabschnitt 11 anschließt. Vervollständigt wird diese Ausführungsform durch einen zweiten Endabschnitt 13. Diese Ausführungsform eignet sich besonders dann, wenn mit einem Niet unterschiedlich dicke Bauteile 1 und 2 zusammengefügt werden sollen, andererseits aber nicht verschiedene Niete auf Lager gehalten werden sollen.

Neben den geometrischen Abmessungen der einzelnen Abschnitte 9, 10, 11 können auch die jeweiligen Materialien so gewählt werden, dass sie optimal für die jeweilige Anwendung des Vollniets 4 geeignet sind. So muss das Vollniet nicht monolithisch aus einem Material hergestellt werden, sondern es kann beispielsweise der Endabschnitt 11 aus einem weichen Material hergestellt sein und der Zwischenabschnitt 10 bzw. der Kopfabschnitt 9 aus einem hochfesten Material hergestellt sein. Auf diese Art wird erreicht, dass der Endabschnitt 1 1 einen Großteil der Verformungsarbeit aufnimmt und in der Länge reduziert wird bei gleichzeitiger Vergrößerung seiner Breite. Beispiele für Materialien sind das hochfeste Ti6AI4V und das weichere Ti45Nb.

Bezugsziffern

1 Bauteil oben

2 Bauteil unten

3 Bohrung, durch beide Bauteile gehend

4 Vollniet

5 Setzkopf

6 Schaft

7 Schließkopf

8 Laminatschicht

9 Kopfabschnitt

10 (erster) Zwischenabschnitt

1 1 (erster) Endabschnitt

12 zweiter Zwischenabschnitt

13 zweiter Endabschnitt a Durchmesser von Zwischenabschnitt vor Verformung b Durchmesser von Zwischenabschnitt nach Verformung




 
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