DE102014110913A1

DE102014110913A1 - Befestigungselement und thermoplastisches Fügeverfahren

Info

Publication number: DE102014110913A1
Application number: DE102014110913.9A
Authority: DE
Inventors: c/o STANLEY Engineered Fastening Saltenberger Reimar; c/o STANLEY Engineered Fast Stau Bastian; c/o STANLEY Engineered Fastening Kurz Roland; c/o STANLEY Engineered Fastenin Brumm Mathias; c/o STANLEY Engineered Faste Seng Hans-Peter
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-02-04
Also published as: EP2979847A8; EP2979847A1

Abstract

Befestigungselement (10), das auf eine Fläche (41) eines Werkstückes (40) fügbar ist, insbesondere thermoplastisch schweißbar ist, mit einem Befestigungsabschnitt (12) zum Befestigen eines Gegenstandes und mit einem Fügeabschnitt (14) zum Fügen des Befestigungselementes (10) auf die Werkstückfläche (41), wobei der Fügeabschnitt (14) eine Fügeachse (16) und eine quer hierzu ausgerichtete Fügefläche (20) aufweist, die zum Fügen auf die Werkstückfläche (41) aufsetzbar ist. Dabei weist die Fügefläche (20) wenigstens einen Stützabschnitt (22) auf, der gegenüber einer sich quer zu der Fügeachse (16) erstreckenden Basisebene (24) vorsteht, so dass der Stützabschnitt (22) die Werkstückfläche (41) beim Aufsetzen berühren kann, und wobei die Fügefläche (20) wenigstens einen Radialkanal (30) aufweist, der dazu ausgebildet ist, während des Fügevorganges Fluid in radialer Richtung (32) zu führen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Befestigungselement, das auf eine Fläche eines Werkstückes fügbar ist, insbesondere thermoplastisch schweißbar ist, mit einem Befestigungsabschnitt zum Befestigen eines Gegenstandes und mit einem Fügeabschnitt zum Fügen des Befestigungselementes auf die Werkstückfläche, wobei der Fügeabschnitt eine Fügeachse und eine quer hierzu ausgerichtete Fügefläche aufweist, die zum Fügen auf die Werkstückfläche aufsetzbar ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fügen eines Befestigungselementes auf ein Werkstück, wobei das Befestigungselement und/oder das Werkstück zumindest abschnittsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt sind, das beim Fügen erwärmt wird, wobei das Befestigungselement bei dem Fügen gegen das Werkstück gedrückt wird,
Die Technik des Fügens von thermoplastischen Befestigungselementen auf thermoplastische Werkstücke ist allgemein bekannt. Hierbei wird die Fügefläche des Befestigungselementes und/oder eine zugeordnete Fügefläche des Werkstückes erwärmt, so dass der thermoplastische Kunststoff aufschmilzt. Anschließend werden die Fügepartner gegeneinander gedrückt, und der Erwärmungsprozess wird beendet, so dass die Schmelze erstarrt. Auf diese Weise können stoffschlüssige Verbindungen zwischen Fügepartnern der oben genannten Art hergestellt werden.
Derartige Verfahren finden insbesondere auf dem Gebiet des Karosseriebaus für Kraftfahrzeuge Anwendung. Auf diesem Gebiet dienen Befestigungselemente der oben beschriebenen Art beispielsweise als Anker für Befestigungsaufgaben, um beispielsweise Leitungen, Verkleidungen, Abdeckungen etc. in Bezug auf ein Werkstück festzulegen, bei dem es sich beispielsweise um einen Karosserieabschnitt, um ein Verkleidungsteil, um eine Stoßstange oder dergleichen handeln kann.
Die Festigkeit und Dauerhaltbarkeit der so hergestellten Fügeverbindung hängt maßgeblich davon ab, ob sich in der aufgeschmolzenen Fügezone Luftblasen gebildet haben. Ein weiterer wichtiger Parameter für die Qualität solcher Fügeverbindungen besteht darin, ob das Befestigungselement senkrecht zu dem Werkstück ausgerichtet ist. Mit anderen Worten, es ist zu prüfen, ob die Fügeflächen der Fügepartner bei dem Fügeprozess im Wesentlichen parallel ausgerichtet waren oder nicht. Etwaige Schrägstellungen können ebenfalls zu Fehlern oder Schwachstellen bei der Fügeverbindung führen.
Zur Lösung dieser Probleme ist es zum einen bekannt, die Befestigungselemente in sehr steifen Haltevorrichtungen einzuspannen, während der Fügeprozess durchgeführt wird, um die Ausrichtung mit der Fügeachse zu gewährleisten. Ferner ist es bei bekannten thermoplastischen Schweißverfahren dieser Art bekannt, Lufteinschlüsse zu vermeiden, indem die beiden Fügepartner während des Fügeprozesses relativ zueinander bewegt werden. Dies gilt insbesondere für Schweißtechniken, wie das Reib-, das Torsional- und das Ultraschallschweißen.
Beim sogenannten Spiegel-(Heizelement)-Schweißen erfolgt meistens eine vollflächige Verschweißung. Eine Unterteilung der Fügefläche ist nur bedingt möglich. Durch das Schweißequipment ergeben sich Zugänglichkeitseinschränkungen. Zudem sind die Fügezogen zwangsweise eben auszubilden.
Beim Vibrationsschweißen ist eine translatorische oder rotatorische Relativbewegung der Fügepartner zueinander notwendig, um die Reibungswärme zu erzeugen. Auch hier sind ebene Fügeflächen notwendig. Bei dem Fügeprozess können kleine Partikel entstehen, die weitere Bauteile in der Funktion beeinträchtigen können. Zudem sind hohe Anpresskräfte notwendig, um die notwendige Reibungswärme zu erzeugen.
Beim Ultraschall- bzw. Torsionalschweißen können ebenfalls kleine Partikel aus der Fügezone heraus entstehen. Auch hier sind ebene Fügeflächen und hohe Anpresskräfte notwendig. Zudem ist ein Energierichtungsgeber erforderlich, und empfindliche Bauteile können durch Vibrationen geschädigt oder zerstört werden. Beim Rotationsschweißen gilt das Gleiche, wobei die Fügezone hier zusätzlich rotationssymmetrisch sein muss.
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Befestigungselement sowie ein verbessertes thermoplastisches Fügeverfahren anzugeben, wobei vorzugsweise wenigstens einer der oben genannten Nachteile vermieden wird.
Die obige Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Befestigungselement dadurch gelöst, dass die Fügefläche wenigstens einen Stützabschnitt aufweist, der gegenüber einer sich quer zu der Fügeachse erstreckenden Basisebene vorsteht, so dass der Stützabschnitt die Werkstückfläche beim Aufsetzen berühren kann, und wobei die Fügefläche wenigstens einen Radialkanal aufweist, der dazu ausgebildet ist, während des Fügevorganges Fluid in radialer Richtung zu führen.
Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Fügen eines Befestigungselementes auf ein Werkstück, wobei das Befestigungselement und/oder das Werkstück zumindest abschnittsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt sind, das beim Fügen erwärmt wird, wobei das Befestigungselement ein Befestigungselement der erfindungsgemäßen Art ist, das beim Fügen gegen das Werkstück gedrückt wird.
Durch die Maßnahme, einen Stützabschnitt vorzusehen, der gegenüber einer Basisebene der Fügefläche vorsteht, kann eine sichere Positionierung des Befestigungselementes in Bezug auf die Werkstückfläche erreicht werden. Durch die Maßnahme, einen Radialkanal an der Fügefläche auszubilden, kann erreicht werden, dass Fluid, wie Luft und/oder ein Luft/Stoffgemisch, und/oder ein fluider Stoff in radialer Richtung geführt wird. Diese Maßnahme ermöglicht folglich, Lufteinschlüsse im Bereich der Fügefläche während des Fügevorganges zu vermeiden, selbst wenn eine relative Radialbewegung der beiden Fügepartner in einer Richtung quer zur Fügeachse nicht erfolgt. Diese Maßnahmen können beim thermoplastischen Schweißen vorteilhaft sein, aber auch beim Kleben, beim Metallschweißen oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird demgemäß vorzugsweise durchgeführt, ohne dass eine radiale Relativbewegung zwischen den Fügepartnern erfolgt. Die Geometrie der Fügezone muss nicht zwingend eben oder rotationssymmetrisch sein.
Die zur Durchführung des Fügeverfahrens erforderliche Fügeausrüstung kann kompakt ausgebildet werden, so dass das Verfahren auch bei beengter Zugänglichkeit durchgeführt werden kann. Mit anderen Worten kann das Fügeverfahren nahezu überall dort zur Anwendung kommen, wo Kunststoffelemente, wie Befestigungselemente, auf Kunststoffbauteilen, wie Werkstücke, anzubringen sind. Generell ist das Verfahren auf jede Art von thermoplastischer Verbindung anwendbar, bei der zwei Fügepartner an einer Fügezone miteinander zu verbinden sind.
Der Begriff des Befestigungselementes und der Begriff des Werkstückes ist folglich im vorliegenden Zusammenhang jeweils breit zu verstehen. Der Befestigungsabschnitt des Befestigungselementes kann ein beliebiger Abschnitt sein, der keine weitere Befestigungsaufgabe übernimmt, kann jedoch auch ein speziell zur Befestigung eines Gegenstandes an dem Werkstück ausgebildeter Befestigungsabschnitt sein.
Der Stützabschnitt kann zentral in Bezug auf die Fügefläche angeordnet sein, ist jedoch vorzugsweise exzentrisch angeordnet. Im letzteren Fall beträgt die Anzahl der Stützabschnitte vorzugsweise wenigstens zwei.
Der Radialkanal kann als Vertiefung in der Fügefläche ausgebildet sein, kann jedoch auch durch Radialstege gebildet sein, die gegenüber der Basisebene vorstehen. Derartige Radialstege können beispielsweise mit einem jeweiligen Stützabschnitt ausgerichtet sein, so dass Fluid an dem Stützabschnitt vorbeigeführt wird, und zwar in radialer Richtung.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Stützabschnitt wenigstens drei über einen Umfang der Fügefläche verteilt angeordnete Stützbereiche auf.
Hierdurch ist es möglich, eine eindeutige Lagepositionierung des Befestigungselementes in Bezug auf das Werkstück zu erzielen, wenn die Stützbereiche auf die Werkstückfläche aufgesetzt werden. Demzufolge müssen Haltevorrichtungen für das Befestigungselement und/oder für das Werkstück nicht besonders steif ausgebildet werden. Vielmehr kann durch die Stützabschnitte eine eindeutige Lagebeziehung und Ausrichtung in Bezug auf die Fügeachse realisiert werden.
Die Stützbereiche können als Stützpunkte ausgebildet sein, oder als Stützflächen. Ferner ist es möglich, die Stützbereiche als Stützlinien auszubilden. Die Stützbereiche sind generell in einer Ebene quer bzw. senkrecht zur Fügeachse ausgerichtet und bilden jeweils vorzugsweise eine Auflagefläche. Die gesamte Auflagefläche sämtlicher Stützabschnitte kann im Verhältnis zur Fügefläche kleiner sein als 1/10, insbesondere kleiner als 1/50.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich ein Querschnitt des Radialkanals, in einer radialen Richtung gesehen, erweitert, so dass Fluid beim Zusammendrücken von Befestigungselement und Werkstück in dieser radialen Richtung strömen kann.
Die radiale Richtung kann dabei eine nach außen von einer Fügeachse weg gerichtete Richtung sein, kann jedoch, beispielsweise bei einer ringförmigen Fügefläche, auch radial nach innen gerichtet sein.
Durch die Querschnittserweiterung kann erreicht werden, dass beim Zusammendrücken von Befestigungselement und Werkstück zuerst diejenigen Flächenabschnitte der Fügefläche und der zugeordneten Werkstückfläche zusammentreffen, aus denen heraus Luft oder andere Fluideinschlüsse herausgedrückt werden sollen. Durch weiteres Zusammendrücken von Befestigungselement und Werkstück kann dann dieses Fluid (Luft oder anderer Einschluss) in radialer Richtung nach außen nach und nach verdrängt werden, so dass in der endgültigen relativen Axialposition von Befestigungselement und Werkstück Lufteinschlüsse generell aus dem Bereich der Fügefläche heraus verdrängt sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Fügefläche eine Kreisfläche, die einen Zentralabschnitt aufweist, der auf einer axialen Höhe liegt, wie der Stützabschnitt oder der dem gegenüber dem Stützabschnitt axial zurückversetzt ist.
Der Zentralabschnitt kann dabei in einer Variante einen Teil des Stützabschnittes bilden, insbesondere wenn er auf der gleichen axialen Höhe liegt wie der Stützabschnitt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Zentralabschnitt gegenüber dem Stützabschnitt um ein Unebenheitsmaß axial zurückversetzt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass beim Aufsetzen des Befestigungselementes auf das Werkstück ausschließlich die Auflage zwischen dem Stützabschnitt bzw. von dessen Stützbereichen und der Fläche des Werkstückes maßgeblich ist für die Relativposition zwischen Befestigungselement und Werkstück. Mit anderen Worten wird hierdurch gewährleistet, dass der Zentralabschnitt gerade nicht zur Positionierung des Befestigungselementes auf dem Werkstück beiträgt, bevor die Erwärmung bei dem Fügeverfahren begonnen wird.
Andererseits wird durch diese Maßnahme gewährleistet, dass sich beim Aufsetzen zwischen dem Zentralabschnitt, der beispielsweise parallel zur Basisebene ausgerichtet sein kann, und der Werkstückfläche keine Luft einschließen kann, die die später fertiggestellte Fügeverbindung schwächen könnte. Stattdessen wird etwaig vorhandene Luft in radialer Richtung ausgehend von dem Zentralabschnitt radial nach außen bis zum Außenabschnitt der Fügefläche verdrängt.
Bei einer Fügefläche in Form einer Kreisfläche erfolgt das Verdrängen von Fluid generell in radialer Richtung nach außen, also von der Fügeachse weg.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Fügefläche eine Ringfläche.
Bei dieser Variante kann die radiale Richtung auch eine nach innen gerichtete Richtung sein, derart, dass Luft radial nach innen in den Bereich einer Ausnehmung der Ringfläche verdrängt wird.
Der Radialkanal kann im Querschnitt eine beliebige Form einnehmen, kann beispielsweise in Umfangsrichtung gesehen nach der Art einer Verzahnung ausgebildet sein. In radialer Richtung betrachtet kann die Form des Radialkanales folglich eckig, insbesondere stufenförmig oder polygonal sein.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn der Radialkanal in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise wellenförmig ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist die Fügefläche vorzugsweise generell so ausgebildet, dass sie zumindest in jenem Bereich, aus dem heraus Fluid verdrängt wird, stetig und differenzierbar ist. Mit anderen Worten kann durch die Wellenform erreicht werden, dass keine Kanten oder Ecken gebildet werden, in denen sich Luft festsetzen könnte.
Bei einer solchen Wellenform des Radialkanals ist es bevorzugt, wenn die gesamte Fügefläche wellenförmig verläuft, derart, dass Wellenberge zumindest Teile von Stützbereichen bilden, und andererseits Wellentäler Radialkanäle bilden.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Radialkanäle drei, vier oder fünf. In entsprechender Weise ist hierbei vorgesehen, dass die Anzahl der Stützbereiche drei, vier oder fünf beträgt.
Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn die Fügefläche einen Außendurchmesser aufweist, wobei der Radialkanal eine axiale Tiefe aufweist, und wobei ein Verhältnis von axialer Tiefe des Radialkanals zu Durchmesser zur Fügefläche kleiner ist als 0,1, insbesondere kleiner als 0,5.
Schließlich ist es insgesamt vorteilhaft, wenn das Befestigungselement zumindest im Bereich des Fügeabschnittes aus einem Kunststoff hergestellt ist, und zwar aus einem thermoplastischen Kunststoff.
Insgesamt lässt sich die Erfindung alternativ oder ergänzend auch wie folgt beschreiben. Wenn im Stand der Technik zwei Fügebauteile mit jeweiligen Fügezonen während eines thermoplastischen Aufschmelzens aneinandergedrückt werden, kann es durch herstellungsbedingte Unebenheiten der Fügeflächen zu Lufteinschlüssen kommen. Durch größere Unebenheiten, bedingt durch formgebende Geometrien und/oder Oberflächenstrukturen, kann es zu weiteren Lufteinschlüssen oder zu einer Schrägstellung der Fügepartner kommen. Dies kann einen negativen Einfluss auf die Funktion der Bauteile und auf die Haltekräfte der Fügeverbindung haben. Durch eine konische, wellenförmige Ausbildung der Fügezone kann vorzugsweise sichergestellt werden, dass durch den Konus die Luft vom Zentrum her aus der Fügezone gefördert wird (bei Bedarf auch zum Zentrum hin mit entsprechender Entlüftungsmöglichkeit). Dies ermöglicht eine homogene Fügezone. Durch vorzugsweise wenigstens drei Stützabschnitte bzw. Stützbereiche, die punkt-, linien- oder flächenförmig ausgebildet sein können, kann eine sichere und vorzugsweise senkrechte Ausrichtung des Befestigungselementes bzw. des Werkstückes in Bezug auf die Fügeachse gewährleistet werden. Die Stützabschnitte können durch Abschnitte der Wellenform gebildet werden. Während der kontinuierlichen Erwärmung der Fügezone, die vorzugsweise durch Induktion erfolgt, wird die Fügezone plastifiziert und auf den Fügepartner gedrückt, der innerhalb der Kontaktfläche vorzugsweise ebenfalls durch Wärmeleitung plastifiziert und sich mit dem Fügeelement (Befestigungselement) verbindet. Durch die Konizität wird die Luft während des Abschmelzens der Fügezone immer weiter radial nach außen gefördert.
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 Draufsicht auf eine Fügefläche eines Befestigungselementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der 1,
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der 1;
4 eine der 1 vergleichbare Darstellung einer Fügefläche einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Befestigungselementes;
5 eine Seitenansicht des Befestigungselementes der 4; und
6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI der 5.
In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform eines Befestigungselementes schematisch gezeigt und generell mit 10 bezeichnet. Das Befestigungselement 10 beinhaltet einen Befestigungsabschnitt 12, der im Wesentlichen schaft- bzw. bolzenartig ausgebildet sein kann, wie es in 2 und 3 dargestellt ist. Andere Ausgestaltungen des Befestigungsabschnittes 12 sind jedoch ohne Weiteres möglich. Das Befestigungselement 10 beinhaltet ferner einen Fügeabschnitt 14, mittels dessen das Befestigungselement 10 auf ein Werkstück gefügt werden kann. Eine Fügeachse 16, entlang der ein solcher Fügevorgang durchgeführt werden kann, ist insbesondere in 2 zu sehen.
Das Befestigungselement 10 ist zumindest im Bereich des Fügeabschnittes 14 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt. In den Fügeabschnitt 14 können induktiv erwärmbare Metalleinsätze, in Form von Blechen, feinverteilten Partikeln oder dergleichen, integriert sein, um den Fügeabschnitt 14 induktiv auf eine Temperatur erwärmen zu können, bei der der Fügeabschnitt 14 aufschmilzt. Alternativ hierzu ist es möglich, in den Fügeabschnitt 14 eine elektrische Spulenanordnung oder dergleichen zu diesem Zweck zu integrieren. Auch ist es denkbar, den Fügeabschnitt 14 durch andere Mittel, beispielsweise von außen zu erwärmen, bevor der Fügeprozess durchgeführt wird.
Der Fügeabschnitt 14 beinhaltet eine Fügefläche 20. Die Fügefläche 20 kann, wie dargestellt, als Ringfläche ausgebildet sein, kann jedoch auch als Kreisfläche ausgebildet sein oder als polygonale Fläche, unregelmäßige Fläche oder dergleichen. Die Fügefläche 20 beinhaltet einen Stützabschnitt 22, der gegenüber einer Basisebene 24 in axialer Richtung vorsteht. Die Basisebene 24 ist vorzugsweise senkrecht zu der Fügeachse 16 ausgerichtet.
Der Stützabschnitt 22 ist jener Abschnitt, mit dem die Fügefläche 20 auf ein Werkstück aufsetzbar ist. Der Stützabschnitt 22 beinhaltet vorliegend zwei diametral gegenüberliegende Stützbereiche 26, die jeweils als kleine Flächen ausgebildet sind. Alternativ hierzu kann der Stützabschnitt 22 auch nur einen Stützbereich 26 aufweisen, vorzugsweise weist er jedoch drei Stützbereiche 26 auf, die über den Umfang der Fügefläche 20 verteilt angeordnet sind. Die Stützbereiche 26 sind als Auflageflächen für ein Werkstück ausgebildet, um das Befestigungselement 10 auf einfache Weise in eine definierte Lageposition in Bezug auf das Werkstück zu bringen, so dass die Fügeachse 16 geeignet ausgerichtet sein kann.
An der Fügefläche 20 sind ferner zwei Radialstege 28 ausgebildet, die in radialer Richtung mit den Stützbereichen 26 fluchten. In Umfangsrichtung gesehen sind zwischen den Radialstegen 28 zwei Radialkanäle 30 ausgebildet. Die Radialkanäle 30 erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung über etwa 180°. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung, bei der drei Stützbereiche 26 vorgesehen sind, sind vorzugsweise auch drei Radialstege 28 ausgebildet, die in radialer Richtung mit den Stützbereichen 26 ausgerichtet sind. Für diesen Fall sind dann drei Radialkanäle 30 vorgesehen, die sich jeweils über etwa 120° erstrecken.
Wie es in 3 zu erkennen ist, erweitert sich der Querschnitt der Radialkanäle 30 in radialer Richtung nach außen gesehen, wie es bei 32 gezeigt ist. Die Fügefläche 20 kann zu diesem Zweck im Bereich der Radialkanäle 30 unter einem Winkel in Bezug auf die virtuelle Basisebene 24 geneigt sein, wobei der Winkel beispielsweise in einem Bereich von 0,1° bis 30° Grad liegen kann, vorzugsweise von 0,5° bis 20°, insbesondere von 1° bis 5°.
Der Neigungswinkel ist in 3 bei 34 schematisch dargestellt.
Das Befestigungselement 10 weist ferner im Bereich der Fügefläche 20 eine zentrale axiale Ausnehmung 36 auf, so dass die Fügefläche 20 als Ringfläche ausgebildet ist. In einer alternativen Ausführungsform könnten die Radialkanäle 30 auch so ausgebildet sein, dass sie in radialer Richtung nach innen im Querschnitt größer werden.
Durch die geneigte Fügefläche 20 im Bereich der Radialkanäle 30 bzw. den sich in radialer Richtung 32 (oder entgegengesetzt) erweiternden Querschnitt der Radialkanäle 30 kann Folgendes erreicht werden. Beim Erwärmen des Fügeabschnittes 14 zur Durchführung eines thermoplastischen Fügevorganges schmilzt der Fügeabschnitt 14 auf. Das Befestigungselement 10 wird auf ein Werkstück 40 aufgesetzt, das eine an die Fügefläche angepasste Werkstückfläche 41 aufweist. Auf das Befestigungselement 16 wird eine axiale Kraft F ausgeübt (2). Hierbei wird das Material des Fügeabschnittes 14, das im Verlaufe des Fügeprozesses aufschmilzt, durch die konische bzw. sich erweiternde Gestalt der Radialkanäle 30 in radialer Richtung 32 nach außen weggedrückt. Hierdurch werden auch darin eingeschlossene Luftblasen in radialer Richtung nach außen transportiert, so dass die anschließend fertiggestellte Fügeverbindung im Wesentlichen luftblasenfrei ausgebildet sein kann.
Durch die Stützbereiche 26 wird während des Fügeprozesses ferner gewährleistet, dass das Befestigungselement 10 zumindest bei Beginn des Fügevorganges exakt in Bezug auf die Werkstückfläche 41 ausgerichtet werden kann.
Das Werkstück 40 ist zumindest im Bereich der Werkstückfläche 41 ebenfalls vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt, vorzugsweise einem Kunststoffmaterial, das eine ähnliche Gitterstruktur aufweist, wie das thermoplastische Material des Befestigungselementes 10. Dies ermöglicht, dass bei einem Aufschmelzen des Fügeabschnittes 14 auch die Werkstückfläche 41 entsprechend aufgeschmolzen wird und sich die Materialien des Werkstückes 40 und des Befestigungselementes 10 durchmischen, um auf diese Weise eine stoffschlüssige thermoplastische Fügeverbindung einzurichten, wenn der Fügeprozess durch Beenden der Erwärmung abgeschlossen ist und die thermoplastische Gesamtschmelze erstarrt.
Die Radialkanäle 30 sind bei dieser Ausführungsform durch jeweilige geneigte Abschnitte der Fügefläche 20 gebildet. Es versteht sich jedoch, dass die Radialkanäle auch als radiale Vertiefungen in einer Fügefläche ausgebildet sein können. Ferner ist es möglich, die Radialkanäle durch eine verzahnungsartige Geometrie der Fügefläche zu gestalten. In jedem Fall ist es bevorzugt, wenn der Querschnitt der Radialkanäle in radialer Richtung zunimmt, und zwar vorzugsweise radial nach außen.
Das Befestigungselement 10 kann auch ohne Zentralausnehmung 36 ausgebildet sein. Die Radialkanäle können, wie dargestellt, durch Radialstege gebildet sein. Die axiale Höhe der Axialstege 28 kann kleiner sein als jene der Stützbereiche 26, wie es in 2 dargestellt ist. Die axiale Höhe der Axialstege 28 kann jedoch auch im Wesentlichen gleich der axialen Höhe der Stützbereiche 26 sein, die Radialstege 28 können Teil der Stützbereiche 26 sein oder die Stützbereiche 26 bilden.
Die Stützbereiche 26 sind vorliegend als kleine Flächenabschnitte dargestellt, die eine gesamte Fläche haben, die kleiner ist als 1/10 der gesamten Fügefläche. Die Stützbereiche 26 können jedoch auch linienförmig ausgebildet sein oder punktförmig. Wie oben erläutert können die Stützbereiche 26 auch durch Radialstege 28 gebildet sein, die gleichzeitig zur Abgrenzung von Radialkanälen 30 dienen.
Obgleich in den 1 bis 3 nur zwei Stützbereiche 26 gezeigt sind, versteht sich, dass der Stützabschnitt 22 vorzugsweise drei oder mehr Stützbereiche 26 aufweist, die über den Umfang der Fügefläche 20 verteilt angeordnet sind. In manchen Fällen könnte jedoch auch ein Stützbereich 26 ausreichend sein, beispielsweise ein zentraler Stützbereich 26.
In den 4 bis 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Befestigungselementes 10' gezeigt, das hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Befestigungselement 10 der 1 bis 3 entspricht. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen benannt. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
Wie es in 4 zu sehen ist, weist das Befestigungselement 10' eine Fügefläche 20 auf, an der drei Stützbereiche 26 ausgebildet sind. Die drei Stützbereiche 26 sind jeweils im Bereich eines Außenumfanges der Fügefläche 20 angeordnet und über den Umfang gesehen gleichmäßig voneinander beabstandet. Die Stützbereiche 26 sind jeweils bezogen auf die Gesamtfläche der Fügefläche 20 klein. Wie dargestellt, können die Stützbereiche 26 in der Draufsicht der 4 jeweils etwa dreieckförmig ausgebildet sein.
Die Fügefläche 20 ist in Umfangsrichtung gesehen wellenförmig ausgebildet, wie es insbesondere in 5 zu erkennen ist. Die Wellenform der Fügefläche ist ferner konisch, dahingehend, dass die Wellentiefe radial innen kleiner ist als radial außen, wie es in 6 zu erkennen ist. Durch diese Ausbildung sind radial verlaufende Wellenberge und radial ausgerichtete Wellentäler gebildet. Die Wellentäler bilden hierbei die Radialkanäle 30. Die Wellenberge grenzen die Radialkanäle 30 in Umfangsrichtung voneinander ab.
Durch diese Wellenform kann ein kontinuierlicher Strömungsfluss von Fluid (sei es geschmolzener thermoplastischer Kunststoff oder Lufteinschlüsse) in radialer Richtung nach außen erreicht werden, ohne dass tote Ecken oder dergleichen gebildet werden. Lufteinschlüsse im Bereich der Fügefläche können hierdurch im Wesentlichen ausgeschlossen werden.
Wie es in 4 und 6 zu erkennen ist, weist die Fügefläche 20 einen Zentralabschnitt 42 auf, der von der axialen Höhe etwa mit den Wellenbergen der Fügefläche 20 ausgerichtet ist. Der Zentralabschnitt 42 ist vorzugsweise kreisförmig und weist vorzugsweise eine im Wesentlichen ebene Fläche auf, die parallel zu einer virtuellen Basisebene 24 ausgerichtet ist.
Die Fügefläche 20 weist einen Durchmesser 44 auf. Die maximale axiale Tiefe 46 der Radialkanäle 30 (siehe 6) ist kleiner als 1/10 des Durchmessers 40.
In 6 ist bei 48 ferner ein Unebenheitsmaß gezeigt, um das der Zentralabschnitt 42 in axialer Richtung gegenüber den Stützbereichen 26 zurückversetzt ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Befestigungselement 10' beim Aufsetzen auf das Werkstück dieses immer mit den Stützbereichen 26 berührt.
Der Durchmesser des Zentralabschnittes 42 ist in 6 mit 50 bezeichnet. Der Durchmesser 50 ist kleiner als 1/5 des Durchmessers 44 der Fügefläche 20.
Wie es in 6 ferner dargestellt ist, kann das Befestigungselement 10' durch ein Grundteil 52 und ein Fügeteil 54 gebildet sein. Das Fügeteil 54 beinhaltet ein thermoplastisches Material, das vorzugsweise mit einem induktiv erwärmbaren Material durchsetzt ist, beispielsweise in Form eines Lochbleches oder in Form von eingebundenen metallischen Partikeln. Das Grundteil 52 kann ebenfalls aus Kunststoff hergestellt sein, kann jedoch auch aus einem anderen Material hergestellt sein.

Claims

Befestigungselement (10), das auf eine Fläche (41) eines Werkstückes (40) fügbar ist, insbesondere thermoplastisch schweißbar ist, mit einem Befestigungsabschnitt (12) zum Befestigen eines Gegenstandes und mit einem Fügeabschnitt (14) zum Fügen des Befestigungselementes (10) auf die Werkstückfläche (41), wobei der Fügeabschnitt (14) eine Fügeachse (16) und eine quer hierzu ausgerichtete Fügefläche (20) aufweist, die zum Fügen auf die Werkstückfläche (41) aufsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche (20) wenigstens einen Stützabschnitt (22) aufweist, der gegenüber einer sich quer zu der Fügeachse (16) erstreckenden Basisebene (24) vorsteht, so dass der Stützabschnitt (22) die Werkstückfläche (41) beim Aufsetzen berühren kann, und wobei die Fügefläche (20) wenigstens einen Radialkanal (30) aufweist, der dazu ausgebildet ist, während des Fügevorganges Fluid in radialer Richtung (32) zu führen.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützabschnitt (22) wenigstens drei über einen Umfang der Fügefläche (20) verteilt angeordnete Stützbereiche (26) aufweist.
Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Radialkanals (30) sich, in einer radialer Richtung (32) gesehen, erweitert, so dass Fluid beim Zusammendrücken von Befestigungselement (10) und Werkstück (40) in dieser radialen Richtung (32) strömen kann.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche (20) eine Kreisfläche ist, die einen Zentralabschnitt (42) aufweist, der auf einer axialen Höhe liegt wie der Stützabschnitt (22) oder der gegenüber dem Stützabschnitt (22) axial zurückversetzt ist.
Befestigungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralabschnitt (42) gegenüber dem Stützabschnitt (22) um ein Unebenheitsmaß (48) axial zurückversetzt ist.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche (20) eine Ringfläche ist.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialkanal (30) in Umfangsrichtung zumindest abschnittweise wellenförmig ist.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche (20) einen Durchmesser (44) aufweist, wobei der Radialkanal (30) eine axiale Tiefe (46) aufweist, und wobei ein Verhältnis von axialer Tiefe (46) des Radialkanals (30) zu Durchmesser (44) der Fügefläche (20) kleiner ist als 0,1, insbesondere kleiner als 0,05.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (10) zumindest im Bereich des Fügeabschnittes (14) aus einem Kunststoff hergestellt ist.
Verfahren zum Fügen eines Befestigungselementes (10) auf ein Werkstück (40), wobei das Befestigungselement (10) und/oder das Werkstück (40) zumindest abschnittsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial hergestellt sind, das beim Fügen erwärmt wird, wobei das Befestigungselement (10) ein Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1–9 ist, das beim Fügen gegen das Werkstück (40) gedrückt wird.