DE102015210963A1 - Thermoplastischer Reibverbinder - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes (70, 140) umfassend eine Befestigungsstruktur (60, 160) umfassend wenigstens eine Bauteillage (60A, 60a; 160a, 160b) und ein thermoplastisches Verbindungselement (10, 110) aufweisend einen Kopf (12, 112) und einen Schaft (14, 114), wobei das Verbindungselement (10, 110) unter Rotation und Druck in die Befestigungsstruktur (60, 160) eingetrieben wird, so dass der Schaft (14, 114) die Befestigungsstruktur (60, 160) durchdringt, wobei das Verbindungselement (10, 110) nach Durchdringen der Befestigungsstruktur (60, 160) an einer Matrize (44, 144) unter Reibung in einen erweichten, fließfähigen Zustand gebracht wird, die entgegen der Eintreibrichtung an der Befestigungsstruktur (60, 160) angelegt wird, so dass sich eine über die bereichsweise radiale Ausdehnung des Schafts (14, 114) hinaus erstreckende Verdickung (22, 122) ergibt, wobei die Befestigungsstruktur (60, 160) zwischen Kopf (12, 112) und Verdickung (22, 122) formschlüssig gehalten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes umfassend eine Befestigungsstruktur und ein thermoplastisches Verbindungselement sowie ein thermoplastisches Verbindungselement.
  • Die DE 10 2013 209 634 A1 betrifft ein Befestigungselement für ein Faserverbundbauteil. Dieses Befestigungselement umfasst einen thermoplastischen Kunststoffbereich. Aus dem thermoplastischen Befestigungselement wird durch Warmumformen, insbesondere durch Heißstemmen, eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Faserverbundwerkstoff hergestellt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilverbindung anzugeben, sowie ein Befestigungselement.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
  • Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • In bekannter Weise umfasst die Befestigungsstruktur wenigstens eine Bauteillage, in welcher das Verbindungselement festgelegt wird. Das Verbindungselement weist einen Kopf und einen Schaft auf.
  • Gemäß der Erfindung wird das Verbindungselement unter Rotation und Vortrieb in die Befestigungsstruktur eingetrieben, so dass der Schaft die Befestigungsstruktur durchdringt. Nach Durchdringen der Befestigungsstruktur wird das Verbindungselement unter Reibung an einer Matrize erweicht und in einem fließfähigen Zustand gebracht, wodurch das Verbindungselement im Bereich seiner Spitze umformbar wird.
  • Die Matrize wird dazu entgegen der Eintreibrichtung an die Befestigungsstruktur angelegt. Durch die derartige Einbringung der Reibenergie wird das Verbindungselement erweicht und umgeformt, so dass sich eine über die radiale Ausdehnung des Schaftes hinaus erstreckende Verdickung ergibt. Die Matrize wird nach einer Erstarrungsdauer von der Verbindungsstelle wieder entfernt. Das Verbindungselement ist so formschlüssig an der Befestigungsstruktur befestigt.
  • Die Verwendung der Reibenergie zum Erweichen des Verbindungselements hat den Vorteil, dass eine rein mechanische Fügetechnologie bereitgestellt wird. Entsprechend einfach können Matrizen und Antriebswerkzeuge ausgestaltet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das thermoplastische Verbindungselement durch ein Vorloch in der Befestigungsstruktur eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass das Bauteil nicht auf lochformende Eigenschaften ausgerichtet sein muss.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft das Bauteil ein thermoplastisches Verbindungselement zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens. Das Verbindungselement weist dazu vorzugsweise einen Kopf und einen daran anschließenden Schaft auf. Der Kopf ist mit einem Antrieb versehen, über welchen das Verbindungselement in Drehung versetzt werden kann, um an einer an der Befestigungsstruktur angelegten Matrize erweicht und umgeformt zu werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schaft an seiner Stirnseite stumpfwinklig gestaltet oder weist eine plane Stirnfläche auf. Dadurch kann eine größtmögliche Reibfläche zur Verfügung gestellt werden, um ein Erweichen des Verbindungselements zu fördern.
  • Ferner kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Verbindungselement eine in Kopf und Schaft eingebrachte zentrale, insbesondere zylindrische, Ausnehmung aufweist. In diese kann während der Montage ein Werkzeug eingreifen und das Verbindungselement während des Schmelzvorgangs stabilisieren und auf der anderen Seite kann nach dem Einbringen des Verbindungselements dieses als Anker zur Befestigung eines weiteren Elements wirken, insbesondere als eine Art Dübel für eine Schraube, insbesondere für eine selbstfurchende Schraube
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich bei einer koaxialen Anordnung von Innenantrieb und zentraler Ausnehmung. Auf diese Weise kann zusätzlich der Innenantrieb verbessert genutzt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Setzwerkzeug zum Verbinden eines zuvor beschriebenen Verbindungselements in einem zuvor beschriebenen Verfahren.
  • Das Setzwerkzeug umfasst ein Antriebswerkzeug und eine eine Formausnehmung aufweisende Gegenlagermatrize, wobei das Antriebswerkzeug ein Verbindungselement rotatorisch antreiben kann und ferner Gegenlagermatrize und Antriebswerkzeug axial aufeinander zu bewegbar sind.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Antriebswerkzeug einen Antriebsbereich und einen Stabilisierungsbereich auf, wobei der Stabilisierungsbereich in Form eines zentralen Schafts gebildet ist, der in eine in ein Verbindungselement vorgesehene Ausnehmung eingeschoben werden kann.
  • Vorzugsweise kann die Formausnehmung konkav, insbesondere kalottenartig, oder kegelstumpfartig gebildet sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann die Gegenlagermatrize eine zentrale Ausnehmung aufweisen, in welche der zentrale Schaft des Antriebselements eingreifen kann.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese eine Bauteilverbindung umfassend eine Befestigungsstruktur mit wenigstens einer Bauteillage, wobei die Befestigungsstruktur von einem thermoplastischen Verbindungselement durchsetzt ist, das mit seinem einen Antrieb aufweisenden Kopf am oberen Ende der Befestigungsstruktur anliegt und an seinem unteren Ende eine Erweiterung gebildet ist, die an der dem Kopf gegenüberliegenden Fläche der Befestigungsstruktur anliegt.
  • In einer Weiterbildung weist das die Befestigungsstruktur durchsetzende Verbindungselement eine zentrale Ausnehmung auf.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbindungselements;
  • 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbindungselements gemäß 1;
  • 3a eine Schnittansicht einer Setzanordnung;
  • 3b eine Schnittansicht einer Setzanordnung während des Setzvorgangs ;
  • 3c eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung nach dem Setzvorgang;
  • 4a eine erfindungsgemäße Bauteilverbindung;
  • 4b eine Schnittansicht während des Befestigungsvorgangs, und
  • 4c erfindungsgemäße Anordnung zur Herstellung einer Bauteilverbindung.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes thermoplastisches Verbindungselement 10 in perspektivischer Ansicht. Das Verbindungselement 10 weist einen Kopf 12 und einen Schaft 14 auf. In den Kopf 12 ist ein in Form eines Sechskants ausgebildeter Innenantrieb 16 eingebracht.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen thermoplastischen Verbindungselements 10 gemäß 1. Wie der Ansicht zu entnehmen ist, schließt sich an den Antrieb eine zentrale zylindrische Ausnehmung 18 an. Diese Ausnehmung 18 erstreckt sich über die gesamte Länge des Verbindungselements. Der Kopf 12 ist schaftseitig mit einer Nut 20 ausgestattet. Wie der 2 weiter zu entnehmen ist, liegen der Innenantrieb 16 und die Ausnehmung 18 koaxial zueinander. Dies hat den Vorteil, dass mit einem Werkzeug sowohl der Antrieb bedient werden kann, als auch eine Stützung des Verbindungselements erfolgen kann.
  • 3a zeigt eine erfindungsgemäße Setzanordnung 30. Diese weist ein Setzwerkzeug 40 umfassend ein Antriebswerkzeug 42 und eine Gegenlagermatrize 44 auf. Mit einem derart gestalteten Setzwerkzeug 40 wird eine Verbindung zwischen einer Befestigungsstruktur 60 und einem erfindungsgemäßen Verbindungselement 10 hergestellt. Das Antriebswerkzeug 42 weist einen Antriebsbereich 46 und einen Stabilisierungsbereich 48 auf. Gemäß dieser Ausgestaltung ist das Antriebswerkzeug 42 und die Gegenlagermatrize 44 gegeneinander verfahrbar ausgebildet, wobei das Verbindungselement 10 über den Antriebsbereich 46 gedreht wird, wodurch letztendlich an der Gegenlagermatrize 44 eine Reibenergie erzeugt wird, die zum teilweisen Erweichen des thermoplastischen Verbindungselements 10 ausreicht. Erfindungsgemäß wird die Gegenlagermatrize 44 sowie das Antriebswerkzeug 42 an einem Loch 62 beidseitig der Befestigungsstruktur 60 ausgerichtet. Die Gegenlagermatrize 44 weist eine Formausnehmung 50 auf, in welcher das thermoplastische Verbindungselement 10 erweicht und umgeformt wird, woraufhin die Formausnehmung 50 von dem aufgeschmolzenen Material des Verbindungselements 10 aufgefüllt wird. Die Gegenlagermatrize 44 ist zudem mit einer zylindrischen Bohrung 52 ausgestattet, in welche der als Schaft ausgebildete Stabilisierungsbereich 48 des Antriebswerkzeugs 42 eingeführt werden kann. Auf diese Weise kann das Verbindungselement 10 an der Gegenlagermatrize 44 erweicht werden, obwohl der Stabilisierungsbereich 48 das Verbindungselement 10 während des Befestigungsvorgangs vollständig durchdringt. Die Formgebung der Formausnehmung 50 in der Gegenlagermatrize 44 ist so gewählt, dass sich eine Erweiterung des Verbindungselements 10 ergibt, so dass die Befestigungsstruktur 60 formschlüssig zwischen dem Kopf 14 und der sich bildenden Verdickung festgelegt ist. Eine solche Bauteilverbindung wird in 3c beschrieben.
  • 3b zeigt eine erfindungsgemäße Setzanordnung 30 im Betriebszustand, wobei das Setzwerkzeug 40 das Verbindungselement 10 gegen die Gegenlagermatrizen 44 unter Reibung so erwärmt hat, dass dieses die Formausnehmung 50 ausfüllt. Der Stabilisierungsbereich 48 durchsetzt während des Eintreibvorgangs das Verbindungselement 10, wobei die Gegenlagermatrizen 44 eine Ausnehmung 52 aufweisen, in welche der Stabilisierungsbereich 48 eindringen kann. Nach teilweisem Erweichen des Verbindungselements 10 in der Formausnehmung 50 kann der zuvor erweichte Bereich des Verbindungselements 10 unter Einstellung der Drehung erstarren.
  • 3c zeigt eine hergestellte Bauteilverbindung 70 umfassend ein Verbindungselement 10, dass mit seinem Kopf 12 an der Oberseite der Befestigungsstruktur 60 anliegt, wohingegen an der Unterseite eine Verdickung 22, insbesondere in Form der Formausnehmung 50, entstanden ist. Das Verbindungselement 10 ist durch den Kopf und der Verdickung 22 formschlüssig an der Befestigungsstruktur 60 gehalten. Durch den während des Verbindungsvorgangs des Verbindungselements 10 durchsetzenden Stabilisierungsbereich 48 des Antriebswerkzeugs 42 ist die zylindrische Ausnehmung 18 im Verbindungselement 10 auch nach dem Verbindungsvorgang vollständig erhalten. Das Verbindungselement 10 eignet sich daher besonders als Aufnahme für eine selbstfurchende Schraube, um eine solche am Bauteilverbund 70 zu befestigen. Die Gegenlagermatrize 44 und das Antriebswerkzeug 42 sind in der 3c von der Verbindungsstelle entfernt.
  • So kann auf einfache Weise eine formschlüssige einstückige Verbindung hergestellt werden, indem die notwendige Schmelztemperatur unter Einbringung von Reibenergie erreicht wird.
  • 4a zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Herstellung einer Bauteilverbindung umfassend eine Befestigungsstruktur 160, die zwei Bauteillagen 160a, 160b aufweist. In die vorgelochte Befestigungsstruktur 160 wird ein Verbindungselement 110 eingesetzt. Dazu ist eine Setzanordnung 130 vorgesehen, die ein Antriebswerkzeug 142 aufweist, um das Verbindungselement 110 in Drehung zu versetzen und dieses axial mit einer Einpresskraft zu beaufschlagen, um das Verbindungselement 110 gegen eine Gegenlagermatrize 144 zu verfahren und dort unter Einbringung von Reibenergie zu erweichen. Das Verbindungselement 110 gemäß 4a bis 4c weist keine durchgehende Ausnehmung auf, entsprechend ist ein Stabilisierungsbereich 148 mit einer geringeren axialen Ausdehnung ausgelegt. Die auf der Unterseite der Befestigungsstruktur 160 anzulegende Gegenlagermatrize 144 weist eine in Eintreibrichtung geschlossene Formausnehmung 150 auf. Das Verbindungselement 110 weist in axialer Richtung in Richtung der Spitze, im Anschluss an einen Innenantrieb 116 eine Ausnehmung 118 auf. Die Ausnehmung 118 bietet eine Aufnahme für den Stabilisierungsbereich 148 des Antriebswerkzeugs 142.
  • 4b zeigt eine Schnittansicht während des Befestigungsvorgangs, wobei das Verbindungselement 110 an das von seinem Kopf abgewandten Ende unter Reibung an der Gegenmatrize 144 eine radiale Erweiterung 122 bildet. Wie dargestellt umfasst der Bauteilverbund 170 die Befestigungsstruktur 160 und das Verbindungselement 110, wobei das Verbindungselement 110 die zwei Bauteillagen 160a, 160b der Befestigungsstruktur 160 zusammenhält und gleichzeitig eine Aufnahme für weitere Bauelemente. Da gemäß dieser Ausgestaltung das Verbindungselement 110 im Bereich seiner Verdickung 122 eine geschlossene Oberfläche aufweist, kann eine gewisses Maß an Abdichtung zur vorgelochten Befestigungsstruktur 160 nach Herstellung der Verbindung erreicht werden.
  • 4c zeigt wie nach Entfernung des Antriebswerkzeugs 142 und der Gegenlagermatrize 144 die Bauteillagen 160a, 1600b durch ein Verbindungselement 110 verbunden sind und diese zwischen dem Kopf 114 und der entstandenen Verdickung 122 in axialer Richtung formschlüssig festgelegt sind. Das Verbindungselement 110 dient auf diese Weise zur Verbindung der beiden Bauteillagen 160a, 160b und stellt gleichzeitig einen Aufnahmepunkt für ein weiteres Befestigungselement, beispielsweise eine Schraube, insbesondere eine selbstfurchende Schraube, dar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes (70, 140) umfassend eine Befestigungsstruktur (60, 160) umfassend wenigstens eine Bauteillage (60A, 60a; 160a, 160b) und ein thermoplastisches Verbindungselement (10, 110) aufweisend einen Kopf (12, 112) und einen Schaft (14, 114), wobei das Verbindungselement (10, 110) unter Rotation und Druck in die Befestigungsstruktur (60, 160) eingetrieben wird, so dass der Schaft (14, 114) die Befestigungsstruktur (60, 160) durchdringt, wobei das Verbindungselement (10, 110) nach Durchdringen der Befestigungsstruktur (60, 160) an einer Matrize (44, 144) unter Reibung in einen erweichten, fließfähigen Zustand gebracht wird, die entgegen der Eintreibrichtung an der Befestigungsstruktur (60, 160) angelegt wird, so dass sich eine über die bereichsweise radiale Ausdehnung des Schafts (14, 114) hinaus erstreckende Verdickung (22, 122) ergibt, wobei die Befestigungsstruktur (60, 160) zwischen Kopf (12, 112) und Verdickung (22, 122) formschlüssig gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor Eintreiben des Verbindungselements (10, 110) die Befestigungsstruktur (60, 160) mit einem kleineren oder gleichen Vorlochdurchmesser wie dem Durchmesser des Schafts (14, 114) des Verbindungselements (10, 110) vorgelocht wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (60, 160) durch eine Bauteillage (60) oder mehrere Bauteillagen (160a, 160b) gebildet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize nach Aushärten des erweichten und umgeformten Verbindungselements (10, 110) entfernt wird.
  5. Verbindungselement (10, 110) aus einem thermoplastischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Kopf (12, 112) und einen Antrieb (16, 116) aufweist, wobei das Verbindungselement (10, 110) einen Schaft (14, 114) aufweist.
  6. Verbindungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10, 110) einen Innenantrieb (16, 116) aufweist.
  7. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10, 110) eine zentrale, insbesondere zylindrische, Ausnehmung (18, 118) aufweist.
  8. Verbindungselement nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenantrieb (16, 116) und die zentrale Ausnehmung (18, 118) koaxial zueinander angeordnet sind.
  9. Setzwerkzeug (30, 130) umfassend ein Antriebswerkzeug (42, 142) und eine Gegenlagermatrize (44, 144), die eine Formausnehmung (50, 150) aufweist, wobei das Antriebswerkzeug (42, 142) geeignet ist, ein Verbindungselement (10, 110) zu rotieren und Gegenlagermatrize (44, 144) und Antriebswerkzeug (42, 142) axial relativ zueinander bewegbar sind.
  10. Setzwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebswerkzeug (42, 142) einen Antriebsbereich (46, 146) und einen Stabilisierungsbereich (48, 148) aufweist, wobei der Stabilisierungsbereich (48, 148) die zylindrische Ausnehmung (18, 118) des Verbindungselements (10, 110) wenigstens teilweise durchsetzen kann.
  11. Setzwerkzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize eine konkave, insbesondere kalottenartige, oder eine kegelstumpfartige Ausnehmung (18, 118) aufweist.
  12. Setzwerkzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize eine zentrale zylindrische Ausnehmung (18, 118) aufweist, die sich an die Formausnehmung (50, 150) anschließt.
  13. Bauteilverbindung (70, 170) umfassend eine Befestigungsstruktur (60, 160) mit wenigstens einer Bauteillage (60, 160a, 160b), wobei die Befestigungsstruktur (60, 160) von einem thermoplastischen Verbindungselement (10, 110) durchsetzt ist, das mit seinem einen Antrieb aufweisenden Kopf (12, 112) an einer ersten Fläche der Befestigungsstruktur (60, 160) anliegt und an seinem dem Kopf (12, 112) abgewandten Ende eine Erweiterung bildet, die an der dem Kopf (12, 112) gegenüberliegenden Fläche der Befestigungsstruktur (60, 160) anliegt.
  14. Bauteilverbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (10, 110) eine zentrale Ausnehmung in Kopf (12, 112) und Schaft (14, 114) aufweist.
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