WO2026067941A1

WO2026067941A1 - Fügewerkzeug

Info

Publication number: WO2026067941A1
Application number: PCT/DE2025/100918
Authority: WO
Original assignee: Atlas Copco IAS GmbH
Current assignee: Atlas Copco IAS GmbH
Priority date: 2024-09-24
Filing date: 2025-09-24
Publication date: 2026-04-02
Anticipated expiration: 2027-03-24
Also published as: DE102024127674A1

Abstract

Fügewerkzeug (100) aufweisend einen Niederhalter (110) konfiguriert zum Halten und Positionieren von Verbindungselementen, einen Prozesshub (120) konfiguriert zum Einschrauben von Verbindungselementen in zwei zu verbindende Materialien, und ein Distanzzylinder (130) konfiguriert zum Bereitstellen und Steuern eines Abstands zwischen dem Niederhalter (110) und dem Prozesshub (120), wobei der Distanzzylinder (130) frei von Pneumatik ist.

Description

Atlas Copco IAS GmbH, Case: 13N2024PA1069DE

Fügewerkzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügewerkzeug.

Technischer Hintergrund

Fügewerkzeuge, d.h. mechanische Werkzeuge, mit welchen zumindest zwei verschiedene Elemente aus unterschiedlichen Materialien, wie hochfester Stahl, Aluminium, Guss, Magnesium, Kohle oder Kunststoffe, mit unterschiedliche Festigkeitseigenschaften miteinander verbunden werden, sind grundsätzlich bekannt. Eine Verbindung kann hierbei durch Kleben, Nieten und/oder Nähen bereitgestellt werden. Alternativ kann eine Verbindung von zumindest zwei verschiedenen Elementen bereitgestellt werden, indem ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube, durch einen Niederhalter gehalten und positioniert wird und mit einem Prozesshub mit einer hohen Drehzahl gedreht wird und unter Druck steht, d.h. durch die Materialien der zu verbindenden verschiedenen Elemente gedrückt wird. Durch die starke Rotation des Verbindungselements und die Drückbewegung des Fügewerkzeugs, werden die Materialien der zu verbindenden verschiedenen Elemente punktuell geschmolzen, wobei sich dabei in den Materialien der zu verbindenden verschiedenen Elemente ein Gewinde ausbildet. Derartige Fügewerkzeuge sind auch als Fließbohrvorrichtungen, auch als Flow-Drill-Fastening (FDF) bezeichnet, bekannt.

In einem typischen Fügewerkzeug, insbesondere Fließbohrvorrichtung, werden der Niederhalter und der Prozesshub durch ein pneumatischen Distanzzylinder variable beabstandet. Beispielsweise wird in einer Grundstellung durch den Distanzzylinder ein definierter Abstand zwischen Niederhalter und dem Prozesshub eingestellt. Der Abstand ist hierbei derart definiert, dass der Prozesshub genau dann durch den Distanzzylinder gestoppt wird, wenn die Bit oder Nuss im Kraftangriff des Prozesshubs eingerastet sind. Im anschließenden Verarbeitungsprozess wird das Verbindungselement durch den Niederhalter hindurchbewegt, sodass der Distanzzylinder verändert werden muss, sodass sich der Prozesshub relativ zum Niederhalter bewegen und die Schraube ins Bauteil getrieben werden kann.

Bekannte Fügewerkzeuge, insbesondere Fließbohrvorrichtungen, die an einen pneumatischen Distanzzylinder aufweisen, haben hierbei den Nachteil, dass deren Effektivität bzw. Wirkungsgrad stark von der bereitgestellten Druckluft für den Distanzzylinder abhängt. Untersuchungen haben ergeben, dass schon geringfügige Differenzen, Unterschiede oder Abweichungen von einem Ideal, in der Druckluft zu starken negativen Veränderungen der Effektivität bzw. des Wirkungsgrads führen können. Zusätzlich ist durch das zusätzliche Bereitstellen, neben Energie bzw. Strom, von Druckluft zu dem Fügewerkzeug, der Betrieb des Fügewerkzeug kostenintensiver und lediglich in Atlas Copco IAS GmbH, Case: 13N2024PA1069DE

Umgebungen möglich, wo neben Strom auch Druckluft bereitgestellt werden kann. Dies verringert die Einsatzmöglichkeiten der Fügewerkzeuge immens.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fügewerkzeug, insbesondere ein Fließbohrvorrichtung, bereitzustellen, welches von Druckluft unabhängig ist, sodass eine gleichbleibende bzw. kontinuierliche Effektivität bzw. Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann, der Betrieb der Fügewerkzeuge kostengünstiger ist und die Einsatzmöglichkeit der Fügewerkzeuge erhöht werden kann.

Zumindest eine der Aufgaben oder weiterer Aufgaben, die sich für den Fachmann aus der vorliegenden Offenbarung ergeben, werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fügewerkzeug beschrieben. Das Fügewerkzeug umfasst einen Niederhalter, der zum Halten und Positionieren von Verbindungselementen konfiguriert ist, einen Prozesshub, der zum Einschrauben von Verbindungselementen in zwei zu verbindende Materialien konfiguriert ist, und einen Distanzzylinder, der zum Bereitstellen und Steuern eines Abstands zwischen dem Niederhalter und dem Prozesshub konfiguriert ist, wobei der Distanzzylinder frei von Pneumatik ist.

Der Begriff „Fügewerkzeug“ repräsentiert hierbei jede Fleißbohrvorrichtung, bei der ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube, durch einen Niederhalter gehalten und positioniert wird und durch einen Prozesshub mit einer hohen Drehzahl gedreht wird und durch die Materialien der zu verbindenden verschiedenen Elemente gedrückt wird, wobei durch die starke Rotation des Verbindungselements und die Drückbewegung des Fügewerkzeugs, die Materialien der zu verbindenden verschiedenen Elemente punktuell geschmolzen werden und sich in den Materialien der zu verbindenden verschiedenen Elemente ein Gewinde ausbilden. Ein Fügewerkzeug kann hierbei einen Niederhalter, einen Prozesshub und ein Distanzzylinder aufweisen. Ein Mikroelekt- romechatronisches System (kurz MEMS) kann in die Komponenten des Fügewerkzeugs, d.h. in den Niederhalter, in den Prozesshub und/oder in den Distanzzylinder, integriert sein.

Der Begriff „Niederhalter“ repräsentiert jede Vorrichtung, die zum Halten und/oder zum Positionieren von Verbindungselementen konfiguriert ist, wobei zwei zu verbindende Materialien mit dem Verbindungselement verbunden werden. Der Niederhalter kann auf einem Schlitten angeord- Atlas Copco IAS GmbH, Case: 13N2024PA1069DE net sein, der auf einer Schiene angeordnet ist, sodass der Niederhalter eingefahren und ausgefahren werden kann. Der Niederhalter ist durch einen Distanzzylinder von dem Prozesshub beab- standet.

Der Begriff „Prozesshub“ repräsentiert jedes Element des Fügewerkzeugs, welches ein Verbindungselement in dem Niederhalter mit einer hohen Drehzahl dreht und durch die Materialien der zu verbindenden verschiedenen Elemente drückt. Der Prozesshub kann ein Schraubwerkzeug mit einem Motor und einer Welle sein, wobei der Prozesshub an einer ersten Seite mit dem Motor und an einer zweiten Seite mit einem Verbindungselement verbunden ist. Der Prozesshub, insbesondere die Welle des Schraubwerkzeugs kann sich in den Niederhalter erstrecken. Der Prozesshub kann auf einem Schlitten angeordnet sein, welcher sich auf einer Schiene bewegt, sodass sich der Prozesshub relativ zu dem Niederhalter bewegen kann. Der Prozesshub kann mit dem Distanzzylinder direkt gekoppelt bzw. verbunden sein, sodass eine als Kolben wirkende Struktur des Distanzzylinders den Abstand zwischen Prozesshub und Niederhalter einstellen kann.

Der Begriff „Distanzzylinder“ repräsentiert jedes Element, welches eine Distanz zwischen dem Niederhalter und dem Prozesshub bereitstellt. Der Distanzzylinder kann genau zwischen dem Prozesshub und dem Niederhalter angeordnet sein und/oder kann direkt mit dem Niederhalter und/oder dem Prozesshub gekoppelt bzw. verbunden sein. Beispielsweise kann der Distanzzylinder einen Elektromotor, insbesondere einen Hohlwellenmotor, und eine Kugelumlaufspindel aufweisen.

Alternativ kann der Distanzzylinder einen Tauchspulenmotor aufweisen. Der Tauchspulenmotor weist einen, in einem Gehäuse angeordneten, Permanentmagneten und eine Spule auf, die in einen Zwischenraum zwischen dem Permanentmagneten und dem Gehäuse eingebracht ist. Durch den Permanentmagneten und das in der Spule induzierte Magnetfeld kann die Spule in den Zwischenraum ein- und ausgefahren werden, wodurch der Tauchspulenmotor einen Distanzzylinder bilden kann.

Alternativ kann der Distanzzylinder als Kolbensystem ausgebildet sein, welches mit einer rheologischen Flüssigkeit gefüllt ist. Das Kolbensystem ist mit einem Ausgleichzylinder, der mittels einer Feder vorgespannt ist, gekoppelt bzw. verbunden, sodass die rheologischen Flüssigkeit in den federvorgespannten Ausgleichszylinder entweichen kann.

Der Überströmkanal, durch welchen die rheologischen Flüssigkeit von dem Kolbensystem in den Ausgleichzylinder strömt, kann mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden, wodurch die rheologische Flüssigkeit erstarrt und der Distanzzylinder blockiert wird. Atlas Copco IAS GmbH, Case: 13N2024PA1069DE

Der Distanzzylinder kann direkt mit dem Prozesshub gekoppelt bzw. verbunden sein. Der Distanzzylinder kann eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Motoren, z.B. Elektromotor oder Tauchspulenmotor, aufweisen, welche in den Prozesshub oder in den Niederhalter integriert sind.

Der Begriff „frei von Pneumatik“ beschreibt, dass der Distanzzylinder kein pneumatischer Distanzzylinder ist. Mit anderen Worten nutzt der Distanzzylinder keine Pneumatik bzw. keinen Luftdruck. Stattdessen wird ein Ein- und Ausfahren eines Distanzzylinders, insbesondere eine als Kolben wirkende Struktur des Distanzzylinders, durch ein anderes Verfahren als Pneumatik bereitgestellt.

Durch das Ersetzten des pneumatischen Distanzzylinders durch einen pneumatikfreien Distanzzylinder kann ein Fügewerkzeug, insbesondere ein Fließbohrvorrichtung, bereitgestellt werden, die unabhängig von Druckluft ist, sodass eine gleichbleibende bzw. kontinuierliche Effektivität bzw. Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann, der Betrieb der Fügewerkzeuge kostengünstiger ist und die Einsatzmöglichkeit der Fügewerkzeuge erhöht werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Distanzzylinder einen Elektromotor und eine Kugelumlaufspindel auf.

Die Verwendung eines Elektromotors mit einer Kugelumlaufspindel hat den Vorteil, dass ein Distanzzylinder ohne Pneumatik bereitgestellt werden kann und dass der Distanzzylinder mit einem signifikant geringeren Bauraum ausgebildet werden kann. Damit kann das gesamte Fügewerkzeug auch kompakter ausgebildet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Distanzzylinder einen Tauchspulenmotor auf.

Die Verwendung eines Tauchspulenmotors als Distanzzylinder hat den Vorteil, dass ein Distanzzylinder ohne Pneumatik bereitgestellt werden kann. Hinzukommend ist die Verwendung eines Tauchspulenmotors als Distanzzylinder energieeffizienter und der Distanzzylinder kann schneller und präziser bewegt, bzw. ein- und ausgefahren werden. Ferner kann der Tauchspulenantrieb direkt in die tragende Struktur des Prozesshubs integriert werden, was neben der verbesserten Energieeffizienz auch eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Hinzukommend kann die Steuereinheit des Tauchspulenmotors die Position der Spule und damit der Abstand zwischen Prozesshub und Niederhalter erfassen, sodass eine zusätzliche Sensorik zur Erfassung der Position nicht mehr benötigt wird. Darüber hinaus wird die Geschwindigkeit der Bewegung und die für die Erzeugung Atlas Copco IAS GmbH, Case: 13N2024PA1069DE der Bewegung notwendige Leistung erfasst. Daraus werden Informationen über den Zustand des Fügewerkzeugs gewonnen, die für Wartungszwecke verwendet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Distanzzylinder ein Kolbensystem mit einer rheologischen Flüssigkeit auf.

Die Verwendung eines Kolbensystems mit einer rheologischen Flüssigkeit hat den Vorteil, dass ein Distanzzylinder ohne Pneumatik bereitgestellt werden kann und dass der Distanzzylinder mit einem signifikant geringeren Bauraum ausgebildet werden kann. Damit kann das gesamte Fügewerkzeug auch kompakter ausgebildet werden.

Kurzbeschreibung der Figuren

Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend anhand einer Figur im Detail beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Fügewerkzeug mit einem ausgefahrenem Distanzzylinder, wie im Stand der Technik bekannt.

Fig. 2 zeigt ein Fügewerkzeug mit einem eingefahrenem Distanzzylinder, wie im Stand der Technik bekannt.

Fig. 3 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Distanzzylinder.

Fig. 4 zeigt einen zweiten erfindungsgemäßen Distanzzylinder.

Fig. 5 zeigt einen dritten erfindungsgemäßen Distanzzylinder.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fügewerkzeug mit ausgefahrenem Distanzzylinder, wie im Stand der Technik bekannt. Das Fügewerkzeug 100 weist einen Niederhalter 110, einen Prozesshub 120 und einen Distanzzylinder 130 auf. Der Niederhalter 110 ist zum Halten und Positionieren von Verbindungselementen konfiguriert. Der Prozesshub 120 ist zum Einschrauben von Verbindungselementen in zwei zu verbindende Materialien konfiguriert. Der Distanzzylinder 130 ist zum Bereitstellen und Steuern eines Abstands zwischen dem Niederhalter 110 und dem Prozesshub 120 konfiguriert. Der Distanzzylinder 130 ist frei von Pneumatik. Das Fügewerkzeug 100 in Fig. 1 ist in einer Ausgangsposition dargestellt. In dieser Position ist der Niederhalter 110, der auf einem Schlitten angeordnet ist, eingefahren. Der Prozesshub 120, der ebenfalls auf einem Schlitten angeordnet ist und sich relativ zu dem Niederhalter 110 bewegen kann, ist in einer Mittelposition des Fügewerkzeugs 100 angeordnet. Der Distanzzylinder 130 ist ausgefahren.

Fig. 2 zeigt ein Fügewerkzeug mit einem eingefahrenem Distanzzylinder, wie im Stand der Technik bekannt. Der auf einem Schlitten angeordnete Niederhalter 110 ist ausgefahren (siehe Pfeile). Atlas Copco IAS GmbH, Case: 13N2024PA1069DE

Der Prozesshub 120, welcher auf einem Schlitten angeordnet ist, ist ebenfalls ausgefahren. Der Distanzzylinder 130 ist eingefahren.

Fig. 3 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Distanzzylinder. Der Distanzzylinder 130 umfasst einen Elektromotor 131a und eine Kugelumlaufspindel 132a. Der Elektromotor 131a ist direkt an/mit der Kugelumlaufspindel 132a gekoppelt bzw. verbunden, sodass der Motor 131a die Kugelumlaufspindel 132a antreibt.

Fig. 4 zeigt einen zweiten erfindungsgemäßen Distanzzylinder. Der Distanzzylinder 130 umfasst einen Tauchspulenmotor. Der Tauchspulenmotor weist ein in einem Gehäuse 133b angeordneten Permanentmagneten 132b und eine Spule 131b auf, die in einen Zwischenraum 134b zwischen dem Permanentmagneten 132b und dem Gehäuse 133b eingebracht ist. Durch den Permanentmagnet und das in der Spule 131b induzierte Magnetfeld kann die Spule 131b in den Zwischenraum 134b ein- und ausgefahren werden, wodurch der Tauchspulenmotor einen Distanzzylinder 130 bildet.

Fig. 5 zeigt einen dritten erfindungsgemäßen Distanzzylinder. Der Distanzzylinder 130 umfasst ein Kolbensystem, insbesondere einen Zylinder 132c mit einem Kolben 131c, welcher mit einer rheologischen Flüssigkeit 138c gefüllt ist. Das Kolbensystem ist mit einem Ausgleichzylinder 135c verbunden bzw. gekoppelt, wobei der Ausgleichzylinder mittels eines Vorspannungssystems, bestehend aus einem Vorspannelement 134c und einer Feder 133c, vorgespannt ist. Damit kann die rheologischen Flüssigkeit 138c in den Feder-vorgespannten Ausgleichszylinder 135c durch einen Überströmkanal 136c entweichen. Der Überströmkanal 136c, durch welchen die rheologischen Flüssigkeit von dem Kolbensystem in den Ausgleichzylinder 135c strömt, kann mit einem Magnetfeld mittels eine Magnetfeldbereitstellungsvorrichtung 137c, z.B. eine Spule, beaufschlagt werden. Durch das Anlegen/Bereitstellen eines Magnetfeldes an dem Überströmkanal 136c erstarrt die rheologische Flüssigkeit und der Distanzzylinder 130 wird blockiert.

Claims

Atlas Copco IAS GmbH, Case: 13N2024PA1069DE Ansprüche

1. Fügewerkzeug (100) aufweisend: einen Niederhalter (110) konfiguriert zum Halten und Positionieren von Verbindungselementen; einen Prozesshub (120) konfiguriert zum Einschrauben von Verbindungselementen in zwei zu verbindende Materialien; und ein Distanzzylinder (130) konfiguriert zum Bereitstellen und Steuern eines Abstands zwischen dem Niederhalter (110) und dem Prozesshub (120), wobei der Distanzzylinder (130) frei von Pneumatik ist.

2. Fügewerkzeug (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Distanzzylinder (130) einen Elektromotor (131a) und eine Kugelumlaufspindel (132a) aufweist.

3. Fügewerkzeug (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Distanzzylinder (130) einen Tauchspulenmotor aufweist.

4. Fügewerkzeug (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Distanzzylinder (130) ein Kolbensystem mit einer rheologischen Flüssigkeit aufweist.