DE102008059243A1

DE102008059243A1 - Fügebauteil und Verfahren zum Herstellen eines Fügebauteils

Info

Publication number: DE102008059243A1
Application number: DE200810059243
Authority: DE
Inventors: Klaus-Gisbert Dr. Schmitt; Reinhold Opper; Andreas Becker; Michael Schmidt; Reimar Saltenberger
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-27
Also published as: EP2364249B1; US20140091495A1; WO2010057599A1; US20110280650A1; JP5675633B2; US8881367B2; JP2012509207A; EP2364249A1; US8556532B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügebauteil (10) zum axialen Fügen auf ein Werkstück (12), mit einem Grundkörper (13) aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, der einen Halteabschnitt (14) und einen Flanschabschnitt (16) aufweist, wobei an dem Flanschabschnitt (16) eine Fügeoberfläche (19) ausgebildet ist, und mit einem Metallabschnitt (18), der induktiv erwärmbar ist. Dabei ist der Metallabschnitt (18) in den Flanschabschnitt (16) integriert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügebauteil zum axialen Fügen auf ein Werkstück, mit einem Grundkörper aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, der einen Halteabschnitt und einen Flanschabschnitt aufweist, wobei an dem Flanschabschnitt eine Fügeoberfläche ausgebildet ist, und mit einem Metallabschnitt, der induktiv erwärmbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Fügebauteils.
Generell betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet des Fügens von Fügebauteilen, wie Befestigungselementen, auf Werkstücke, wie Karosseriebauteile. Dabei weist ein solches Befestigungselement in der Regel zwei Funktionsabschnitte auf, zum einen den Flanschabschnitt, mittels dessen die Verbindung zum Werkstück herzustellen ist. Zum anderen weist das Fügebauteil einen Halteabschnitt auf, der bspw. als Befestigungsschaft ausgebildet sein kann, um daran weitere Befestigungselemente, wie Kunststoffclips, festzulegen Die Clips können dazu ausgelegt sein, Bauteile, wie Leitungen, Kabelstränge etc., festzulegen. Zum anderen kann ein derartiger Halteabschnitt auch andere Formen, wie bspw. eine hohlzylindrische Form, besitzen.
Aus dem Dokument DE 10 2006 059 337 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus thermoplastischem Material bekannt, wobei ein Fügebauteil in Form eines Halters auf eine Fahrzeugstoßstange aus Kunststoff gefügt wird. Zwischen den miteinander zu verbindenden Oberflächen der Teile ist ein Durchbrüche, Vorsprünge und/oder Vertiefungen aufweisendes Verbindungselement angeordnet, wobei das Verbindungselement dazu ausgelegt ist, sich bei Anlegen eines ändernden Magnetfeldes zu erwärmen. Hierdurch wird das thermoplastische Material an den Oberflächen angeschmolzen. Beim Erstarren des geschmolzenen Materials kommt es zu einer Verbindung wenigstens zwischen den Oberflächen und dem Verbindungselement und dadurch zu einer Verbindung der Teile über das Verbindungselement. Das Verbindungselement kann vorab an einem der zu verbindenden Teile angeheftet werden.
Bei dem oben genannten bekannten Verfahren ist es problematisch, dass der Halter und das metallische Verbindungselement generell separat hergestellt werden. Die Verbindung mit dem Werkstück wie der Fahrzeugstoßstange ist daher arbeitsaufwändig, da jedes Mal das Verbindungselement zwischen gelegt werden muss. Der alternative Ansatz, das Verbindungselement vorab mit einem der Bauteile zu verbinden, ist ebenfalls arbeitsaufwändig, da ein weiterer Arbeitsschritt notwendig ist.
Aus dem Dokument US-A-4,435,222 ist ein weiteres Befestigungselement bekannt, das aus einem Schaftabschnitt und einem leitenden Flanschabschnitt besteht, wobei an der Unterseite des leitenden Flanschabschnittes ein heißschmelzbares Material aufgebracht ist. Bei diesem Fügebauteil ist die generell erzielbare Befestigungskraft nicht sehr hoch.
Vor dem obigen Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fügebauteil und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines solchen Fügebauteils anzugeben.
Die obige Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Fügebauteil der eingangs genannten Art, wobei der Metallabschnitt in den Flanschabschnitt integriert ist.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Fügebauteils, das einen Einkomponenten-Spritzgussprozess beinhaltet, bei dem ein Metallelement eingespritzt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Fügebauteils, das einen Zweikomponenten-Spritzgussprozess beinhaltet, bei dem der Grundkörper durch ein erstes, nicht magnetisches thermoplastisches Kunststoffmaterial als erste Komponente und der Metallabschnitt durch ein zweites, mit metallischen Partikeln durchsetztes zweites Kunststoffmaterial gebildet wird, das eine zweite Komponente bildet.
Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch ein Metallelement für ein erfindungsgemäßes Fügebauteil.
Bei dem erfindungsgemäßen Fügebauteil ist der Metallabschnitt in den Flanschabschnitt integriert, so dass das Fügebauteil eine Art Hybridbauteil aus Kunststoff und Metall bildet. Das Fügebauteil lässt sich unmittelbar, ohne weitere Arbeitsschritte auf ein Werkstück fügen, wobei der Metallabschnitt induktiv erwärmbar ist, um zumindest das thermoplastische Kunststoffmaterial des Fügebauteils zu schmelzen. Hierdurch kann das Fügebauteil auf beliebige Oberflächen gefügt werden, bspw. auch auf Metallwerkstücke. In diesem Fall bildet das geschmolzene thermoplastische Kunststoffmaterial eine Art Klebstoff, der im Wesentlichen kraftschlüssig mit der Metalloberfläche verbunden wird, wenn die Schmelze erstarrt. Bei dem Fügen des Fügebauteils auf ein Werkstück aus thermoplastischem Kunststoffmaterial kann auch dessen Oberfläche angeschmolzen werden, so dass auch eine stoffschlüssige Verbindung (thermoplastisches Schweißen) erzielbar ist.
Schließlich ist das Metallelement vorzugsweise derart in den Flanschabschnitt integriert, dass in radialer und/oder in axialer Richtung ein Formschluss zwischen thermoplastischem Kunststoffmaterial und dem Metallabschnitt erzielbar ist. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass der Metallabschnitt so in den Flanschabschnitt integriert ist, dass thermoplastisches Material des Grundkörpers und der Metallabschnitt in radialer Richtung nebeneinander angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Fügebauteil lässt sich zudem mittels der erfindungsgemäßen Verfahren auf einfache Weise herstellen, nämlich durch einen Spritzgussprozess, der in einem einzelnen Werkzeug erfolgen kann. Bei dem einen Verfahren wird dabei in dem Werkzeug vor dem Spritzgussprozess ein Metallelement zur Bildung des Metallabschnittes angeordnet, so dass dieses zumindest abschnittsweise von dem thermoplastischen Kunststoffmaterial umspritzt wird.
Bei dem zweiten Verfahren wird innerhalb des Werkzeuges in einem ersten Schritt der Grundkörper geformt. In einem zweiten Schritt wird innerhalb des gleichen Werkzeuges der Metallabschnitt geformt, der sich mit der ersten Komponente innerhalb des Werkzeuges verbindet.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Fügebauteil ist es insbesondere für das Fügen auf thermoplastische Bauteile bzw. auf hybride Bauteile mit thermoplastischer Oberfläche von besonderem Vorteil, wenn der Metallabschnitt derart in den Flanschabschnitt integriert ist, dass die Fügeoberfläche durch einen Oberflächenabschnitt des Metallabschnittes und durch einen Oberflächenabschnitt des Flanschabschnittes gebildet ist.
Durch diese Maßnahme kann während des Fügevorganges Kunststoffmaterial des Grundkörpers schnell und direkt mit der Oberfläche des Werkstückes in Verbindung gebracht werden, wodurch festere Fügeverbindungen möglich sind.
Für das Fügen auf z. B. nicht schmelzbare duroplastische Werkstücke ist es von besonderem Vorteil, wenn der Metallabschnitt derart in den Flanschabschnitt integriert ist, dass die Fügefläche vollständig durch den thermoplastischen Werkstück des Flanschabschnitts gebildet wird. Eine dünne Schicht thermoplastischen Kunststoffs auf dem Metallteil kann so, entsprechend verflüssigt, kraftschlüssige Verbindungen mit duroplastischen Werkstücken eingehen und zusätzlich Form- oder Aufsetzschwankungen in der Fügezone ausgleichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Außenumfang des Metallabschnittes kleiner als ein Außenumfang des Flanschabschnittes, derart, dass der Metallabschnitt von einem Rand des Flanschabschnittes umgeben ist.
Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass der Metallabschnitt in der fertig gestellten Fügeverbindung vollständig eingeschlossen ist, so dass insbesondere Korrosionsprobleme vermieden werden können.
Der Rand des Flanschabschnittes wird dabei so gewählt, dass zumindest dessen dem Flanschabschnitt benachbarter Teil während des Fügevorganges anschmilzt und damit eine Verbindung mit der Werkstückoberfläche eingeht (sei es stoff- oder kraftschlüssiger Art). Der Metallabschnitt ist dabei vorzugsweise von dem Flanschabschnitt und dem Werkstück vollständig umschlossen.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Dicke des Randes in radialer Richtung so gewählt ist, dass der Rand aufschmelzbar, insbesondere vollständig aufschmelzbar ist.
Hierdurch kann erreicht werden, dass der Rand den Metallabschnitt vollständig unter Bildung eines Wulstes umschließen kann. Auch kann verhindert werden, das ein nicht geschmolzener Abschnitt des Randes den Fügevorgang behindert, bspw. dann, wenn der Fügevorgang so durchgeführt wird, dass die Fügeoberfläche in die Oberfläche des Werkstückes um einen Betrag größer Null eindringt.
Bspw. kann der Rand in radialer Richtung kleiner sein als die axiale Dicke des Flanschabschnittes.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der Rand eine radiale Dicke von 0,5 mm oder kleiner aufweist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Rand bündig mit dem Metallabschnitt ausgerichtet ist und mit diesem die Fügeoberfläche bildet.
Hierbei kann gewährleistet werden, dass der Rand bei dem Fügen auf ein thermoplastisches Werkstück eine stoffschlüssige Verbindung mit diesem eingeht, so dass der Metallabschnitt quasi abgedichtet innerhalb des thermoplastischen Kunststoffmaterials aufgenommen ist.
Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn der Metallabschnitt eine axiale Durchbrechung aufweist, wobei der Flanschabschnitt im Bereich der Durchbrechung gegenüber der Fügeoberfläche um einen Versatzwert axial zurückversetzt ist.
Durch diese Maßnahme kann gewährleistet werden, dass das Fügebauteil beim Fügen auf thermoplastische Werkstücke derart an das Werkstück angedrückt werden kann, dass die Fügeoberfläche unter die Oberfläche des Werkstückes eindringt, also in die Schmelze des Werkstückes hinein. Auf diese Weise kann eine besonders gute stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Fügebauteil und dem Werkstück erzielt werden.
Der Versatzwert kann dabei der maximal möglichen Eindringtiefe entsprechen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die axiale Durchbrechung so ausgelegt ist, dass der Flanschabschnitt in diesem Bereich gar nicht oder nur wenig angeschmolzen wird.
So ist es von besonderem Vorteil, wenn die Durchbrechung in axialer Projektion dort angeordnet ist, wo der Halteabschnitt mit dem Flanschabschnitt verbunden ist.
Auf diese Weise ist es möglich, ein induktives Wechselfeld in axialer Richtung besonders effizient in den um den Halteabschnitt herum verbleibenden Bereich des Metallabschnittes einzubringen. Dies ermöglicht auch eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Metallabschnittes, so dass eine homogene Fügeverbindung erzielbar ist.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn der Halteabschnitt einen Schaftabschnitt aufweist, der mit dem Flanschabschnitt verbunden ist, wobei ein Außendurchmesser des Schaftabschnittes kleiner ist als ein Durchmesser der Durchbrechung.
Dies ermöglicht ein besonders effizientes und homogenes Einbringen eines induktiven Wechselfeldes in den verbleibenden, ringförmigen Metallabschnitt.
Insgesamt ist es von besonderem Vorteil, wenn der Metallabschnitt wenigstens ein axiales Loch aufweist, dessen Öffnung von der Fügeoberfläche weg weist.
Durch diese Maßnahme kann dieses axiale Loch mit dem thermoplastischen Material des Flanschabschnittes gefüllt sein, so dass sich insbesondere in radialer Richtung eine gute, formschlüssige Verbindung zwischen dem Metallabschnitt und dem Flanschabschnitt ergibt.
In entsprechender Weise kann der Metallabschnitt wenigstens ein axiales Loch aufweisen, dessen Öffnung zu der Fügeoberfläche hinweist.
Durch diese Maßnahme kann thermoplastisches Material in das axiale Loch eindringen, so dass eine fertig gestellte Fügeverbindung in radialer Richtung eine hohe Festigkeit aufweisen kann.
Insgesamt ist es jedoch von besonderem Vorteil, wenn der Metallabschnitt eine Mehrzahl von axialen Durchgangslöchern aufweist.
Derartige Durchgangslöcher ermöglichen den Durchgang von thermoplastischem Material des Flanschabschnittes hin zu der Oberfläche des Werkstückes, wodurch die Festigkeit der Fügeverbindung erhöht werden kann.
Bei Verwendung eines thermoplastischen Werkstückes kann zudem eine stoffschlüssige Verbindung im Bereich dieser axialen Durchgangslöcher erzielt werden, so dass sich in radialer Richtung und in axialer Richtung eine hohe Festigkeit der Fügeverbindung ergibt.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn wenigstens zwei Durchgangslöcher in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind, wobei das radial äußere Loch größer ist als das radial innere Loch.
Durch diese Maßnahme kann eine gleichmäßigere Erwärmung des Metallelementes erreicht werden. Dies gilt insbesondere, wenn ein induktives Wechselfeld von axial oben durch den Flanschabschnitt hindurch in den Metallabschnitt eingeleitet wird, wobei der Rückfluss des induktiven Wechselfeldes im Wesentlichen in radialer Richtung nach außen verläuft.
Das Merkmal ist zudem so zu verstehen, dass das radial äußere Loch auch dadurch größer ausgebildet werden kann, dass eine Mehrzahl von radial äußeren Löchern vorgesehen ist, also die Anzahl der radial äußeren Löcher größer ist als die der radial inneren Löcher.
In diesem Zusammenhang ist es ferner von Vorteil, wenn wenigstens zwei Durchgangslöcher in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind, wobei ein radialer Abstand zwischen den äußeren Löchern kleiner ist als ein radialer Abstand zwischen den inneren Löchern.
Auch diese Maßnahme kann dazu beitragen, die Erwärmung des Metallabschnittes in radialer Richtung einheitlicher zu machen.
Insgesamt ist es ferner bevorzugt, wenn der Metallabschnitt über Hinterschneidungsabschnitte mit dem Flanschabschnitt verbunden ist.
Die Hinterschneidungsabschnitte können axiale oder radiale Löcher in dem Metallabschnitt sein. Der Metallabschnitt kann jedoch auch axial oder radial vorstehende Abschnitte aufweisen, die in den Flanschabschnitt hineinragen.
So kann der Metallabschnitt bspw. durch ein Metallelement gebildet sein, in dem U-förmige Ausschnitte eingebracht sind, deren innerer Abschnitt gegenüber der Oberfläche des Metallelementes abgebogen ist, um Hinterschneidungsabschnitte in Form von Zungen zu bilden.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch auch, wenn der Metallabschnitt aus einem flächigen Metallelement hergestellt ist, in das wenigstens ein Durchgangsloch eingestanzt ist, wobei ein hierdurch erzeugter Stanzgrat einen Hinterschneidungsabschnitt bildet.
Das Metallelement wird beim Herstellen des Fügeelementes folglich so in das Werkzeug eingelegt, dass die Seite des Metallelementes, an der Stanzgrate vorhanden sind, benachbart ist zu dem Flanschabschnitt.
Obgleich mit dem erfindungsgemäßen Fügeelement erreicht werden kann, dass der Metallabschnitt im Wesentlichen vollständig in der fertig gestellten Fügeverbindung umschlossen ist, ist es bevorzugt, wenn der Metallabschnitt aus einem flächigen Metallelement hergestellt ist, das mit einer Antikorrosionsbeschichtung versehen ist.
Hierdurch kann für den Fall des Auftretens von Löchern in dem umschließenden Rand bzw. Wulst eine Korrosionsproblematik vermieden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Flanschabschnitt auf seiner der Fügeoberfläche gegenüberliegenden Außenfläche wenigstens eine Erhebung auf, deren Fläche in einer axialen Projektion sehr viel kleiner ist als die der Außenflächen.
Hierdurch ist es möglich, auf die Erhebung ein Fügewerkzeug aufzusetzen, insbesondere einen Feldformer, über den ein magnetisches Wechselfeld in den Metallabschnitt geleitet wird. Durch die Tatsache, dass dieser Abschnitt des Fügewerkzeuges nur auf der Erhebung aufliegt und nicht flächig auf der gesamten Außenfläche, kann ein Anhaften des Fügewerkzeuges an der Außenfläche des Flanschabschnittes vermieden werden.
Zudem kann erreicht werden, dass das Fügewerkzeug in Bezug auf einen in dem Flanschabschnitt integrierten Metallabschnitt immer eine einheitliche Lage aufweist. Dies kann auch für unterschiedliche Typen von Fügebauteilen eingerichtet werden, so dass bestimmte elektrische steuernde Fügeparameter unabhängig von der Art des Fügebauteils immer gleich eingestellt werden können.
Typischerweise ist die Fügeoberfläche auf der von dem Halteabschnitt weg weisenden Seite des Flanschabschnittes ausgebildet.
Hierdurch kann erreicht werden, dass der Halteabschnitt gegenüber der geschlossenen Oberfläche des Werkstückes vorsteht, um daran andere Bauteile zu befestigen, wie bspw. Clips zur mittelbaren Befestigung von Leitungen, Kabelsträngen oder ähnlichem. Andererseits können an dem Halteabschnitt auch direkt derartige Leitungen, Kabelstränge etc. befestigt werden, wenn der Halteabschnitt entsprechend ausgeformt ist.
Schließlich ist es auch möglich, den Halteabschnitt als Anker zum Befestigen von Verkleidungsteilen, Teppichen etc. zu verwenden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Fügeoberfläche auf der zu dem Halteabschnitt hin weisenden Seite des Flanschabschnittes ausgebildet, wobei der Flanschabschnitt auf der von dem Halteabschnitt weg weisenden Seite vorzugsweise einen Haltevorsprung aufweist.
Bei dieser Ausführungsform lässt sich das Fügebauteil bspw. so an dem Werkstück befestigen, dass dessen Halteabschnitt durch ein Loch des Werkstückes hindurchragt. Über den Haltevorsprung kann das Fügebauteil leicht von einem Fügewerkzeug gehalten werden.
Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn das Verhältnis einer axialen Dicke des Metallabschnittes zu einer axialen Dicke des Flanschabschnittes im Bereich von 1:2 bis 1:10 liegt, insbesondere im Bereich von 1:3 bis 1:6.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die axiale Dicke des Metallabschnittes kleiner gleich 0,5 mm ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Metallabschnitt ferromagnetisch ist.
Auf diese Weise ist es möglich, ein induktives Wechselfeld effizienter zur Erwärmung des Metallabschnittes zu verwenden.
Insgesamt weist das Fügebauteil wenigstens einen der folgenden Vorteile bzw. eines der folgenden Merkmale auf:
Das Fügebauteil lässt sich aufgrund der speziellen Konstruktion auf ein Werkstück fügen, das nur von einer Seite aus zugänglich ist. Daher ist es nicht notwendig, das Werkstück hinter der Fügezone gegenzulagern. Der Metallabschnitt kann jede beliebige Form aufweisen, ist jedoch bevorzugt als flacher Abschnitt mit einer Ausrichtung senkrecht zur Axialrichtung ausgebildet. In der axialen Draufsicht kann der Metallabschnitt ringförmig, scheibenförmig, rund, oval, polygonal, kreuzförmig etc. sein.
Der Flanschabschnitt kann eben oder gebogen sein, um ein Fügen auf ebene Werkstückoberflächen oder auf gebogene Werkstückoberflächen zu ermöglichen. In entsprechender Weise kann der Metallabschnitt auch eben oder gebogen sein.
Der Metallabschnitt weist mindestens ein axiales Durchgangsloch und vorzugsweise maximal vier Durchgangslöcher auf, sofern das Fügebauteil zum Herstellen einer Klebverbindung zwischen einem metallischen Werkstück und dem Fügebauteil verwendet werden soll. Hierbei wird im Wesentlichen ein Kraftschluss erzielt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Metallabschnitt wenigstens ein rundes, ovales oder eckiges Loch und/oder mindestens zwei Langlöcher auf, die an den langen Seiten rund, oval oder gerade ausgebildet sein können. Hierbei kann ein Stoff- und/oder ein Formschluss erzielt werden.
Ferner können die Löcher in Bezug auf eine Längsachse des Fügebauteils symmetrisch angeordnet sein.
Sofern ein Korrosionsschutz verwendet wird, kann dieser z. B. Zn/ZnNi beinhalten.
Insgesamt sollte der Metallabschnitt dann, wenn er als flächiges Metallelement ausgebildet ist, eine möglichst hohe Oberflächenrauigkeit besitzen. Diese kann bspw. auch durch die Korrosionsbeschichtung erzielt werden.
Eine Korrosionsbeschichtung ist mindestens 6 μm dick und weist, wie oben erwähnt, eine hohe Oberflächenrauigkeit auf, um die kraftschlüssige Komponente der Fügeverbindung zu stärken.
Ein Metallabschnitt kann auf der Vorder- und/oder auf der Rückseite des Flanschabschnittes ausgebildet sein.
Der Metallabschnitt bildet zumindest einen Teil der Fügeoberfläche und endet bevorzugt bündig mit zumindest dem Rand des Flanschabschnittes.
Der Rand des Flanschabschnittes, der den Metallabschnitt umgibt, sollte kleiner sein als 1 mm und vorzugsweise größer sein als 0,1 mm, und liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 mm bis 0,8 mm.
Sofern der Metallabschnitt aus einem Metallelement hergestellt ist, ist dessen Dicke vorzugsweise kleiner 0,5 mm, vorzugsweise kleiner 0,3 mm. Das Metallelement kann hierbei aus einer Metallfolie hergestellt sein, die bspw. perforiert (gestanzt) wird, kann aber auch aus einem gitter- oder geflechtartigen Metallelement hergestellt sein.
Sofern der Metallabschnitt durch einen Kunststoffabschnitt mit metallischen Partikeln gebildet ist, können die Metallpartikel bspw. Mikro- oder Nano-Metallpartikel sein.
Ferner ist das Fügebauteil so ausgelegt, dass die Summe der mittels Kraft-, Form- und/oder Stoffschluss übertragbaren Kräfte (über die Fügeverbindung) immer mindestens größer ist, vorzugsweise mindestens 1,2-fach größer, als die Kraft, die am Übergang von dem Halteabschnitt zu dem Flanschabschnitt oder an dem Halteabschnitt selbst zu einem Bruch führt.
Sofern auf der Oberseite des Flanschabschnittes eine Erhebung ausgebildet ist, kann diese eine durchgehende Erhebung (z. B. ringförmig) sein, kann jedoch auch durch mindestens zwei, vorzugsweise drei und maximal vier punkt- oder stabförmige Erhebungen ausgebildet sein. Die Höhe der Erhebungen liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 2 mm.
Der Metallabschnitt besteht vorzugsweise aus Metall, kann jedoch auch aus einem anderen Material hergestellt sein, sofern gewährleistet ist, dass dieses Material durch Einwirkung von außen auf eine Temperatur höher als die Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffmaterials des Fügebauteils gebracht werden kann. Die Erwärmung kann bei einem Metallabschnitt durch magnetische Induktion erfolgen (Wirbelströme) oder auch durch eine elektrische Beheizung.
Generell handelt es sich bei dem Metallabschnitt um einen dünnen, flächenhaft ausgedehnten Abschnitt, der in Netz- oder Gitterstruktur oder als Folie ausgebildet sein kann. Ferner kann der Metallabschnitt auch durch ineinander verwobene Drähte gebildet sein.
Der Metallabschnitt kann ein einzelnes Metallelement aufweisen oder auch eine Mehrzahl von einzelnen Metallelementen, die gemeinsam den Metallabschnitt bilden.
Das Fügebauteil soll so ausgebildet sein (entweder an der Oberseite des Halteabschnittes oder an einem sonstigen Abschnitt), dass sich das Fügebauteil durch Unterdruck in einem Fügewerkzeug halten lässt.
Die Bruchfestigkeit der Fügezone einer Fügeverbindung, die mittels eines erfindungsgemäßen Fügebauteils auf einem thermoplastischen Werkstück erstellt worden ist, beträgt in Abhängigkeit vom thermoplastischen Werkstoff bei artgleichen sowie unterschiedlichen Werkstoffkombinationen vorzugsweise zwischen 2 MPa und 20 MPa. Als thermoplastisches Material für das Fügebauteil eignen sich bspw. POM, PP, PA66 oder PA6 GF30. Als thermoplastisches Material des Werkstückes eignet sich bspw. POM, PP, PA6 GF30.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Längsschnittansicht durch ein Fügebauteil oberhalb eines Werkstückes;
2 eine Draufsicht auf die Unterseite des Fügebauteils der 1;
3 eine Bauteilpaarung aus einem erfindungsgemäßen Fügebauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform, das auf ein Werkstück aus thermoplastischem Kunststoffmaterial gefügt ist;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils und eines Fügewerkzeugs zur Herstellung einer Fügeverbindung auf ein Werkstück bei einseitiger Zugänglichkeit;
5 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteiles von unten;
6 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils;
7 ein Detail eines Metallelementes eines erfindungsgemäßen Fügebauteils;
8 ein weiteres Detail eines Metallelementes eines erfindungsgemäßen Fügebauteils;
9 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils;
10 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils;
11 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils; und
12 eine schematische Längsschnittansicht durch ein Fügeteil oberhalb eines Werkstücks, bei dem das Metallteil des Fügeteils vollständig von thermoplastischem Kunststoff umgeben ist.
In den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils generell mit 10 bezeichnet. Das Fügebauteil 10 ist dazu ausgelegt, entlang einer Axialrichtung A auf eine Oberfläche eines Werkstückes 12 gefügt zu werden. Das Werkstück 12 kann ein Werkstück aus einem beliebigen Material sein, bspw. auch aus Metall. Bevorzugt ist das Werkstück 12 jedoch zumindest an seiner Oberfläche aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt. Das Werkstück 12 ist bspw. ein Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeuges.
Das Fügebauteil 10 weist einen Grundkörper 13 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial auf. Der Grundkörper 13 beinhaltet einen Halteabschnitt 14, der vorliegend schematisch als kreisförmiger Schaftabschnitt ausgebildet ist und einen Durchmesser 15 aufweist. Der Grundkörper 13 weist ferner einen Flanschabschnitt 16 auf, der einen größeren Durchmesser besitzt als der Halteabschnitt 14. Das Fügebauteil 10 wird derart auf das Werkstück 12 geformt, dass der Flanschabschnitt 16 auf die Oberfläche des Werkstückes 12 gefügt wird und der Halteabschnitt 14 gegenüber der Oberfläche des Werkstückes 12 vorsteht.
Das Fügebauteil 10 weist ferner einen Metallabschnitt 18 auf, der in den Flanschabschnitt 16 des Grundkörpers 13 integriert ist. Genauer gesagt ist der Metallabschnitt 18 derart in den Flanschabschnitt 16 integriert, dass ein Formschluss zwischen dem thermoplastischen Material des Flanschabschnittes 16 und dem Metallabschnitt 18 erzielt wird, insbesondere in radialer Richtung R.
Eine Fügeoberfläche, die bei Beginn eines Fügevorganges auf die Oberfläche des Werkstückes 12 aufgesetzt wird, ist in 1 mit 19 bezeichnet. Diese Fügeoberfläche 19 ist generell an einer Unterseite 22 des Flanschabschnittes 16 vorgesehen, wohingegen sich der Halteabschnitt 14 von einer Oberseite 20 des Flanschabschnittes 16 erstreckt.
Die Fügeoberfläche 19 ist gebildet durch eine Unterseite 23 des Metallabschnittes 18 und durch einen Rand 24, der den Metallabschnitt 18 in radialer Richtung umgibt. Die Breite des Randes 24 in radialer Richtung R ist in 1 mit 26 bezeichnet. Der Rand 24 erstreckt sich vorzugsweise bis hin zu der Fügeoberfläche 19, so dass eine Unterseite des Randes 24 gemeinsam mit der Unterseite 23 des Metallabschnittes 18 die Fügeoberfläche 19 bildet.
Eine Dicke des Flanschabschnittes 16 in axialer Richtung A ist in 1 mit 28 bezeichnet.
Der Metallabschnitt 18 weist eine axiale Dicke 30 und einen Außendurchmesser 32 auf. Der Flanschabschnitt 16 weist einen Außendurchmesser 34 auf, wie es in 2 gezeigt ist.
Das Fügebauteil 10 ist vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse herum ausgebildet, die parallel zu der axialen Richtung A ausgerichtet ist.
Der Metallabschnitt 18 weist eine zentrale axiale Durchbrechung 36 auf, deren Durchmesser in 2 bei 37 gezeigt ist. Der Durchmesser 37 der axialen Durchbrechung 36 ist größer als der Durchmesser 15 des Halteabschnittes 14.
Der Flanschabschnitt 16 ist im Bereich der axialen Durchbrechung 36 axial gegenüber der Fügeoberfläche 19 zurückversetzt, und zwar um einen Versatzwert 38.
Der Metallabschnitt 18 ist generell als flächiger Abschnitt ausgebildet, der sich in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung A erstreckt. Aufgrund der zentralen Durchbrechung 36 ist der Metallabschnitt 18 ringförmig ausgebildet.
Der Metallabschnitt 18 weist ferner zwischen seinem durch die axiale Durchbrechung 36 gebildeten Innendurchmesser und seinem Außendurchmesser 32 eine Mehrzahl von axialen Durchgangslöchern 40 auf. Die Durchgangslöcher 40 können, wie es in 1 dargestellt ist, bevorzugt vollständig aber auch nur teilweise mit thermoplastischem Material des Flanschabschnittes 16 gefüllt sein. Alternativ können die Löcher 40 auch frei von thermoplastischem Material sein.
In 1 ist ferner schematisch angedeutet, dass der Metallabschnitt 18 eine Mehrzahl von Hinterschneidungsabschnitten 42 aufweist. Die Löcher 40 können dabei derartige Hinterschneidungsabschnitte bilden. An dem Metallabschnitt 18 können jedoch auch Vorsprünge oder ähnliches ausgebildet sein, die sich in das Material des Flanschabschnittes 16 hinein erstrecken und hierdurch Hinterschneidungsabschnitte 42 bilden.
Ein Fügevorgang des Fügebauteils 10 auf das Werkstück 12 wird wie folgt durchgeführt.
Zunächst wird das Bauteil 10 mit seiner Fügeoberfläche 19 auf die Oberfläche des Werkstückes 12 aufgesetzt. Anschließend wird der Metallabschnitt 18 erwärmt, und zwar auf eine Temperatur, die leicht unterhalb aber auch leicht über dem Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials des Grundabschnittes 13 liegen kann. Hierdurch schmilzt das thermoplastische Material im Bereich um den Metallabschnitt.
Sofern das Werkstück 12 aus einem nicht schmelzbaren Material, wie bspw. einem Metall oder einem nicht schmelzbaren duroplastischen Kohlefaserwerkstoff hergestellt ist, fließt das thermoplastische Material des Flanschabschnittes 16 auf die Oberfläche des Werkstückes 12 und geht eine innige Verbindung mit dessen Oberfläche ein. Anschließend wird die Erwärmung des Metallelementes 18 beendet. Das thermoplastische Kunststoffmaterial erstarrt und bildet folglich eine kraftschlüssige Verbindung in radialer Richtung R mit der Oberfläche des Werkstückes 12.
Sofern das Werkstück 12 ebenfalls aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist (zumindest an seiner Oberfläche), schmilzt bei Erwärmung des Metallabschnittes 18 auch die Werkstückoberfläche an. Dabei kann das Fügebauteil 10 axial in das Werkstück 12 hineingedrückt werden, derart, dass dessen Fügeoberfläche 19 um eine bestimmte Eindringtiefe hinter die Oberfläche des Werkstückes 12 eintaucht. Dabei vermischen sich die Schmelzen des thermoplastischen Materials des Flanschabschnittes 16 und des Werkstückes 12. Bei Beenden der Erwärmung des Metallabschnittes wird folglich eine stoff-, kraft- und formschlüssige Verbindung erzielt. Da die stoffschlüssige Verbindung sich zumindest durch die Löcher 40 hindurch erstreckt, wird zudem in axialer und/oder radialer Richtung R ein Formschluss erzielt.
In beiden oben genannten Fällen schmilzt bei Erwärmung des Metallabschnittes 18 der Rand 22, derart, dass er bei Erstarrung einen Wulst um den Metallabschnitt 18 herum bildet und den Metallabschnitt 18 folglich umschließt. Der Metallabschnitt 18 wird dann vorzugsweise vollständig von dem Flanschabschnitt 16 (einschließlich dessen Rand 22) und dem Werkstück 12 umgeben, so dass Korrosionsprobleme vermieden werden.
Dies gilt umso mehr, wenn der Rand 22 beim Fügen auf ein thermoplastisches Werkstück 12 eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Werkstück 12 eingeht.
Durch das Zurückversetzen des Flanschabschnittes 16 im Bereich der axialen Durchbrechung 36 um den Versatzwert 38 kann das Fügebauteil 10 unter die Oberfläche des Werkstückes 12 eintauchen, auch wenn Flanschabschnitt 16 im Bereich der axialen Durchbrechung 36 nicht oder nicht vollständig aufschmilzt. In diesem Fall kann der Versatzwert 38 der maximalen Eindringtiefe entsprechen.
Nachstehend werden weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Fügebauteilen beschrieben. Deren Aufbau und Funktion entspricht generell dem Aufbau und der Funktion des Fügebauteils 10 der 1 und 2. Gleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugsziffern versehen. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
3 zeigt eine Bauteilanordnung 50, bei der ein Fügebauteil 10 auf ein Werkstück 12 gefügt worden ist, wobei das Werkstück 12 aus einem thermoplastischen Material besteht und die Fügeoberfläche 19 folglich in der fertig gestellten Fügeverbindung um eine Eindringtiefe 52 hinter die Oberfläche 53 des Werkstückes 12 eingedrungen ist.
In 3 ist ferner zu erkennen, dass der Rand 22 in der fertig gestellten Fügeverbindung einen Wulst 54 um den Metallabschnitt 18 herum bildet.
Bei dem Fügebauteil 10 der 3 weist der Metallabschnitt 18 keine zentrale axiale Durchbrechung 36 auf. Das thermoplastische Material des Flanschabschnittes 16 bzw. des Werkstückes 12 durchdringt die Löcher 40. Im Bereich der Fügeoberfläche 19 wird durch die Fügeverbindung ein Kraftschluss 56 in radialer Richtung erzielt. Aufgrund des Umschließens des Metallabschnittes 18 mittels des Wulstes 54 wird zumindest in radialer Richtung auch ein Formschluss 58 erzielt. Ferner wird im Bereich des Wulstes 54 und im Bereich der Löcher 60 ein Stoffschluss 60 in der fertig gestellten Fügeverbindung erreicht.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteiles, das keine zentrale Durchbrechung, sondern ein zentrales Loch 40 aufweist, dessen Größe der Größe der Löcher 40 im umfänglichen Randbereich entspricht.
In 4 ist gezeigt, wie ein Fügewerkzeug 64 dazu verwendet werden kann, um den Metallabschnitt 18 zu erwärmen. Das Fügewerkzeug 64 weist eine elektrische Spule 66 auf, mittels der ein elektromagnetisches Feld aufgebaut werden kann. Radial innerhalb der Spule 66 ist ein hülsenförmiger Feldformer 68 angeordnet, dessen axiale Stirnseite sich bis hin zu dem Flanschabschnitt 16 erstreckt. Ein von der Spule 66 erzeugtes magnetisches Feld 70 dringt folglich in axialer Richtung in den Flanschabschnitt 16 und in den Metallabschnitt 18 ein. Hierdurch wird der Metallabschnitt 18 erwärmt, um das thermoplastische Material aufzuschmelzen.
Dabei verlaufen die Feldlinien des Feldes 70 derart, dass sie zwar in axialer Richtung in den Metallabschnitt 18 eingeleitet werden, jedoch dann etwa radial nach außen aus diesem austreten, um schließlich wieder in eine Oberseite des hülsenförmigen Feldformers 68 einzutreten. Hieraus ergibt sich, wie es in 4 gezeigt ist, dass die Temperaturverteilung in dem Metallabschnitt 18 nicht gleichförmig ist. 4 zeigt eine Verteilung der Temperatur T in radialer Richtung, und zwar bei 72. Radial innen ist die Temperatur T generell geringer als radial außen. Dies kann dadurch kompensiert werden, dass der Metallabschnitt 18 hinreichend lange erwärmt wird, um auch im radial inneren Teil für ein hinreichendes Schmelzen des thermoplastischen Materials zu sorgen.
Eine gleichförmigere Temperaturverteilung kann jedoch auch erreicht werden, wenn die Form und Anzahl der Löcher bzw. deren Anordnung innerhalb des Metallabschnittes 18 so variiert wird, dass die Temperaturverteilung 72 in radialer Richtung möglichst vereinheitlicht wird.
Wie es in 4 ebenfalls gezeigt ist, weist der Flanschabschnitt 16 auf seiner Oberseite, d. h. der der Fügeoberfläche 19 abgewandten Seite 20, eine oder eine Mehrzahl von Erhebungen 74 auf, deren Fläche deutlich kleiner ist als die Fläche der Oberseite 20. Hierdurch kann der Feldformer 68 in einer definierten Lage auf den Flanschabschnitt 16 aufgesetzt werden, nämlich auf die Spitze der Erhebung 74. Demzufolge kann der Feldformer eine definierte Lage in Bezug auf das Fügebauteil 10 erreichen. Zudem wird durch die Erhebungen vermieden, dass der Feldformer 68 großflächig an dem Fügebauteil 10 anliegt. Vielmehr erfolgt ein Kontakt mit dem Flanschabschnitt 16 nur über die Spitzen der Erhebungen 74, so dass ein Anhaften des Feldformers 68 an dem Flanschabschnitt 16 vermieden werden kann.
5 zeigt ein Beispiel eines weiteren erfindungsgemäßen Fügebauteiles, das eine hierzu geeignete Anordnung und Verteilung von Löchern 40 aufweist. Der Flanschabschnitt 16 kann bei dieser Ausführungsform bspw. kreisförmig ausgebildet sein, ist jedoch vorliegend quadratisch. Der Halteabschnitt 14 ist wiederum im Querschnitt kreisförmig ausgebildet, kann jedoch auch eine polygonale Form besitzen.
In dem in der Draufsicht ebenfalls etwa quadratischen Metallabschnitt 18 ist eine zentrale axiale Durchbrechung 36 vorgesehen, wie auch bei der Ausführungsform der 1 und 2.
In dem verbleibenden Randabschnitt sind Löcher 40a, 40b, 40c vorgesehen, die in radialer Richtung beabstandet voneinander angeordnet sind. Die Löcher 40a, 40b, 40c sind jeweils als Langlöcher ausgebildet und etwa parallel zu den Seitenkanten des Metallabschnittes 18 ausgerichtet. Bei einem kreisrunden Metallabschnitt können die Löcher auch als gebogene Langlöcher ausgebildet sein.
Der Metallabschnitt 18 weist genauer gesagt vier radial äußere Löcher 40a auf, vier radial mittlere Langlöcher 40b und vier radial innere Langlöcher 40c. Aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung ist von den jeweiligen Langlöchern in 5 jeweils nur eines ganz dargestellt. Die radial äußeren Langlöcher 40a weisen eine größere Breite 78a in radialer Richtung auf als die mittleren Langlöcher 40b, deren Breite 78b beträgt. Die Breite 78b ist wiederum kleiner als die radiale Breite 78c der radial inneren Langlöcher 40c. Ferner ist auch die Breite der zwischen den Langlöchern angeordneten Stege unterschiedlich. Die Breite 80a von Stegen 76a zwischen den radial äußeren Langlöchern 40a und den radial mittleren Langlöchern 40b ist kleiner als die Breite 80b der Stege 76b zwischen den radial mittleren Langlöchern 40b und den radial inneren Langlöchern 40c.
Durch diese Anordnung kann trotz der radialen Konzentration von Feldlinien des Feldes 70 im radial äußeren Bereich eine weit gehend gleichförmige Erwärmung des Metallabschnittes 18 in radialer Richtung erzielt werden. Im radial inneren Bereich treten zwar weniger Feldlinien in den Metallabschnitt ein, dort ist aber eine größere Materialansammlung vorhanden, um auch im radial inneren Bereich für eine hinreichende Erwärmung zu sorgen.
6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils, das dazu ausgelegt ist, an ein Werkstück 12 mit einem Durchgangsloch 81 gefügt zu werden. Dabei soll sich der Halteabschnitt 14 durch das Durchgangsloch 81 hindurch erstrecken. Demzufolge ist der Metallabschnitt 18 an einer zu dem Halteabschnitt 14 hin weisenden Oberfläche des Flanschabschnittes 16 ausgebildet und bildet eine Fügeoberfläche 19, die in Anlage an die Oberfläche des Werkstückes 12 gelangt.
Die Fügerichtung ist dabei wiederum so, dass das Fügebauteil 10 in axialer Richtung mit seiner Fügeoberfläche 19 auf das Werkstück 12 zu bewegt wird. Ein Fügewerkzeug, wie es in 4 gezeigt ist, kann dabei an der von dem Halteabschnitt 14 weg weisenden Seite des Flanschabschnittes 16 angreifen. Zu diesem Zweck kann an dieser Seite des Flanschabschnittes ein Haltevorsprung 82 vorgesehen sein, der ein Halten des Fügebauteils 10 in dem Fügewerkzeug erleichtert.
In den 7 und 8 sind Beispiele für Hinterschneidungsabschnitte 42 des Metallabschnittes 18 gezeigt.
In 7 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem in dem Metallabschnitt 18 Ausnehmungen ausgebildet werden, die Zungen 84 definieren, die sich gegenüber der Grundebene des Metallabschnittes 18 herausbiegen lassen, um auf diese Weise einen Hinterschneidungsabschnitt 42 zu bilden.
In 8 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem ein Loch 40 in dem Metallabschnitt 18 durch ein Stanzwerkzeug 86 gebildet wird. Das Stanzwerkzeug 86 wirkt dabei von einer Seite des Metallabschnittes 18 aus, so dass auf der gegenüberliegenden Seite ein Stanzgrat 88 gebildet wird. Der Stanzgrat 88 dient bei dieser Ausführungsform ebenfalls als Hinterschneidungsabschnitt.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Fügebauteils 10, das auf ein Werkstück 12 mit einer runden Oberfläche zu fügen ist, wie bspw. ein Rohr. Zu diesem Zweck ist der Flanschabschnitt 16 nicht eben, sondern gebogen ausgebildet, und zwar angepasst an die Biegung der Oberfläche des Werkstückes 12.
Das Fügebauteil 10 weist ferner Erhebungen 74 auf, wie das Fügebauteil 10 der 4. Diese können so ausgeformt sein, dass sie eine plane Anlageoberfläche senkrecht zu der axialen Achse A bilden, um für eine korrekte Ausrichtung des Fügebauteils 10 in dem Fügewerkzeug in axialer Richtung zu sorgen. Zudem kann das Fügebauteil 10 mit einem Positionierabschnitt 90 ausgebildet sein, der bspw. am unteren Abschnitt des Halteabschnittes 14 vorgesehen ist. Der Positionierabschnitt 90 kann bspw. im Querschnitt vorzugsweise unregelmäßig aber auch regelmäßig polygonal ausgeformt sein, so dass eine korrekte Positionierung des Fügebauteils 10 auch in Umfangsrichtung um die axiale Achse A herum gewährleistet werden kann, wenn bei der Auf nahme des Fügebauteils 10 in das Fügewerkzeug das Fügebauteil 10 bereits positionsgerecht ausgerichtet war. Hierdurch kann bei geeigneter Ansteuerung erreicht werden, dass das Fügebauteil 10 in Bezug auf das Werkstück 12 eine eindeutige und korrekte Lage besitzt, bevor es auf das Werkstück 12 aufgesetzt wird.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils 10 dargestellt. Das Fügebauteil 10 ist so ausgelegt, dass es mit dem Werkstück 12 eine Fügeverbindung erreichen kann, bei der eine bestimmte Fügestellen-Haltekraft 96 erzielbar ist.
Wenn nun auf den Halteabschnitt 14 eine Kraft 94, bspw. in radialer Richtung ausgeübt wird (die Kraft 94 kann auch in axialer Richtung entgegengesetzt zu der Haltekraft 96 ausgerichtet sein), so ist das Fügebauteil 10 so ausgebildet, dass entweder der Halteabschnitt 14 bei Ausübung einer übermäßigen Kraft bricht oder aber der Halteabschnitt 14 im Bereich des Übergangs zu dem Flanschabschnitt 16 bricht. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass bei einer Fehlbeanspruchung die einmal hergestellte Fügeverbindung nicht zerstört wird, aus dem Werkstück 12 also kein Material herausgerissen wird. Falls eine solche Fehlbeanspruchung stattgefunden hat und der Halteabschnitt 14 bricht, kann anschließend das verbleibende Fügebauteil 10 kontrolliert durch Erwärmung von dem Werkstück 12 gelöst werden, um anschließend ein intaktes Fügebauteil 10 an eine solche Reparaturstelle zu fügen. Zu diesem Zweck kann das Fügebauteil 10 im Bereich des Übergangs zwischen dem Halteabschnitt 14 und dem Flanschabschnitt 16 mit einem Schwächungsbereich 92 ausgebildet sein, um ein definiertes Abbrechen des Halteabschnittes 14 zu gewährleisten.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils, das dazu ausgelegt ist, mit seinem Flanschabschnitt zwischen zwei Werkstücke 12a, 12b gefügt zu werden. Hierbei weist der Flanschabschnitt 16 sowohl an seiner Oberseite als auch an seiner Unterseite jeweils einen Metallabschnitt 18a bzw. 18b auf. In entsprechender Weise weist der Flanschabschnitt 16 eine untere Fügeoberfläche 19a und eine obere Fügeoberfläche 19b auf. Bei Ansetzen eines Fügewerkzeuges 64 von der Seite des Halteabschnittes 14 oder auch von der gegenüberliegenden Seite kann erreicht werden, dass beide Metallabschnitte 18a, 18b erwärmt werden, um jeweils eine Fügeverbindung mit den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke 12a, 12b einzugehen.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügebauteils 10, das derart ausgelegt ist, dass das Metallteil 18 des Flanschabschnitts 16 vollständig von thermoplastischem Kunststoff umspritzt ist. Damit besteht die Oberfläche 19 des Flanschabschnitts 16 in der Fügezone 100 ausschließlich aus thermoplastischem Kunststoff geringer Wandstärke von vorzugsweise 100 μm bis 300 μm. Diese dünne thermoplastische Kunststoffschicht 99 schmilzt bei induktiver Erwärmung und bildet eine vorwiegend kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügebauteil 10 und dem Werkstück 12, das in diesem Beispiel vorzugsweise aus Glas, Metall oder einem mit Kohle- oder Glasfaser verstärktem duroplastischen Werkstoff bestehen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006059337 A1 [0004]
- US 4435222 A [0006]

Claims

Fügebauteil (10) zum axialen Fügen auf ein Werkstück (12), mit einem Grundkörper (13) aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, der einen Halteabschnitt (14) und einen Flanschabschnitt (16) aufweist, wobei an dem Flanschabschnitt (16) eine Fügeoberfläche (19) ausgebildet ist, und mit einem Metallabschnitt (18), der induktiv erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) in den Flanschabschnitt (16) integriert ist.
Fügebauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) derart in den Flanschabschnitt (16) integriert ist, dass die Fügeoberfläche (19) durch einen Oberflächenabschnitt (23) des Metallabschnittes (18) und durch einen Oberflächenabschnitt (22) des Flanschabschnittes (16) gebildet ist.
Fügebauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) derart in den Flanschabschnitt (16) integriert ist, dass die Fügeoberfläche (19) vollständig durch eine dünne Schicht des Werkstoffs des Flanschabschnitts gebildet wird.
Fügebauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenumfang (32) des Metallabschnittes (18) kleiner ist als ein Außenumfang (34) des Flanschabschnittes (16), derart, dass der Metallabschnitt (18) von einem Rand (24) des Flanschabschnittes (16) umgeben ist.
Fügebauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (26) des Randes (24) in radialer Richtung (R) so gewählt ist, dass der Rand aufschmelzbar ist.
Fügebauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (24) bündig mit dem Metallabschnitt (18) ausgerichtet ist und mit diesem die Fügeoberfläche (19) bildet.
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) eine axiale Durchbrechung (36) aufweist, wobei der Flanschabschnitt (16) im Bereich der Durchbrechung (36) gegenüber der Fügeoberfläche (19) um einen Versatzwert (38) axial zurückversetzt ist.
Fügebauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung (36) in axialer Projektion dort angeordnet ist, wo der Halteabschnitt (14) mit dem Flanschabschnitt (16) verbunden ist.
Fügebauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (14) einen Schaftabschnitt aufweist, der mit dem Flanschabschnitt (16) verbunden ist, wobei ein Außendurchmesser (15) des Schaftabschnittes (14) kleiner ist als ein Durchmesser (37) der Durchbrechung (36).
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) wenigstens ein axiales Loch (40) aufweist, dessen Öffnung von der Fügeoberfläche (19) weg weist.
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) wenigstens ein axiales Loch (40) aufweist, dessen Öffnung zu der Fügeoberfläche (19) hin weist.
Fügebauteil nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) eine Mehrzahl von axialen Durchgangslöchern (40) aufweist.
Fügebauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Durchgangslöcher (40) in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind, wobei das radial äußere Loch größer ist als das radial innere Loch.
Fügebauteil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Durchgangslöcher (40) in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind, wobei ein radialer Abstand (80a) zwischen den äußeren Löchern kleiner ist als ein radialer Abstand (80b) zwischen den inneren Löchern.
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) über Hinterschneidungsabschnitte (42) mit dem Flanschabschnitt (16) verbunden ist.
Fügebauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) aus einem flächigen Metallelement hergestellt ist, in das wenigstens ein Durchgangsloch (40) eingestanzt ist, wobei ein hierdurch erzeugter Stanzgrat (86) einen Hinterschneidungsabschnitt bildet.
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) aus einem flächigen Metallelement hergestellt ist, das mit einer Antikorrosionsbeschichtung versehen ist.
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Flanschabschnitt (16) auf seiner der Fügeoberfläche (19) gegenüberliegenden Außenfläche (20) wenigstens eine Erhebung (74) aufweist, deren Fläche in einer axialen Projektion sehr viel kleiner ist als die Außenfläche (20).
Fügebauteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeoberfläche (19) auf der von dem Halteabschnitt (14) weg weisenden Seite des Flanschabschnittes (16) ausgebildet ist.
Fügebauteil nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeoberfläche (19) auf der zu dem Halteabschnitt (14) hin weisenden Seite des Flanschabschnittes (16) ausgebildet ist, wobei der Flanschabschnitt (16) auf der von dem Halteabschnitt (14) weg weisenden Seite vorzugsweise einen Haltevorsprung (82) aufweist.
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis einer axialen Dicke (28) des Metallabschnittes (18) zu einer axialen Dicke (26) des Flanschabschnittes (16) im Bereich von 1:2 bis 1:10 liegt, insbesondere im Bereich von 1:3 bis 1:6.
Fügebauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallabschnitt (18) ferromagnetisch ist.
Verfahren zum Herstellen eines Fügebauteils (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch einen Einkomponenten-Spritzgussprozess, bei dem ein Metallelement (18) teilweise oder vollständig mit thermoplastischem Kunststoff umspritzt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Fügebauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch einen Zweikomponenten-Spritzgussprozess, bei dem der Grundkörper (13) durch ein erstes, nicht magnetisches, thermoplastisches Kunststoffmaterial als erste Komponente und der Metallabschnitt (18) durch ein zweites, mit metallischen Partikeln durchsetztes zweites Kunststoffmaterial gebildet wird.
Metallelement (18) eines Fügebauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 22.