DE102016004722A1

DE102016004722A1 - Krafteinleitungselement für ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Bauelement, sowie Verfahren zum Einbringen eines solchen Krafteinleitungselements

Info

Publication number: DE102016004722A1
Application number: DE102016004722.4A
Authority: DE
Inventors: Udo Engelmann; Stephan Heger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Krafteinleitungselement (10) zum Anbinden wenigstens eines ersten Bauelements (12) an ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes zweites Bauelement (14), mit einem zumindest in einem Längenbereich (18) hohlen Hülsenkörper (16), welcher ein in den faserverstärkten Kunststoff einschraubbares Außengewinde (22) mit einem spitzen Flankenwinkel und ein eine außenseitige Spitze (S) des Hülsenkörpers (16) bildendes Ende (26) aufweist, welches durch über jeweilige erste Teilbereiche (28) miteinander verbundene und in jeweiligen zweiten Teilbereichen (30) voneinander getrennte Endbereiche (32) gebildet ist, welche durch Einbringen eines Verbindungselements (56) in den Hülsenkörper (16) voneinander weg bewegbar sind, um dadurch unter Hintergreifen jeweiliger Wandungsbereiche des zweiten Bauelements (14) einen Hinterschnitt auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Krafteinleitungselement für ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Bauelement, insbesondere eines Fahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Einbringen eines solchen Krafteinleitungselements in ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Bauelement.
Die Integration von aus einem jeweiligen faserverstärkten Kunststoff wie beispielsweise aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplast gebildeten Bauelementen im Automobilbau ermöglicht die Bewältigung steigender Anforderungen an die Reduktion von CO₂-Emissionen durch optimierte Fahrzeuggewichte, Recyclingstrategien sowie ein erhöhtes Funktionsintegrationsvermögen für die steigende Anzahl an Sicherheits- und Assistenzsystemen. Trotz des hohen konstruktiven Freiheitsgrads von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere von thermoplastischen Faserverbunden, ist eine Applizierung von Strukturelementen oder Strukturteilen unerlässlich, sodass anfallende Funktionen in ihrer Komplexität simultan von einem Bauteil beziehungsweise Bauelement umgesetzt werden können. Um einen Großserieneinsatz zu gewährleisten, ist eine präzise, hochfrequentierte und sichere Anbindung von Funktionselementen an ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Strukturbauteil erforderlich.
Dabei kommen beispielsweise Krafteinleitungselemente zum Einsatz, welche mit aus einem jeweiligen faserverstärkten Kunststoff gebildeten Bauelementen verbunden werden, um an diese Bauelemente über die Krafteinleitungselemente weitere Bauelemente wie beispielsweise Funktionselemente anzubinden. Die Krafteinleitungselemente werden beispielsweise genutzt, um von den weiteren Bauelementen ausgehende Lasten beziehungsweise Kräfte über die Krafteinleitungselemente in die aus dem jeweiligen faserverstärkten Kunststoff gebildeten ersten Bauelemente einzuleiten. Im Zuge einer Funktionsintegration kann es dabei erforderlich sein, auch auf gekrümmte Oberflächengeometrien zurückzugreifen oder schwer zugängliche Bauelemente mit einer einseitigen Zugänglichkeit einzusetzen. Unter einer solchen einseitigen Zugänglichkeit ist zu verstehen, dass diese Bauelemente von lediglich einer Seite aus, nicht jedoch von einer gegenüberliegenden weiteren Seite aus zugänglich sind, um diese Bauelemente beispielsweise mit weiteren Funktionselementen zu verbinden beziehungsweise mit Krafteinleitungselementen zu versehen. Trotz des werkstoffseitigen Vorteils, unter geringem Energieaufwand schweißbar zu sein, bedingen im Automobilbau Vorgaben für Montage-, Instandhaltungs- und Reparaturkonzepte der jeweiligen Bauelemente und/oder Module eine Mehrfachmontage. Eine solche Mehrfachmontage wird durch die zuvor genannten Krafteinleitungselemente ermöglicht, über welche die weiteren, beispielsweise als Funktionsteile ausgebildeten Bauelemente reversibel lösbar mit den aus einem jeweiligen faserverstärkten Kunststoff gebildeten ersten Bauelementen verbunden werden können. Dadurch können die weiteren Bauelemente über die Krafteinleitungselemente mit den ersten Bauelementen verbunden und wieder von den ersten Bauelementen gelöst werden, ohne dass es zu Beschädigungen beziehungsweise Zerstörungen der jeweiligen Bauelemente kommt.
Dabei offenbart die DE 10 2012 010 715 A1 ein Blindniet-Element zum Verbinden zumindest zweier Bauteile, mit einem einen Setzkopf aufweisenden Hohlniet, der von einem Nietdorn durchdrungen ist. Ferner ist ein an einem ersten axialen Ende integral mit dem Nietdorn verbundener Dornkopf vorgesehen, der beim Einziehen in den Hohlniet einen Schließkopf bildet. Ferner ist es vorgesehen, dass am Dornkopf eine lochbildende Nagelspitze oder eine Fließloch-formende Spitze angeordnet ist.
Die DE 19 732 099 A1 offenbart einen selbstvernietenden Bohrniet. Ferner ist aus der DE 10 2012 025 108 A1 eine Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen bekannt, wobei eine zweilagige Niethülse aus einem innenliegenden, hochfesten und metallischen Werkstoff sowie eine deutlich dickere äußere Kunststoffummantelung verwendet werden. Die Kunststoffummantelung dient dabei als elektrischer Isolator. Dabei erfordert die Größe des Fügeelements eine hohe materielle Aufweitung im zu fügenden Grundmaterial, um den Niet einzuführen. Dabei ist eine beidseitige Zugänglichkeit erforderlich, um die Positioniergenauigkeit und Umformung in einem definierten Toleranzbereich zu halten. Es besteht dabei nur eine eingeschränkte Verdrehsicherheit.
Die DE 10 2013 103 719 A1 offenbart eine Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs, mit einem Biegeträger, welcher über ein Fügeelement an einem Fügepartner formschlüssig befestigt ist, wobei der Biegeträger aus einem ersten Werkstoff besteht und benachbart zu dem Fügeelement in im Wesentlichen entgegengesetzter Richtung zu der im Falle eines Aufpralls auf den Biegeträger wirkenden Zugkraft einen Öffnungsbereich aufweist, in welchem ein zweiter Werkstoff mit einer höheren Duktilität als der erste Werkstoff derart angeordnet ist, dass bei Einwirkung der Zugkraft auf den Biegeträger im Falle eines Aufpralls der zweite Werkstoff durch das Fügeelement zur Aufnahme von Verformungsenergie komprimierbar ist. Dabei wird das Fügeelement durch eine Durchgangsbohrung eingesetzt. Folglich wird die Textilstruktur lokal beschädigt und es liegt keine faserverbundgerechte Krafteinleitung vor. Ausschließlich radialformschlüssige Anbindungen führen bei abweichenden Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner über die Anwendungsdauer beziehungsweise Lebenszeit zu abnehmenden Festigkeiten innerhalb der Krafteinleitung.
Aus der DE 10 2014 203 726 A1 ist eine fließlochformende Schraube für einen mittels der Schraube gefügten Bauteilverbund bekannt. Bei einem bestehenden Mehrfachmontageanspruch führt eine Direktverschraubung im Faserverbund zur Reduktion der Festigkeit innerhalb der Fügeverbindung, wobei eine Verdrehsicherheit ebenfalls nicht sichergestellt ist.
Die DE 10 2013 216 039 A1 offenbart einen Halbhohlstanzniet für das vorlauffreie Fügen eines FVK-Bauteils mit einem Metallbauteil. Der halbhohe Stanzniet weist einen hohen Nietschaft, einen am Nietschaft ausgebildeten und als Stanzschneide dienenden Nietfuß und einen am Nietschaft angeformten und in radialer Richtung überstehenden Nietkopf auf. Der Implementierungsprozess erfordert ein Ausschneiden eines Stanzbutzens aus dem Faserverbundteil. Folglich wird der textilinterne Kraftfluss gestört. Die Fügestelle erfordert eine beidseitige Zugänglichkeit und ist für Profile ungeeignet.
Die DE 10 2011 113 436 A1 offenbart einen Dornniet, welcher als Nietelement zur Anbringung von Faserverbundbauteilen ausgebildet ist. Das Nietelement ist bereichsweise durch eine Matrize aufweitbar. Unterhalb der Kopfauflage sind Verdrehsicherungen integriert. Auch hierbei ist eine beidseitige Zugänglichkeit erforderlich. Das Nietelement ist ungeeignet für Hohlprofile und gekrümmte Oberflächen.
Der DE 10 2011 001 522 A1 ist eine Niethülse mit einem Dornschaft als bekannt zu entnehmen. Dabei erfolgt ein Fügen von sich überlappenden Bauteilen ohne Vorlochen, wobei ein Aufweiten des Schafts beim Herausschrauben erfolgt. Eine Verdrehsicherheit ist hierbei nicht realisiert. Ferner ist eine Umformung der Metallkomponenten erforderlich, welche unlösbar verbunden sind.
Schließlich offenbart die DE 10 2012 215 905 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum vorlauffreien Direktverschrauben. Hierbei wird eine loch- und gewindeformende Schraube implementiert, wobei beim Durchdringen der ersten Komponente eine Drehrichtung zum Fließlochformen genutzt wird und beim Auftreffen auf die zweite Komponente die Drehrichtung gewechselt wird. Beide Komponenten sind im Bereich der Schraube miteinander verklebt. Somit muss zusätzlich geklebt werden. Ferner ist ein Richtungswechsel erforderlich und eine Aufwärmung erfolgt nur per Rotation.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Krafteinleitungselement und ein Verfahren zu schaffen, mittels welchen eine faserverbund- und kraftflussgerechte Anbindung von ersten Bauelementen wie beispielsweise Funktionsteilen an aus einem jeweiligen faserverstärkten Kunststoff gebildete zweite Bauelemente, insbesondere für Fahrzeuge, realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Krafteinleitungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Krafteinleitungselement wird genutzt, um wenigstens ein erstes Bauelement an ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes zweites Bauelement, insbesondere für ein Fahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen, anzubinden. Dies bedeutet, dass das erste Bauelement über das Krafteinleitungselement mit dem zweiten Bauelement, insbesondere reversibel lösbar, verbunden werden kann. Bei dem ersten Bauelement handelt es sich beispielsweise um ein Funktionsteil, welches auch als Funktionselement bezeichnet wird. Das zweite Bauelement ist beispielsweise eine Strukturkomponente, welche als ein FVK-Bauteil (FVK – Faserverbundkunststoff) ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Krafteinleitungselement weist einen Hülsenkörper auf, welcher zumindest in einem Längenbereich, insbesondere vollständig, hohl ist. Der Hülsenkörper weist dabei ein in den faserverstärkten Kunststoff des zweiten Bauelements einschraubbares Außengewinde mit einem spitzen Flankenwinkel auf. Der faserverstärkte Kunststoff ist vorzugsweise ein Thermoplast, in welchem Verstärkungsfasern eingebettet sind, wobei der faserverstärkte Kunststoff beispielsweise ein endlosfaserverstärkter Thermoplast ist. Durch den spitzen Flankenwinkel ist eine besonders vorteilhafte Einschraubbarkeit des Krafteinleitungselements in den faserverstärkten Kunststoff realisierbar.
Der Hülsenkörper weist ferner ein eine außenseitige Spitze des Hülsenkörpers bildendes Ende auf. Die Spitze ist somit geeignet, schonend in den faserverstärkten Kunststoff einzudringen, ohne dass es zu einer übermäßigen Zerstörung von Verstärkungsfasern kommt, welche in den Kunststoff eingebettet sind.
Das Ende ist durch Endbereiche des Hülsenkörpers gebildet, wobei die Endbereiche über jeweilige erste Teilbereiche miteinander verbunden beziehungsweise aneinander gehalten und in jeweiligen zweiten Teilbereichen voneinander getrennt sind, sodass die Endbereiche durch Einbringen eines beispielsweise als Schraubelement ausgebildeten Verbindungselements in den Hülsenkörper voneinander weg bewegbar sind, um dadurch unter Hintergreifen jeweiliger Wandungsbereiche des zweiten Bauelements beziehungsweise des faserverstärkten Kunststoffs einen Hinterschnitt auszubilden. Mit anderen Worten, ist der Hülsenkörper beispielsweise zumindest teilweise in den faserverstärkten Kunststoff eingebracht und somit mit dem faserverstärkten Kunststoff beziehungsweise mit dem zweiten Bauelement verbunden, und wird daraufhin ein Verbindungselement wie beispielsweise eine Schraube beziehungsweise ein Schraubelement in den Hülsenkörper beziehungsweise in den hohlen Teilbereich des Hülsenkörpers eingebracht, um dadurch beispielsweise das erste Bauelement mittels des Verbindungselements über das Krafteinleitungselement mit dem zweiten Bauelement zu verbinden, so werden die Endbereiche – da sie in den jeweiligen zweiten Teilbereichen voneinander getrennt sind – aufgespreizt beziehungsweise aufgespaltet und dadurch voneinander weg bewegt, indem die Endbereiche beispielsweise elastisch und/oder plastisch relativ zu einem Grundkörper des Hülsenkörpers verformt werden.
Durch das Aufspalten beziehungsweise Aufspreizen der Endbereiche werden diese voneinander weg bewegt, wodurch die Endbereiche einen jeweiligen Hinterschnitt mit dem faserverstärkten Kunststoff des zweiten Bauelements ausbilden, da die Endbereiche infolge des Aufspaltens beziehungsweise Aufspreizens jeweilige Wandungsbereiche des faserverstärkten Kunststoffs beziehungsweise des zweiten Bauelements hintergreifen. Hierdurch werden das Krafteinleitungselement und über dieses das erste Bauelement besonders fest mit dem zweiten Bauelement verbunden und an diesem gehalten.
Somit ermöglicht es das Krafteinleitungselement, das beispielsweise als Funktionselement ausgebildete erste Bauelement mit einer hohen Geschwindigkeit sowie faserverbund- und kraftflussgerecht mit dem beispielsweise als Strukturkomponente ausgebildeten zweiten Bauelement zu verbinden. Insbesondere ermöglicht das Krafteinleitungselement eine reversibel lösbare Verbindung der Bauelemente, sodass die Bauelemente, insbesondere unter Zuhilfenahme des Verbindungselements, miteinander verbunden und daran anschließend wieder voneinander gelöst werden können, ohne dass es zu Beschädigungen oder Zerstörung der Bauelemente kommt. Insbesondere ermöglicht das Krafteinleitungselement die Darstellung einer kraft- und/oder formschlüssigen und lösbaren Krafteinleitungsschnittstelle, über welche beispielsweise von dem ersten Bauelement ausgehende Kräfte in das zweite Bauelement eingeleitet werden können. Diese Krafteinleitung eignet sich besonders für dickwandige oder hohlprofilartige Faserverbundstrukturen.
Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße Krafteinleitungselement besonders vorteilhaft für aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildete Bauelemente verwendbar, welche dickwandig sind und/oder eine ebene Oberfläche und/oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen. Insbesondere lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Krafteinleitungselements ein vorlochfreies Dornnietverfahren realisieren. Mit anderen Worten ist es möglich, das erfindungsgemäße Krafteinleitungselement, insbesondere über die Spitze beziehungsweise mit der Spitze voran, in den faserverstärkten Kunststoff einzubringen, insbesondere einzutreiben beziehungsweise einzuschrauben, ohne dass ein Vorlochen durchgeführt werden muss. Dadurch kann das erfindungsgemäße Krafteinleitungselement besonders zeit- und somit kostengünstig in das zweite Bauelement eingebracht und mit dem zweiten Bauelement verbunden werden.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass sich basierend auf prozessoptimierten und montagegerechten Lösungen aus der Metallbauweise und Polymer-Hybrid-Bauweise für Umsetzungen in Faserverbundbauweise vergleichbare Randbedingungen ergeben. Deshalb wurde das Krafteinleitungselement mit einer simplen Grundgeometrie entworfen, um eine schnelle Integration und Anpassung in beziehungsweise an bestehende thermoplastische Faserverbundbauweisen zu ermöglichen.
Um eine besonders vorteilhafte Anbindung des Krafteinleitungselements und über dieses des ersten Bauelements an das zweite Bauelement zu realisieren, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Außengewinde mit wenigstens einem Kleb- und/oder Dichtstoff versehen ist, um dadurch beispielsweise eine Abdichtung von Stützfluiden sowie eine Verbundhaftung zu realisieren.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Hülsenkörper einen sich an das Ende anschließenden Schaft aufweist, welcher außenumfangsseitig zylindrisch oder konisch geformt ist und demzufolge eine zylindrische oder konische Grundform aufweist. Unter der zylindrischen Form ist zu verstehen, dass der Schaft außenumfangsseitig die Form eines zumindest im Wesentlichen geraden Kreiszylinders aufweist. Durch diese Ausgestaltung des Schafts kann das Krafteinleitungselement besonders vorteilhaft in den faserverstärkten Kunststoff des zweiten Bauelements eingebracht werden, wobei ferner eine besonders vorteilhafte und feste Anbindung des Krafteinleitungselements an das zweite Bauelement darstellbar ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Schaft außenumfangsseitig mehreckig, insbesondere vier- oder sechs- oder achteckig, ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders effektive Verdrehsicherung realisiert werden, sodass unerwünschte Relativdrehungen zwischen dem Krafteinleitungselement und dem zweiten Bauelement auch dann sicher vermieden werden können, wenn hohe Drehmomente auf das Krafteinleitungselement wirken. Durch die Ausgestaltung des Schafts können auch besonders hohe Drehmomente zwischen dem Krafteinleitungselement und dem zweiten Bauelement übertragen werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Relativdrehung zwischen dem zweiten Bauelement und dem Krafteinleitungselement kommt.
In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Hülsenkörper einen Kopf auf, welcher sich auf einer dem Ende gegenüberliegenden Seite des Schafts an diesen anschließt, sodass der Kopf beispielsweise an einem dem Ende gegenüberliegenden anderen Ende des Hülsenkörpers angeordnet ist. Der Kopf weist beispielsweise einen größeren Außendurchmesser beziehungsweise Außenumfang als der Schaft auf, sodass der Hülsenkörper in seiner Längserstreckungsrichtung über den Kopf besonders gut an dem zweiten Bauelement abgestützt werden kann.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Kopf außenumfangsseitig mehreckig, insbesondere vier- oder sechs- oder achteckig, ausgebildet ist. Hierdurch kann beispielsweise ein besonders hohes Drehmoment zwischen dem Krafteinleitungselement und dem zweiten Bauelement und/oder zwischen dem Krafteinleitungselement und einem Werkzeug, mittels welchem das Krafteinleitungselement in den faserverstärkten Kunststoff eingeschraubt wird, übertragen werden. Mit anderen Worten kann der außenumfangsseitig mehreckige Kopf, welcher beispielsweise einen mehreckigen Querschnitt aufweist, genutzt werden, um insbesondere während einer Montage des Krafteinleitungselements oder während einer Reparatur ein besonders hohes Drehmoment übertragen und insbesondere in das Krafteinleitungselement einleiten zu können.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Kopf auf einer dem Außengewinde zugewandten Seite, insbesondere auf einer dem Außengewinde zugewandten Unterseite, eine vollständig umlaufende Fangnut aufweist. Die Fangnut dient insbesondere der Erhöhung des übertragbaren Drehmoments, der Verstärkung der Kontaktfläche zur Oberfläche des zweiten Bauelements sowie zur Abdichtung.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum zumindest teilweisen Einbringen des erfindungsgemäßen Krafteinleitungselements in das zweite Bauelement. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Krafteinleitungselements sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt. Unter dem zumindest teilweisen Einbringen des Krafteinleitungselements in das zweite Bauelement ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest ein Teilbereich des Krafteinleitungselements, insbesondere des Hülsenkörpers, in dem faserverstärkten Kunststoff des zweiten Bauelements angeordnet wird. Hierzu wird das Krafteinleitungselement beziehungsweise Hülsenkörper beispielsweise in den faserverstärkten Kunststoff eingetrieben.
Dabei werden beispielsweise im Rahmen des Verfahrens eine, insbesondere in Längserstreckungsrichtung des Hülsenkörpers auf diesen wirkende, Vorschubkraft und ein Drehmoment auf das Krafteinleitungselement ausgeübt, um das Krafteinleitungselement in den faserverstärkten Kunststoff einzubringen, insbesondere einzutreiben, und über das Außengewinde in den faserverstärkten Kunststoff einzuschrauben. Mittels der Vorschubkraft wird beispielsweise der Hülsenkörper beim Einbringen in das zweite Bauelement entlang der Längserstreckungsrichtung des Hülsenkörpers in das Bauelement eingebracht, wobei beispielsweise zunächst der Hülsenkörper über die Spitze in den faserverstärkten Kunststoff eingetrieben wird. Durch Ausüben des Drehmoments auf den Hülsenkörper wird der Hülsenkörper relativ zu dem zweiten Bauelement gedreht, wodurch der Hülsenkörper über das Außengewinde in den faserverstärkten Kunststoff eingeschraubt werden kann. Das Drehmoment ist somit ein Furchmoment zur Montage des Krafteinleitungselements in dem faserverstärkten Kunststoff des zweiten Bauelements. Die Vorschubkraft und das Drehmoment werden vorzugsweise gleichzeitig auf das Krafteinleitungselement ausgeübt, um das Krafteinleitungselement an beziehungsweise in dem zweiten Bauelement zu montieren.
Das Krafteinleitungselement, insbesondere die Vorschubkraft und das Drehmoment, kann beziehungsweise können insbesondere auch dazu genutzt werden, mehrere Bauelemente beziehungsweise Bauteile zu fügen.
Um eine besonders vorteilhafte und feste Verbindung des Krafteinleitungselements mit dem zweiten Bauelement, insbesondere mit dem faserverstärkten Kunststoff, zu realisieren, ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Krafteinleitungselement mittels einer Heizeinrichtung, insbesondere mittels einer elektrischen Heizeinrichtung, erwärmt wird. Dadurch kann beispielsweise eine kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung des Krafteinleitungselements, insbesondere des Hülsenkörpers, mit dem faserverstärkten Kunststoff bewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, durch die Erwärmung des Krafteinleitungselements, insbesondere des Hülsenkörpers, das Krafteinleitungselement auf besonders einfache und somit zeit- und kostengünstige Weise mit dem zweiten Bauelement zu verbinden, da das Krafteinleitungselement besonders vorteilhaft in den faserverstärkten Kunststoff eingebracht werden kann.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Krafteinleitungselement auf eine Temperatur erwärmt wird, welche größer oder gleich der Schmelztemperatur des faserverstärkten Kunststoffs ist. Insbesondere wird das Krafteinleitungselement mit dieser Temperatur in den faserverstärkten Kunststoff eingebracht, sodass beispielsweise während des Einbringens des Krafteinleitungselements in den faserverstärkten Kunststoff der faserverstärkte Kunststoff mittels des Krafteinleitungselements zumindest teilweise aufgeschmolzen beziehungsweise angeschmolzen wird, wodurch das Krafteinleitungselement besonders einfach und vorteilhaft in den faserverstärkten Kunststoff eingebracht werden kann.
Insbesondere ist eine Erwärmung des als krafteinleitendes Bauteil fungierenden Krafteinleitungselements mittels einer elektrischen Widerstandsheizung vorgesehen. Mit anderen Worten ist die Heizeinrichtung vorzugsweise als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet. Die Erwärmung des Krafteinleitungselements erfolgt beispielsweise direkt vor der Montage, sodass das Krafteinleitungselement beispielsweise während des eigentlichen Einbringens in den faserverstärkten Kunststoff nicht mittels der Heizeinrichtung erwärmt wird.
Insbesondere kann eine Erwärmung des Krafteinleitungselements mittels wenigstens einer über wenigstens einen Schleifring mit dem Krafteinleitungselement verbundenen beziehungsweise gekoppelten Widerstandsheizung erfolgen, wobei es denkbar ist, dass das Krafteinleitungselement während der Montage, das heißt während das Krafteinleitungselement in den faserverstärkten Kunststoff beziehungsweise in das zweite Bauelement eingebracht wird, mittels der Heizeinrichtung erwärmt wird.
Weiterhin denkbar ist es, dass eine Erwärmung des Krafteinleitungselements mittels wenigstens einer induktiven Heizeinrichtung erfolgt, sodass eine Erwärmung des Krafteinleitungselements mittels induktiver Erwärmung, insbesondere direkt vor der Montage, denkbar ist. Ferner ist es möglich, eine Erwärmung des Krafteinleitungselements mittels induktiver Erwärmung während der Montage, das heißt während das Krafteinleitungselement in den faserverstärkten Kunststoff beziehungsweise in das zweite Bauelement eingebracht wird, durchzuführen. Infolge einer schnellen Reaktionszeit einer Induktionserwärmung kann eine variotherme Temperaturführung ermöglicht werden.
Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass im Rahmen des Verfahrens eine Ausformung von hinterschneidenden Abstützsegmenten durch Einbringen eines Verbindungselements in den Hülsenkörper, insbesondere in den hohlen Teilbereich, durchgeführt wird. Die hinterschneidenden Abstützsegmente werden beispielsweise durch die zuvor beschriebenen Endbereiche gebildet, welche durch das Einbringen des Verbindungselements in den Hülsenkörper aufgespreizt beziehungsweise aufgespaltet und dadurch voneinander weg bewegt werden. Infolge dieses Wegbewegens hintergreifen die Endbereiche jeweilige Wandungsbereiche des faserverstärkten Kunststoffs beziehungsweise des zweiten Bauelements, sodass die Endbereiche die zuvor genannten hinterschneidenden Abstützsegmente bilden.
Als das Verbindungselement wird beispielsweise ein Schraubelement, insbesondere eine Schraube, verwendet. Beispielsweise wird die Schraube in den Hülsenkörper beziehungsweise in den hohlen Teilbereich eingeschraubt. Hierzu weist der Hülsenkörper beispielsweise innenumfangsseitig ein Innengewinde auf. Das Innengewinde ist insbesondere in dem hohlen Teilbereich angeordnet. Die Schraube weist beispielsweise ein mit dem Innengewinde korrespondierendes, weiteres Außengewinde auf, über welches die Schraube in den Hülsenkörper eingeschraubt und dabei mit dem korrespondierenden Innengewinde verschraubt werden kann. Durch dieses Einschrauben der Schraube in den Hülsenkörper werden die Endbereiche auf die beschriebene Weise voneinander weg bewegt, wodurch sie jeweilige Hinterschnitte mit dem zweiten Bauelement bilden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist am Kopf des Verbindungselementes eine Vertiefung in Form eines Innensechsrundes angeordnet, welche erfindungsgemäß zur mechanischen Ankoppelung eines Schraubwerkzeuges vorgesehen ist. Dadurch wird alternativ vorteilhafterweise das Furchmoment für das Eindrehen übertragen als auch eine Zentrierung des Verbindungselementes während des Fügevorgangs ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Seitenansicht eines Krafteinleitungselements gemäß einer ersten Ausführungsform zum Anbinden wenigstens eines ersten Bauelements an ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes zweites Bauelement;
2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Krafteinleitungselements gemäß 1 in einem Bereich B;
3 eine schematische Schnittansicht des Krafteinleitungselements;
4a–c jeweils eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Krafteinleitungselements entlang einer in 3 gezeigten Schnittlinie A-A;
5 eine weitere schematische Schnittansicht des Krafteinleitungselements;
6a–c jeweils eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Krafteinleitungselements entlang einer in 5 gezeigten Schnittlinie B-B;
7 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Krafteinleitungselements gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 eine schematische Seitenansicht und ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Krafteinleitungselements;
9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Einbringen des Krafteinleitungselements in das zweite Bauelement; und
10a–e jeweils eine schematische Schnittansicht einer Heizeinrichtung, mittels welcher das Krafteinleitungselement erwärmt wird.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine erste Ausführungsform eines Krafteinleitungselements 10 zum Anbinden wenigstens eines aus 9 ausschnittsweise erkennbaren und beispielsweise als Funktionselement ausgebildeten ersten Bauelements 12 an ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes zweites Bauelement 14. Der faserverstärkte Kunststoff ist beispielsweise ein endlosfaserverstärkter Thermoplast, sodass das Bauelement 14 einen Kunststoff als Matrix sowie Verstärkungsfasern aufweist, welche in die Matrix eingebettet sind. Beispielsweise ist die Matrix aus einem Thermoplast gebildet.
Das Krafteinleitungselement 10 weist – wie besonders gut in Zusammenschau mit 3 und 5 erkennbar ist – einen beispielsweise einstückig ausgebildeten Hülsenkörper 16 auf, welcher zumindest in einem Längenbereich 18 (3 beziehungsweise 5) hohl ausgebildet ist. Der Hülsenkörper 16 kann mit oder ohne Innengewinde ausgeführt sein. Bei der in 1, 3 und 5 gezeigten ersten Ausführungsform ist der Hülsenkörper 16 innengewindefrei. Dies bedeutet, dass in dem Längenbereich 18 kein Innengewinde vorgesehen ist. Alternativ ist es denkbar, dass der Hülsenkörper 16 innenumfangsseitig, insbesondere in dem Längenbereich 18, ein Innengewinde aufweist. Alternativ ist zumindest im oberen Abschnitt des Längenbereichs 18 ein Innensechsrund zur Ankoppelung des Schraubwerkzeuges vorgesehen.
Der Hülsenkörper 16 weist an seiner außenumfangsseitigen Mantelfläche 20 ein Außengewinde 22 mit einem spitzen Flankenwinkel auf. Das Außengewinde 22 kann somit in einzelne, aus 9 erkennbare Faserlagen 24 des zweiten Bauelements 14 beziehungsweise des faserverstärkten Kunststoffs eindringen und sorgt für einen festen Sitz des Krafteinleitungselements 10 an beziehungsweise in dem zweiten Bauelement 14. Durch den spitzen Flankenwinkel wird eine Faserschädigung beim Einbringen, insbesondere Einschrauben, des Krafteinleitungselements 10 in den faserverstärkten Kunststoff beziehungsweise in das zweite Bauelement 14 minimiert. Zudem werden Kräfte, welche beispielsweise über das Bauelement 12 auf das Krafteinleitungselement 10 und von diesem auf das zweite Bauelement 14 wirken, großflächig über mehrere Faserschichten in das Bauelement 14 eingeleitet. Zusätzlich kann das Außengewinde 22 ein schlagartiges Entweichen von Stützfluiden oder Spritzgussmaterial von der anderen Seite des Bauelements 14 verhindern. Das Außengewinde 22 kann dabei zusätzlich mit einem Klebstoff und/oder mit Polyurethan benetzt werden, falls eine zusätzliche Haftung erforderlich ist.
Der Hülsenkörper 16 weist ferner – wie besonders gut aus 1, 3 und 5 erkennbar ist – ein eine außenseitige Spitze S des Hülsenkörpers 16 bildendes Ende 26 auf, welches durch – wie besonders gut aus 8 erkennbar ist – über jeweilige erste Teilbereiche 28 miteinander verbundene und in jeweiligen zweiten Teilbereichen 30 voneinander getrennte und vorliegend voneinander beabstandete Endbereiche 32 des Hülsenkörpers 16 gebildet ist. Dabei sind beispielsweise die Endbereiche 32 über die Teilbereiche 28 miteinander verbunden, wobei die Endbereiche 32 einstückig miteinander ausgebildet sind. Über die Teilbereiche 30 jedoch sind die Endbereiche 32 voneinander beabstandet, sodass die Teilbereiche 30 jeweilige Schlitze zwischen den Endbereichen 32 bilden.
Die Endbereiche 32 sind durch Einbringen eines beispielsweise als Schraube ausgebildeten Verbindungselements in den Hülsenkörper 16, insbesondere durch Hindurchstecken des Verbindungselements durch den Hülsenkörper 16, voneinander weg bewegbar, um dadurch unter Hintergreifen jeweiliger Wandungsbereiche des zweiten Bauelements 14 einen jeweiligen Hinterschnitt auszubilden.
Aus 1 ist erkennbar, dass der Hülsenkörper 16 beziehungsweise das Krafteinleitungselement 10 insgesamt eine durch einen Doppelpfeil 34 veranschaulichte Längserstreckungsrichtung aufweist, entlang welcher eine Höhe oder Länge des Krafteinleitungselements 10, insbesondere des Hülsenkörpers 16, verläuft. Diese Höhe beziehungsweise Länge des beispielsweise als Hülse ausgebildeten Hülsenkörpers 16 kann zumindest nahezu beliebige Werte, insbesondere größer als Null, annehmen und bestimmt je nach Zielbauteil die Anzahl an Wandungen, welche von dem Hülsenkörper 16 durchdrungen, insbesondere durchdornt, werden. Über die Höhe des Hülsenkörpers 16 besteht die Möglichkeit, eine leicht kegelige Form über einen definierten Winkel zu erzeugen. Aus 1 ist erkennbar, dass sich das Außengewinde 22 an das Ende 26 anschließt, sodass das Ende 26 gewindefrei ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Ende 26 beziehungsweise die Endbereiche 32 das Außengewinde 22 nicht aufweist beziehungsweise aufweisen. Dabei weist der Hülsenkörper 16 einen sich an das Ende 26 anschließenden Schaft 36 auf, welcher das Außengewinde 22 aufweist. Der Schaft 36 ist dabei außenumfangsseitig zylindrisch oder aber konisch geformt.
4a–c zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Krafteinleitungselements 10, insbesondere des Hülsenkörpers 16. Diese unterschiedlichen, in 4a–c gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich insbesondere in der außenumfangsseitigen Form des Schafts 36 voneinander. Gemäß 4a ist der Schaft 36 außenumfangsseitig rund ausgebildet, wobei der Schaft 36 zylindrisch oder konisch beziehungsweise kegelförmig ausgebildet sein kann.
Gemäß 4b ist der Schaft 36 außenumfangsseitig mehreckig und vorliegend sechseckig ausgebildet. Gemäß 4c weist der Schaft 36 außenumfangsseitig eine von einer kreisrunden Form unterschiedliche Form auf, wobei der Schaft 36 vier abgerundete Ecken aufweist. Die außenumfangsseitige Mantelfläche 20 ist somit durch eine Hülsenaußenwandung gebildet, welche rund, insbesondere kreisrund, oder aber eckig beziehungsweise mehreckig ausgebildet sein kann. Zur Optimierung eines Formschlusses zwischen dem Hülsenkörper 16 und dem Bauelement 14 ist die Hülsenaußenwandung beispielsweise mit planaren Flächen zu einem vier-, sechs-, oder achtkantigen Außenquerschnitt weitergebildet beziehungsweise optimiert. Somit ist die Hülsenaußenwandung beziehungsweise die außenumfangsseitige Mantelfläche 20 gemäß 4b als Außensechskant und gemäß 4c als Außenvierkant ausgebildet. Über diese Ausführung der Hülsenaußenwandung und somit der Außengeometrie des Hülsenkörpers 16, insbesondere des Schafts 36, kann ein zusätzlicher Formschluss zwischen dem Krafteinleitungselement 10 und dem Bauelement 14 realisiert werden, um dadurch auch besonders hohe Anzugsmomente beziehungsweise Torsionsmomente zu generieren und zwischen dem Krafteinleitungselement 10 und dem Bauelement 14 zu übertragen, ohne dass es dabei zu einer unerwünschten Relativdrehung zwischen dem Krafteinleitungselement 10 und dem Bauelement 14 kommt.
Ferner weist der Hülsenkörper 16 einen Kopf 38 auf, welcher sich auf einer dem Ende 26 gegenüberliegenden Seite des Schafts 36 an den Schaft 36 anschließt. Dabei zeigen 6a–c unterschiedliche Ausführungsformen, welche sich insbesondere hinsichtlich der außenumfangsseitigen Gestaltung beziehungsweise Geometrie des Kopfes 38 voneinander unterscheiden. Gemäß 6a ist der Kopf 38 außenumfangsseitig zumindest im Wesentlichen rund, insbesondere kreisrund, ausgebildet. Mit anderen Worten weist der Kopf 38 eine außenumfangsseitige Mantelfläche 40 auf, welche zumindest im Wesentlichen kreisrund ausgebildet ist. Gemäß 6b ist der Kopf 38 außenumfangsseitig mehreckig und dabei sechseckig ausgebildet. Gemäß 6c ist der Kopf 38 außenumfangsseitig viereckig ausgebildet und weist dabei vier abgerundete Ecken auf. Somit kann alternativ oder zusätzlich der Kopf 38 außenumfangsseitig als Mehrkant, insbesondere als Vier- oder Sechskant, ausgebildet sein, um dadurch beispielsweise auch besonders hohe Drehmomente zwischen dem Kopf 38 und dem Bauelement 14 beziehungsweise zwischen dem Kopf 38 und einem Werkzeug, mittels welchem das Krafteinleitungselement 10 beispielsweise in das Bauelement 14 eingeschraubt wird, übertragen zu können.
Aus 2 ist erkennbar, dass der Kopf 38 auf einer dem Außengewinde 22 zugewandten Seite 42 ein in Umfangsrichtung des Hülsenkörpers 16 vollständig umlaufende Fangnut 44 aufweisen kann. Mit anderen Worten kann der Kopf 38 des Krafteinleitungselements 10 in einer Ausführung mit der umlaufenden Fangnut 44 versehen sein. Diese Fangnut 44 dient einerseits dem Abstützen des Krafteinleitungselements 10 auf einer Seite 47 (9) des Bauelements 14, wobei das Krafteinleitungselement 10 von der Seite 47 her in das Bauelement 14 eingebracht wird. Somit wird die Seite 47 auch als Bauteileinbringseite oder Einbringseite bezeichnet. Beim Einbringen des Krafteinleitungselements 10 in das Bauelement 14 entsteht beispielsweise auf der Seite 47 eine Wulst aus verdrängtem Material mit erhöhtem Faservolumengehalt. Diese Wulst kann beispielsweise in der Fangnut 44 aufgenommen werden, sodass das Krafteinleitungselement 10 trotz des Entstehens dieser Wulst vorteilhaft auf der Seite 47 abgestützt werden kann. Andererseits kann durch Verwendung der Fangnut 44 eine besonders große Kontaktfläche zwischen dem Krafteinleitungselement 10 und dem Bauelement 14, insbesondere auf dessen Oberfläche, realisiert werden, wobei auch ein besonders großer Reibradius geschaffen werden kann, sodass auch hohe Torsionsbelastungen aufgenommen werden können. Die optionale Ausgestaltung des Kopfes 38 mit einem vier-, sechs- oder achtkantigem Querschnitt, insbesondere Außenquerschnitt, ermöglicht eine Torsionsbelastung im Montageprozess oder ein Gegenhalten im Reparaturprozess. Die Fangnut 44 dient auch als Schutz gegen etwaig entweichende Fluide.
7 veranschaulicht eine mögliche Dichtwirkung des Außengewindes 22. Dabei ist das Außengewinde 22 beispielsweise mit einem Dichtmittel 46 versehen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das Außengewinde 22 mit wenigstens einem Klebstoff 48 versehen, insbesondere benetzt, ist.
Die Spitze S des Krafteinleitungselements 10 dient der schonenden Auslegung der Verstärkungsfasern bei einem Implementierungsprozess, in dessen Rahmen das Krafteinleitungselement 10 zumindest teilweise in das Bauelement 14 eingebracht wird. Ein allmählicher Übergang zum Gewindeansatz auf dem als Hülsenabschnitt ausgebildeten Schaft 36 ermöglicht ein Eingleiten des Außengewindes 22 in das zähflüssige Verbundmaterial des Bauelements 14. Die Spitze S beziehungsweise das Ende 26 ist dabei axial in mehreren teilbaren Segmenten in Form der Endbereiche 32 ausgestaltet.
Aus 8 ist erkennbar, dass die Spitze S beziehungsweise das Ende 26 an ihrer beziehungsweise seiner Innenkontur 50 mit wenigstens einem Fließgelenk 52 versehen ist, welches in einem Bereich C angeordnet ist. Mithilfe des Fließgelenks 52 ist ein schonendes Ausklappen beziehungsweise Umformen der als einzelne Blätter ausgebildeten Endbereiche 32 ermöglicht. Das Fließgelenk 52 ermöglicht es, dass der Hülsenkörper 16 beim Einbringen des Verbindungselements in den Hülsenkörper 16 derart elastisch und/oder plastisch verformt wird, dass die Endbereiche 32 relativ zu dem Schaft 36 bewegt und dabei auseinander beziehungsweise voneinander weg bewegt werden, sodass die Endbereiche 32 aufgespaltet beziehungsweise aufgespreizt werden. Das Fließgelenk 52 ist beispielsweise durch eine Wanddickenreduzierung geschaffen, sodass der Hülsenkörper 16 im Bereich des Fließgelenks 52 eine geringere Wanddicke als in sich an das Fließgelenk 52 beidseitig anschließenden Wandungsbereichen aufweist. Das Fließgelenk 52 ermöglicht somit ein gezieltes Bewegen der Endbereiche 32 voneinander weg und relativ zu dem Schaft 36.
Um dabei eine definierte Auslenkung ohne Niederhalter auf der Gegenseite zu gewährleisten, weist die Innenkontur 50 einen Vorsprung 54 auf, welcher in einem Bereich D angeordnet ist und sich beispielsweise in Längserstreckungsrichtung des Hülsenkörpers 16 beziehungsweise des Krafteinleitungselements 10 in Richtung des Schafts 36 erstreckt und dabei entlang der Längserstreckungsrichtung in Richtung des Schafts 36 Wandungsbereiche, welche sich an den Vorsprung 54 anschließen, überragt. Der Vorsprung 54 wird dabei als Kontaktknie bezeichnet, mit welchem das Verbindungselement in Stützanlage kommt, wenn das Verbindungselement, insbesondere in Längserstreckungsrichtung des Hülsenkörpers 16, in diesen eingebracht, insbesondere eingesteckt oder eingeschraubt, wird. Dies bedeutet, dass das Verbindungselement – wenn es in den Hülsenkörper 16 eingesteckt wird – zunächst in Stützanlage mit dem Vorsprung 54 kommt. Wird das Verbindungselement weiter in den Hülsenkörper 16 eingesteckt und insbesondere durch den Hülsenkörper hindurchgesteckt, so übt das Verbindungselement, insbesondere in radialer Richtung des Hülsenkörpers 16, eine Kraft auf die jeweiligen Endbereiche 32 aus, wodurch die Endbereiche 32 voneinander weg bewegt werden. Dabei verläuft die radiale Richtung des Hülsenkörpers 16 zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckungsrichtung.
Das Kontaktknie fungiert somit als definierte Krafteinleitungsstelle an der Innenseite beziehungsweise im Inneren des Hülsenkörpers 16, insbesondere des Endes 26. Über das Verbindungselement werden über das einen Kontaktpartner darstellende Kontaktknie Kräfte, insbesondere Radialkräfte, definiert in die beispielsweise als Flügel ausgebildeten Endbereiche 32 eingeleitet. Dabei ermöglicht die Geometrie des Kontaktknies eine Spezifikation des Auslenkwinkels, um welchen die Endbereiche 32 ausgelenkt, das heißt voneinander weg bewegt werden, wenn das Verbindungselement in den Hülsenkörper 16 eingesteckt beziehungsweise durch diesen hindurchgesteckt werden. Dabei dient das Fließgelenk 52 der Realisierung eines definierten Auslenkens beziehungsweise Umformens einzelner Flanken, das heißt der Endbereiche 32 der vorliegend zumindest im Wesentlichen kegelförmigen Spitze S.
In 9 ist ein Verfahren erkennbar, bei welchem das Krafteinleitungselement 10 in das Bauelement 14 eingebracht wird. Im Rahmen des Verfahrens werden sowohl eine Vorschubkraft F als auch ein Drehmoment T als Furchmoment auf das Krafteinleitungselement 10 ausgeübt. Die Vorschubkraft F wirkt dabei in Längserstreckungsrichtung des Hülsenkörpers 16 und dabei zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Seite 47, wobei das Drehmoment T um die Längserstreckungsrichtung des Hülsenkörpers 16 wirkt. Mittels des Drehmoments T wird das Krafteinleitungselement 10, insbesondere der Hülsenkörper 16, relativ zu dem Bauelement 14 gedreht, um dadurch den Hülsenkörper 16 über das Außengewinde 22 in das Bauelement 14 einschrauben und dadurch einbringen zu können, ohne das Bauelement 14 vorlochen zu müssen. Insbesondere nach Einbringen des Krafteinleitungselements 10 in das Bauelement 14 wird das in 9 mit 56 bezeichnete Verbindungselement in den Hülsenkörper 16 eingestellt und insbesondere durch diesen hindurchgesteckt, indem beispielsweise eine Kraft F2 auf das Verbindungselement 56 ausgeübt wird.
Das Verbindungselement 56 ist beispielsweise eine Schraube, mittels welcher das Bauelement über das Krafteinleitungselement 10 mit dem Bauelement 14 verbunden wird. Aus 9 ist besonders gut erkennbar, dass sich durch das Einbringen des Verbindungselements 56 in den Hülsenkörper 16 die Endbereiche 32 voneinander weg bewegen und dabei insbesondere umklappen, um das Bauelement 14 zu hintergreifen.
Um ein besonders leichtes und wenig schädigendes Einbringen des als Befestigungselement fungierenden Krafteinleitungselements 10 in das Bauelement 14 zu ermöglichen, wird das Krafteinleitungselement 10 vor dem und/oder während des Fügens, das heißt vor dem und/oder während des Einbringens auf eine Temperatur erwärmt, welche vorzugsweise über Schmelztemperatur des faserverstärkten Kunststoffs, insbesondere dessen Kontaktmatrix, liegt, wobei vorgesehen sein kann, dass das Krafteinleitungselement 10 variotherm erwärmt wird. Die Schmelztemperatur liegt beispielsweise bei Polyamid bei 280 Grad Celsius.
Beispielsweise wird eine Bauteilaufnahme zum Aufnehmen des Krafteinleitungselements 10 und/oder das Krafteinleitungselement 10 selbst elektrisch erwärmt. In einer einfachen Ausgestaltung wird eine elektrische Spannung über eine Schleifring-Übertragung auf ein Widerstands-Heizelement geleitet.
10a zeigt eine beispielsweise als Spule, insbesondere als außenliegende Spule, ausgebildete Heizeinrichtung 58, mittels welcher das Krafteinleitungselement 10, insbesondere elektrisch, erwärmt wird. Dabei ist die Spule in axialer Richtung über dem Krafteinleitungselement 10 positioniert beziehungsweise positionierbar. Insbesondere ist es denkbar, eine induktive Erwärmung beziehungsweise Übertragung zu verwenden, um das Krafteinleitungselement 10 zu erwärmen. Hierzu kommt die als Induktionsspule ausgebildete Spule zum Einsatz, welche in Abhängigkeit von einem Aufbau eines Werkzeugs, mittels welchem das Krafteinleitungselements in das Bauelement 14 eingebracht wird, mehrere Optionen bietet. In 10a ist dabei eine radial umlaufende Spule gezeigt, wobei der Energieeintrag gezielt per Strahlung erfolgt, welche in 10a durch gestrichelte Linien 60 veranschaulicht ist.
10b zeigt eine rückseitige Positionierung der Spule, welche ebenfalls eine außenliegende Spule ist und sich in axialer Richtung hinter dem Krafteinleitungselement 10 befindet beziehungsweise positioniert ist. Auch hier erfolgt der Energieeintrag per induktiver Strahlung sowie per Wärmeeinleitung durch ein die Spule tragendes Element 62 des Werkzeugs.
Bei 10c kommt eine innenliegende, einfahrbare Spule für kleine Querschnitte zum Einsatz. Mit anderen Worten ist bei 10c die Spule (Heizeinrichtung 58) nicht außerhalb des Krafteinleitungselements 10, sondern innerhalb des Krafteinleitungselements 10, insbesondere in dem hohlen Längenbereich 18, angeordnet. Durch den geringen Energieeintrag sollten im Werkzeug nur lokal abschirmende Materialien verwendet werden. Die Spule ist beispielsweise mit einer inneren und äußeren Leiterkontaktierung ausführbar. Zur Implementierung ist eine Aktorik in Form einer Translation und Rotation des Krafteinleitungselements 10 vorgesehen.
10d veranschaulicht die Erwärmung des Krafteinleitungselements 10 mittels außenliegender Leiter 64, das heißt mittels einer außen liegenden Spannungsversorgung. Im Gegensatz dazu veranschaulicht 10c eine Induktionsspule mit im Werkzeugschacht 66 mitgeführter Spannungsversorgung in Form von innenliegenden Leitern 64.
Insgesamt lassen sich durch die Verwendung des Krafteinleitungselements 10 und des Verfahrens folgende Vorteile realisieren: geringe Energiekosten durch Erwärmung des Krafteinleitungselements 10 mittels wenigstens einer Induktionsspule; schnelle Aufwärmung des Krafteinleitungselements 10; hochfrequente Implementierung garantiert eine hohe Stückzahl und kurzzeitige thermische Belastung des als Faserverbundbauteil ausgebildeten Bauelements 14; das Krafteinleitungselement 10 und das Verfahren sind unabhängig von der Faserverbundtemperatur und können deshalb variabel in der Prozesskette positioniert werden; in Abhängigkeit von der Länge des Hülsenkörpers 16 ist eine einschnittige oder zweischnittige Krafteinleitung möglich; es genügt eine einseitige Zugänglichkeit, sowohl im Prozess als auch in der Einbausituation, sodass das Krafteinleitungselement 10 auch dann mit dem Bauelement 14 verbunden werden kann, wenn das Bauelement 14 lediglich einseitig, das heißt von genau einer Seite aus zugänglich ist; durch die Erfahrungen aus Nietprozessen weist der Prozess eine hohe Toleranzgenauigkeit auf; die beschriebene Prozesskette ermöglicht eine werkzeugspezifische Integration; das Krafteinleitungselement 10 und das Verfahren bieten die Kombination einer außenliegenden Bearbeitung mit innerer Kraftübertragung; das Krafteinleitungselement 10 ist mit beliebiger Kopfform ausführbar, wodurch eine gezielte Steigerung des Reibdurchmessers im eingebauten Zustand ermöglicht wird; die Wulst an der Kopfauflage ist geometrisch so ausgeführt, sodass eine Delamination reduziert sowie das Entweichen von vorhandenen Füll- oder Durchflussmedien präventiv verhindert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012010715 A1 [0004]
DE 19732099 A1 [0005]
DE 102012025108 A1 [0005]
DE 102013103719 A1 [0006]
DE 102014203726 A1 [0007]
DE 102013216039 A1 [0008]
DE 102011113436 A1 [0009]
DE 102011001522 A1 [0010]
DE 102012215905 A1 [0011]

Claims

Krafteinleitungselement (10) zum Anbinden wenigstens eines ersten Bauelements (12) an ein aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes zweites Bauelement (14), mit einem zumindest in einem Längenbereich (18) hohlen Hülsenkörper (16), welcher ein in den faserverstärkten Kunststoff einschraubbares Außengewinde (22) mit einem spitzen Flankenwinkel und ein eine außenseitige Spitze (S) des Hülsenkörpers (16) bildendes Ende (26) aufweist, welches durch über jeweilige erste Teilbereiche (28) miteinander verbundene und in jeweiligen zweiten Teilbereichen (30) voneinander getrennte Endbereiche (32) gebildet ist, welche durch Einbringen eines Verbindungselements (56) in den Hülsenkörper (16) voneinander weg bewegbar sind, um dadurch unter Hintergreifen jeweiliger Wandungsbereiche des zweiten Bauelements (14) einen Hinterschnitt auszubilden.
Krafteinleitungselement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (22) mit wenigstens einem Kleb- und/oder Dichtstoff (46, 48) versehen ist.
Krafteinleitungselement (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenkörper (16) einen sich an das Ende (26) anschließenden Schaft (36) aufweist, welcher außenumfangsseitig zylindrisch oder konisch geformt ist.
Krafteinleitungselement (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (36) außenumfangsseitig mehreckig, insbesondere vier- oder sechs- oder achteckig, ausgebildet ist.
Krafteinleitungselement (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf einer dem Ende (26) gegenüberliegenden Seite des Schafts (36) an diesen ein Kopf (38) des Hülsenkörpers (16) anschließt.
Krafteinleitungselement (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (38) außenumfangsseitig mehreckig, insbesondere vier-, sechs- oder achteckig ausgebildet ist.
Krafteinleitungselement (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (38) auf einer dem Außengewinde (22) zugewandten Seite (42) eine vollständig umlaufende Fangnut (44) aufweist.
Verfahren zum zumindest teilweisen Einbringen eines Krafteinleitungselements (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in das zweite Bauelement (14), bei welchem eine Vorschubkraft (F) und ein Drehmoment (T) auf das Krafteinleitungselement (10) ausgeübt wird, um das Krafteinleitungselement (10) in den faserverstärkten Kunststoff einzubringen und über das Außengewinde (22) in den faserverstärkten Kunststoff einzuschrauben.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (10) mittels wenigstens einer Heizeinrichtung (58), insbesondere mittels einer elektrischen Heizeinrichtung (58), erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (10) auf eine Temperatur erwärmt wird, welcher größer oder gleich der Schmelztemperatur des faserverstärkten Kunststoffs ist.