DE102004014055A1 - Schraubverbindung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraubverbindung (1) mit zumindest einer Schraube (4) und zumindest einem Dübel (5) zum Befestigen eines Anbauteils (2) an einem Tragteil (3). Erfindungswesentlich ist dabei, dass das Tragteil (3) eine Schaumstruktur aufweist und dass der Dübel (5) aus einem thermoplastischen Werkstoff ausgebildet ist, welcher bei hergestellter Schraubverbindung (1) plastisch in die Schaumstruktur des Tragteils (3) verformt und dadurch mit dieser kraft- und formschlüssig verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung zum Befestigen eines Anbauteils an einem Tragteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der DE 101 39 261 C2 ist eine Schraubverbindung zum Befestigen eines Anbauteils, beispielsweise eines Wandelements und/oder einer Isolierung, an einem Tragteil, beispielsweise einem Mauerwerk, mit zumindest einer Schraube und zumindest einem Dübel bekannt. Das Anbauteil weist dabei eine aufgeschäumte Struktur auf und ist von Durchführungen senkrecht zu seiner Elementebene durchbrochen. Durch diese Durchführungen ist ein Dübel geführt, welcher bei eingedrehter Schraube im dahinterliegenden Mauerwerk verankert ist. In der Durchführung ist zusätzlich ein Halteelement angeordnet, welches an seiner dem Mauerwerk abgewandten Seite eine kragenartige Aufweitung aufweist und dadurch bei eingedrehter Schraube eine kraftschlüssige Verbindung zu einem Schraubenkopf bewirkt.
  • Aus der DE 41 31 779 A1 ist eine Schraubbefestigung für Abdeckungen oder Frontplatten von Geräten oder Systemen bekannt. Zur Vergrößerung des Radialspiels an einer Befestigungsstelle ist eine Halsschraube der Schraubbefestigung axial durch eine Gewindelochscheibe hindurchgeschraubt, welche radial schwimmend und unverlierbar in eine radialen Erweiterungen an einer fest mit der Abdeckung oder Frontplatte verbundenen Buchse gelagert ist. Dadurch wird ein größerer Toleranzausgleich bei Lochbildern mit großen Lochabständen zu einem Bezugsloch bzw. eine wirtschaftlichere Herstellung solcher Lochbilder mit größeren Toleranzen ermöglicht.
  • Aus der DE 197 18 062 A1 ist ein Aufprallschutz aus Hartschaum bekannt, in welchen Befestigungsvorrichtungen eingeschäumt sind. Das Einschäumen führt zu einer innigen Verbindung von Schaum und Befestigungsvorrichtung ohne die Verwendung von zusätzlichem Kleber.
    •
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Schraubverbindung eingangs erwähnter Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, durch welche insbesondere eine verbesserte Befestigung in einem porösem Material ermöglicht wird.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für eine Schraubverbindung zum Befestigen eines Anbauteils an einem eine Schaumstruktur aufweisenden Tragteil einen Dübel aus thermoplastischen Werkstoff vorzusehen, welcher bei hergestellter Schraubverbindung plastisch in die Schaumstruktur des Tragteils verformt und dadurch mit dieser kraft- und formschlüssig verbunden ist.
  • Befestigungen in Schaumstrukturen sind häufig problematisch, da aufgrund der hohen Porosität des Schaums herkömmliche Dübel bzw. herkömmliche Schrauben nicht verwendet werden können. Insbesondere führt das Eindrehen herkömmlicher Schrauben bei Schaumstrukturen nicht zur gewünschten tragfähigen Verbindung, sondern lediglich zur lokalen Verdrängung der Schaumstruktur im Einschraubbereich. Durch die Verwendung ei nes Dübels aus thermoplastischen Werkstoff kann durch eine Erweichung, insbesondere durch ein partielles Schmelzen, des Dübels dieser in die poröse Struktur des Schaums eindringen und dadurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung bewirken. Insbesondere kann es zu einer feinen Verästelung des plastisch verformten Dübels innerhalb der Schaumstruktur kommen, die einen Verzahnungseffekt zwischen dem Dübel und der Schaumstruktur erhöht. Ein derartiger Verzahnungseffekt wird bei herkömmlichen Dübeln in festen Strukturen durch eine einfache Klemmwirkung erzielt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Dübel aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet. Thermoplastische Kunststoffe sind heute in nahezu beliebiger Farbe, Dichte, Temperaturempfindlichkeit etc. kostengünstig und einfach herstellbar. Durch moderne Spritzgusstechnik lassen sich bei hohen Qualitätsanforderungen extrem niedrige Stückkosten erzielen, wodurch ein hoher Wettbewerbsvorteil erzielt werden kann.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist der Dübel so ausgebildet, dass die zur Verformung des Dübels erforderliche Verformungstemperatur beim Eindrehen der Schraube aufgrund der dabei auftretenden Reibungswärme auftritt. Der Dübel wird hierbei in ein in die Schaumstruktur vorgebohrtes Loch im wesentlichen passgenau eingesetzt und erweicht sich bzw. schmilzt partiell erst durch die beim Eindrehen der Schraube auftretende Reibungswärme. Dies bietet den Vorteil, dass bei der hergestellten Schraubverbindung der plastisch verformte Dübel einerseits kraft- bzw. formschlüssig in die Schaumstruktur eingedrungen ist und andererseits ebenso kraft- bzw. formschlüssig mit den Gewindegängen der Schraube verbunden ist. Durch moderne Schraubwerkzeuge können hohe Drehmomente in die Schraube eingeleitet werden und dadurch die für die Verformung erforderliche Verformungstemperatur leicht erzeugt werden. Insbesondere bietet diese Lösung den Vorteil, dass der zu setzende Dübel an einer beliebigen Stelle angeordnet werden kann, an der zuvor ein Loch in die Schaumstruktur eingebracht, beispielsweise gebohrt wurde.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Dübel so ausgebildet, dass die zur Verformung des Dübels erforderliche Verformungstemperatur beim Einpressen des Dübels in die Schaumstruktur auftritt. Wie in vorgenanntem Beispiel kann auch hier der Dübel an einer beliebigen, sofern zugänglichen, Stelle gesetzt werden und mittels eines geeigneten Werkzeugs in die Schaumstruktur gepresst werden. Der Pressdruck ist dabei so hoch, dass sich der Dübel plastisch verformt und eine kraft- bzw. formschlüssige Verbindung mit der Schaumstruktur eingeht. Die Schraube kann nachträglich in den bereits mit der Schaumstruktur verbundenen Dübel eingedreht werden, wobei durch das Eindrehen eine weitere lokale Verdichtung der Schaumstruktur im Bereich des Gewindes der Schraube auftritt und dadurch die Tragfähigkeit der Schraubverbindung zusätzlich erhöht werden kann. Dabei kann, sofern erforderlich, zunächst ein Setzloch in die Schaumstruktur gebohrt werden, in welche anschließend der Dübel eingepresst wird oder aber der Dübel wird direkt, d.h. ohne Vorbohren eines Loches, in die Schaumstruktur eingepresst.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Dübel in die Schaumstruktur eingeschäumt und so ausgebildet, dass die zur Verformung des Dübels erforderliche Verformungstemperatur beim Aufschäumen der Schaumstruktur auftritt. Bei dieser Ausführungsform ist im Vergleich zu den beiden vorher genannten ein nachträgliches Anordnen des Dübels nicht möglich, da das Setzen des Dübels und damit das Festlegen des Ortes der Schraubverbindung be reits beim Aufschäumen des Tragteils erfolgt. Das Einschäumen des Dübels in die Schaumstruktur und das plastische Verformen des Dübels während des Aufschäumvorgangs gewährleistet eine besonders innige und daher besonders tragfähige Verbindung zwischen Dübel und Schaumstruktur. Ähnlich wie bei den beiden vorhergenannten Varianten führt das Einschrauben in den Dübel zu einer lokalen Verdichtung der Schaumstruktur im Bereich des Gewindes der Schraube und damit zu einer besonders effektiven Verzahnung zwischen Schraube und Dübel bzw. Dübel und Schaumstruktur.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Tragteil aus Aluminium- oder aus Stahlschaum ausgebildet. Durch die Verwendung derartiger Schaumwerkstoffe kann ein im Vergleich zu einem Vollwerkstoff reduziertes Gewicht erreicht werden. Deshalb finden derartige metallische Schäume zunehmend, beispielsweise in der Bauwirtschaft oder im Automobilbau, Anwendung. Durch die poröse Struktur der Schaumwerkstoffe kann darüber hinaus eine Dämmeigenschaft im Vergleich zu einem Vollprofil gleichen Werkstoffs deutlich erhöht werden.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
  • 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.
    •
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Schraubverbindung.
  • Entsprechend 1 weist eine Schraubverbindung 1 zum Befestigen eines Anbauteils 2 an einem Tragteil 3 zumindest eine Schraube 4 und zumindest einen Dübel 5 auf. Hierbei ist das Tragteil 3 als poröse Schaumstruktur ausgebildet, wogegen das Anbauteil 2, beispielsweise ein Halterungselement, eine Voll-Struktur besitzen kann.
  • Im Tragteil 3 ist der im wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche des Tragteils 3 verlaufende Dübel 5 angeordnet. Der Dübel 5 besteht dabei aus einem thermoplastischen Werkstoff, vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, welcher bei hergestellter Schraubverbindung 1 plastisch in die Schaumstruktur des Tragteils 3 verformt und dadurch mit dieser kraft- und formschlüssig verbunden ist.
  • Um die kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen Dübel 5 und Schaumstruktur zu bewirken, wird der Dübel 5 bis zur erforderlichen Verformungstemperatur erwärmt, so dass er sich plastisch in die Hohlräume bzw. Poren der Schaumstruktur verformt und dadurch mit dieser verzahnt. Prinzipiell sind dabei mehrere unterschiedliche Verfahren zur Herstellung der kraft- bzw. formschlüssigen Verbindung zwischen Dübel 5 und Tragteil 3 denkbar. Im folgenden sollen exemplarisch vier davon näher erläutert werden:
    Bei einem ersten Verfahren wird die zur Verformung des thermoplastischen Dübels 5 erforderliche Verformungstemperatur beim Eindrehen der Schraube 4 in den Dübel 5 aufgrund der dabei auftretenden Reibungswärme erzeugt. Zuerst wird an der gewünschten Stelle ein Loch in die Schaumstruktur des Trag teils 3 gebohrt und der Dübel 5 im Ausgangszustand, d.h. mit einer im wesentlichen hohlzylinderartigen Form im gebohrten Loch im wesentlichen spielfrei versenkt. Anschließend wird die Schraube 4, deren Außendurchmesser im Bereich ihres Gewindes 6 größer ist als ein Innendurchmesser des Dübels 5 im Ausgangszustand oder größer ist als ein Außendurchmesser des Dübels 5 im Ausgangszustand oder größer ist als ein Innendurchmesser einer Bohrung in der Schaumstruktur zum Einsetzen des Dübels 5 im Ausgangszustand in den Dübel 5 eingedreht. Der ursprünglich hohlzylinderartige Dübel 5 (schraffierte Dübelschnittfläche im Ausgangszustand) verformt sich darauf hin entsprechend dem jeweiligen Gewinde 6 der Schraube 4 unter der durch die Drehbewegung eingetragenen Reibungswärme. Die Reibungswärme bewirkt zudem, dass sich der Dübel 5 in die Hohlräume der Schaumstruktur verformt und dadurch eine kraft- bzw. formschlüssige Verästelung 7 bzw. Verbindung mit dem Tragteil 3 erzeugt. Die Schraube 4 wird dabei zur Erzeugung der für die Verformung erforderlichen Verformungstemperatur mittels eines drehmomentsstarken Schraubers in den Dübel 5 eingeschraubt. Dabei kann die plastische Verformung des Dübels 5 je nach Höhe der durch die Reibung erzeugten Temperatur mehr oder weniger stark ausgeprägt sein und von einer geringen Verformung bis zu einer starken Verästelung 7 bei entsprechend hoher eingetragener Reibungswärme reichen.
  • Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung 1 wird die zur Verformung des thermoplastischen Dübels 5 erforderliche Verformungstemperatur beim Einpressen des Dübels 5 in die Schaumstruktur erzeugt. Hierbei ist denkbar, dass der Dübel 5 zunächst in seinem Ausgangszustand, d.h. mit einer im wesentlichen hohlzylinderartigen Gestalt, entweder in eine vorbereitete Ausnehmung im Tragteil 3 oder direkt in das Tragteil 3 eingepresst wird. Beim Einpressvorgang wird beispielsweise durch hohen Druck und/oder Reibungswärme die Verformungstemperatur des Dübels 5 erreicht bzw. überschritten und somit eine Verformung desselben in die poröse Schaumstruktur des Tragteils 3 bewirkt. Anschließend wird die Schraube 4 mittels eines Schraubers in dem bereits verformten Dübel 5 eingeschraubt. Alternativ ist auch denkbar, dass nach dem Verformen während des Einpressvorgangs beim Eindrehen der Schraube 4 nochmals eine Verformung aufgrund der durch das Eindrehen erzeugten Reibungswärme bewirkt wird. Somit ist jedes der beiden vorgestellten Verfahren separat voneinander anwendbar und darüber hinaus auch eine Kombination der beiden Verfahren vorstellbar.
  • Bei einem anderen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung 1 wird der Dübel 5 in die Schaumstruktur eingeschäumt und die zur Verformung des thermoplastischen Dübels 5 erforderliche Verformungstemperatur während des Aufschäumens der Schaumstruktur erzeugt. Im Unterschied zu den weiter oben beschriebenen Verfahren wird somit eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung des Dübels 5 mit der porösen Schaumstruktur des Tragteils 3 bereits während des Herstellungsprozesses des Tragteils 3 erzeugt. Anschließend kann die Schraube 4 mittels eines herkömmlichen Schraubers in den bereits mit dem Tragteil 3 verzahnten Dübel 5 eingedreht werden. Denkbar ist hierbei auch wiederum, dass die beim Eindrehen der Schraube 4 in den Dübel 5 eingetragene Reibungswärme zu einer erneuten Verformung führt und damit zu einer zusätzlichen Tragfähigkeitsteigerung des Dübels 5 genutzt werden kann.
  • Bei einer weiteren Verfahrensvariante ist denkbar, dass der Dübel 5 vor dem Einsetzen erwärmt wird und in weichem Zustand in das vorbereitete Loch eingesetzt wird. Anschließend erfolgt das Eindrehen der Schraube 4 und dadurch das Verformen des Dübels 5 in die Poren der Schaumstruktur.
  • Allen vier erläuterten Verfahren ist gemein, dass der Dübel 5 von einem Ausgangszustand bis zur Verformungstemperatur erwärmt bzw. erhitzt wird, welche beispielsweise über einem Erweichungspunkt und nahe einem Schmelzpunkt des thermoplastischen Dübels 5 liegen kann, so dass eine zahnartige und damit kraft- und formschlüssige Verbindung mit der porösen Hohlstruktur des Tragteils 3 geschaffen werden kann.
  • Als Schaumstrukturen für das Tragteil 3 kommen hierbei unter anderem metallische Schäume, wie beispielsweise Aluminium- oder Stahlschäume, sowie andere für den jeweiligen Anwendungszweck geeignete Schäume in Betracht. Denkbar ist auch, dass der Dübel 5 aus einem thermoplastischen Metall ausgebildet ist, welcher dann bezüglich des verwendeten Schaums des Tragteils 3 hinsichtlich einer möglichen Korrosionsneigung (Kontaktkorrosion) zwischen dem metallischen Dübel 5 und dem metallischen Schaum des Tragteils 3 abgestimmt werden muss.
  • Als verwendbare Schrauben 4 zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung 1 kommen handelsübliche Schrauben in Betracht, wobei ein Gewindeprofil der eingesetzten Schraube 4 beispielsweise halbkreisförmig oder halbelliptisch ausgebildet sein kann. Eine derartige eher stumpfe Ausbildung des Gewindes unterstützt eine intensive Verformung des Dübels 5 beim Einbringen der Schraube 4 und verhindert eine zu große Schneidwirkung des Gewindes 6, wodurch eine Durchtrennung des Dübels 5 und damit eine beträchtliche Reduzierung der Tragwirkung der Schraubverbindung 1 vermieden werden kann.
  • Zusammenfassend lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt charakterisieren: Die Erfindung sieht eine Schraubverbindung 1 mit zumindest einer Schraube 4 und zumindest einem Dübel 5 zum Befestigen eines Anbauteils 2 an einem Tragteil 3 vor. Das Tragteil 3 weist dabei eine Schaumstruktur auf, in welche sich der Dübel 5, welcher aus einem thermoplastischen Werkstoff ausgebildet ist, bei hergestellter Schraubverbindung 1 plastisch verformt und dadurch mit dieser kraft- bzw. formschlüssig verbunden ist.
  • Durch die Erwärmung bzw. Erhitzung des Dübels 5 bis zu dessen Verformungstemperatur wird dieser weich bzw. fließfähig und kann sich in diesem Zustand leicht in die Hohlräume der Schaumstruktur des Tragteils 3 verformen bzw. verästeln. Hierdurch wird eine effektive Verzahnung zwischen Dübel 5 und Schaumstruktur und damit eine gute Tragfähigkeit zwischen beiden erreicht.

Claims (11)

  1. Schraubverbindung (1) zum Befestigen eines Anbauteils (2) an einem Tragteil (3) mit zumindest einer Schraube (4) und zumindest einem Dübel (5), dadurch gekennzeichnet, – dass das Tragteil (3) eine Schaumstruktur aufweist, – dass der Dübel (5) aus einem thermoplastischen Werkstoff ausgebildet ist, welcher bei hergestellter Schraubverbindung (1) plastisch in die Schaumstruktur des Tragteils (3) verformt und dadurch mit dieser kraft- und formschlüssig verbunden ist.
  2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dübel (5) aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist.
  3. Schraubverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser der Schraube (4) im Bereich ihres Gewindes (6) größer ist als ein Innendurchmesser des Dübels (5) im Ausgangszustand oder größer ist als ein Außendurchmesser des Dübels (5) im Ausgangszustand oder größer ist als ein Innendurchmesser einer Bohrung in der Schaumstruktur zum Einsetzen des Dübels (5) im Ausgangszustand.
  4. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dübel (5) so ausgebildet ist, dass die zur Verformung des Dübels (5) erforderliche Verformungstemperatur beim Eindrehen der Schraube (4) aufgrund der dabei auftretenden Reibungswärme auftritt.
  5. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dübel (5) in die Schaumstruktur eingeschäumt und so ausgebildet ist, dass die zur Verformung des Dübels (5) erforderliche Verformungstemperatur beim Aufschäumen der Schaumstruktur auftritt.
  6. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dübel (5) so ausgebildet ist, dass die zur Verformung des Dübels (5) erforderliche Verformungstemperatur beim Einpressen des Dübels (5) in die Schaumstruktur auftritt.
  7. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragteil (3) aus Aluminium- oder aus Stahlschaum ausgebildet ist.
  8. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewindeprofil der Schraube (4) halbkreisförmig oder halbelliptisch ausgebildet ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zur Verformung des thermoplastischen Dübels (5) erforderliche Verformungstemperatur beim Eindrehen der Schraube (4) in den Dübel (5) aufgrund der dabei auftretenden Reibungswärme erzeugt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Dübel (5) in die Schaumstruktur eingeschäumt wird und die zur Verformung des thermoplastischen Dübels (5) erforderliche Verformungstemperatur beim Aufschäumen der Schaumstruktur erzeugt wird.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zur Verformung des thermoplastischen Dübels (5) erforderliche Verformungstemperatur beim Einpressen des Dübels (5) in die Schaumstruktur erzeugt wird.
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