DE102013001145A1

DE102013001145A1 - Heftnadel aus Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärken Kunststoff, für eine Verbindungsvorrichtung zum temporären Verbinden von wenigstens zwei vorzugsweise plattenartigen Teilen

Info

Publication number: DE102013001145A1
Application number: DE201310001145
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heftnadel aus Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, für eine Verbindungsvorrichtung zum temporären Verbinden von wenigstens zwei vorzugsweise plattenartigen Teilen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heftnadel (3) eine Armierung (1c, 1d, 4) aus einem Material höherer Festigkeit im Vergleich zum eingesetzten Kunststoff bzw. zum eingesetzten faserverstärkten Kunststoff aufweist, wobei das Material insbesondere ein Metall ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heftnadel aus Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff, für Verbindungsvorrichtungen zum temporären Verbinden von vorzugsweise plattenartigen Teilen, insbesondere zum Verbinden von zwei zu verklebenden und/oder zu vernietenden Teilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das bevorzugte Einsatzgebiet der Erfindung ist die Luft- und Raumfahrttechnik.
Eine bekannte Verbindungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Prinzips ist in DE 20 2010 015 746 beschrieben. Sie weist einen in einem Gehäuse drehfest gelagerten Führungskörper auf, dessen Führungselemente in Führungsöffnungen eines Nadelträgers eingreifen. Der Nadelträger trägt zwei zueinander beabstandete Nadeln mit endseitigen widerhakenförmigen Nadelspitzen. Eine Spreizung der Nadelspitzen erfolgt, wenn die zunächst über das Ende der mit dem Führungskörper verbundene Spreizzunge hinausragenden Nadelspitzen durch ein Antriebselement axial in das Gehäuse hinein verschoben werden. Hierzu weisen der Nadelträger und das Antriebselement ineinander greifende Schraubengewinde auf.
Die als Variante ebenfalls vorgeschlagenen Nadeln aus faserverstärktem Kunststoff sollen die notwendige Tragfähigkeit dadurch erreichen, dass der hakenförmige Bereich der Nadeln durch Umlegen des freien Endes des faserverstärkten Halbzeugs erzeugt wird, so dass die Kraft entlang der Fasern vom hakenförmigen Endbereich direkt in den Schaftbereich der Nadel eingeleitet werden kann. Nach dem Umlegen des freien Endes des für die Nadel vorgesehenen Halbzeugs erfolgt die endgültige Formgebung der Nadel durch Heißumformung.
Diese faserverstärkten Kunststoff-Nadeln weisen den Nachteil auf, dass deren Herstellung vergleichsweise aufwendig ist, insbesondere dadurch dass der endgültigen Konturgebung der Nadeln eine 90°- bis 180°-Umlegung des freien Endes vorausgehen muss. Darüber hinaus bleibt unklar, ob bei diesem Prozess ein nennenswerter Anteil der Langfasern geschädigt wird und so die Verbindung zwischen der Verspannfläche der Nadelspitze und dem Nadelschaft geschwächt wurde.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kunststoff-Heftnadel anzugeben, die einfach und mit gleichbleibender Qualität herstellbar ist und zugleich eine vergleichsweise hohe mechanische Belastbarkeit aufweist.
Die Problematik wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Heftnadel gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1. Demnach weist die Kunststoff-Heftnadel eine Armierung aus einem Material auf, das eine im Vergleich zum Kunststoff deutlich höhere Festigkeit besitzt. Sofern die Kunststoff-Heftnadel in ihrer Matrix bereits Fasern zur Verstärkung eingebettet enthält, soll das Material der Armierung auch die Festigkeit der eingebetteten Fasern deutlich übersteigen, das heißt das E-Modul soll wenigstens doppelt so groß sein.
Die erfindungsgemäße Armierung erstreckt sich über die gesamte Länge der Nadel. Zumindest an einem Ende der Heftnadel sollte die Armierung auch ein Formschlusselement ausbilden. Idealerweise bildet die Armierung aber beidseitig Formschlusselemente aus, nämlich im Bereich der hakenförmigen Spitze am freien Ende der Heftnadel und/oder zur Einbettung des fußseitigen Bereichs der Heftnadel in einen Träger. So kann eine gute Kraftübertragung gewährleistet werden.
Eine geeignete Armierung kann aus sehr unterschiedlichen Basismaterialien hergestellt werden. Grundlage können Gelege, Gewebe, Gestricke, Gewirke, Geflechte oder Vliese sein, die aus geeigneten Fasern, Fäden oder Drähten hergestellt und schließlich in einer Kunststoffmatrix eingebettet werden. Das so gebildete Halbzeug wird durch Heißumformung in die gewünschte Kontur der Heftnadel überführt, wobei auch die Armierung derart verformt wird, dass eine formschlüssige Einleitung der Verspannkraft möglich ist.
Zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Armierung kann auch eine Kombination aus unterschiedlichen Maschenwaren (Gewebe, Gestricke, Gewirke usw.) vorgesehen werden. Aber auch Streckmetalle, gelochte oder geschlitzte Blechstreifen oder dergleichen können die Grundlage einer Armierung bilden.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Armierung mit einer Kunststoffmatrix zu verbinden oder darin einzubetten, die selbst durch Fasern verstärkt wurde, z. B. mit Glas- oder Karbon-Fasern.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist eine Umhüllung oder Oberflächenbehandlung des Grundkörpers der Heftnadel vorgesehen, die geeignet ist, einer Verbindung mit den zu erwartenden Kontaminations-Materialien (insb. Klebstoffen) entgegenzuwirken. Eine derartige Maßnahme schafft die Voraussetzung, dass die Heftnadeln in einfacher Weise von Klebstoff befreit werden können, so dass eine Mehrfachverwendung der Heftnadeln sichergestellt ist. Dies führt zu einer erheblichen Senkung der Kosten.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Heftnadel anhand von Ausführungsbeispielen und den dargestellten Figuren näher erläutert. Um eine umfangreiche und ausführliche Erklärung des Aufbaus und der Wirkungsweise der zugehörigen anderen mechanischen Teile der Verbindungsvorrichtung zu vermeiden, werden ausdrücklich die Offenbarungen der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 015 746 und der deutschen Patentanmeldung DE 10 2011 108 624 zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht. Die erfindungsgemäße Heftnadel kann aber auch in Kombination mit anderen Verbindungsvorrichtungen zum Einsatz kommen.
Es zeigen:
1 Heftnadel mit einer Kombination von randseitigen Armierungen und einer inneren faserverstärkten Kunststoffmatrix
1a Fußseitiger Formschlussbereich der Heftnadel
1b Fußseitiger Formschlussbereich der Heftnadel
1c Fußseitiger Formschlussbereich der Heftnadel
2 Heftnadel mit einer zentralen Armierung aus einem Blechstreifen
3 Heftnadel mit einer Armierung aus einem Fließpressteil
4a Streifen aus Streckmetall
4b Streifen aus Streckmetall mit umgelegten freien Ende
5 Heftnadel mit Armierung aus Streckmetall und Anbindung an einen Heftnadelträger
6 Ansicht eines Querschnitts der Heftnadel
1 zeigt eine Heftnadel 3 im Längsschnitt, die unter Verwendung randseitig angeordneter Armierung 1c, 1d und einer zentralen faserverstärkten Kunststoffmatrix erzeugt wurde, z. B. auf der Basis eines streifenförmigen und sandwichartig geschichteten Halbzeugs. Ein solches, insbesondere plattenförmiges Halbzeug kann hergestellt werden, indem auf eine erste Lage 301 aus Kunststoff das erste Armierungselement 1c aufgelegt wird. Darauf wird die zentrale Kunststoffmatrix mit den darin eingebetteten Fasern 1a, 1b gelegt, wobei die Fasern 1a, 1d beispielsweise in Form eines Geleges, Gewebes, Gewirkes oder Vlieses angeordnet sein können. Natürlich kann die Kunststoffmatrix auch ungeordnete Faserstücke aufweisen oder gänzlich faserfrei sein. Vervollständigt wird das symmetrisch aufgebaute Halbzeug durch eine Lage des zweiten Armierungselements 1d und eine zweite Lage 302 aus Kunststoff.
Die beschriebenen Lagen werden unter Einwirkung von Wärme miteinander verbacken oder miteinander verklebt oder vergossen oder dergleichen, wobei das Material der äußeren Lagen 301, 302 die Eigenschaft aufweisen sollte, eine Verbindung mit den zu erwartenden Kontaminations-Materialien (insb. Klebstoffen) nicht oder nur schlecht einzugehen. Polypropylen (PP) weist im Wesentlichen die gewünschten Eigenschaften auf. Hierdurch würde die Voraussetzung für eine einfache Reinigung der Heftnadeln und deren Mehrfachverwendung geschaffen.
Als Ausgangsmaterial für die Armierungen 1c, 1d kommen Geflechte, Gewirke oder Gewebe aus Stahldraht oder hochfesten Fasern (z. B. Karbon) in Frage, aber auch hinreichend formbare Blechstreifen oder Streckmetall sind hierfür einsetzbar. Die hierfür notwendigen Halbzeuge können auch plattenartigen Tafeln ausgestanzt oder ausgeschnitten werden. Es ist jedoch auch möglich, stab- oder rohrförmige Halbzeuge durch Strangziehen, Strangpressen oder durch Pulltrusion zu erzeugen.
Varianten fußseitiger Formschlussbereiche mit zur Achse Z abgewinkelten Enden zeigen die 1a bis 1c. Demnach kann das Halbzeug am fußseitigen Ende mittig geteilt und im Wesentlichen rechtwinklig oder spitzwinklig abgespreizte Formschlusselemente 36a, 36b bzw. 38a, 38b aufweisen. Aber auch einseitig abgewinkelte Formschlusselemente 37 sind geeignet, einen guten Halt in einem Heftnadel-Träger (nicht dargestellt) zu gewährleisten.
Die Heftnadel 3 gemäß 2 weist mittig eine Armierung 4 auf, die beispielsweise aus einem Streifen Streckmetall oder Blech geformt wurde. Die Armierung 4 bildet am Kopf 31 ein hakenförmiges Ende 41 aus und ist in Bereich des Schaftes 30, 40 beidseitig sandwichartig von einer mit Fasern 1a, 1b verstärkten Kunststoffmatrix eingeschlossen. Die Kunststoffmatrix (z. B. auf Basis von Polypropylen) weist bezüglich des verwendeten Klebstoffs keine guten Bindungseigenschaften auf, um eine einfache Reinigung der Heftnadeln 3 zu gewährleisten. Gegebenenfalls kann die Oberfläche der Kunststoffmatrix auch durch eine chemische oder physikalische Behandlung mit den gewünschten Eigenschaften ausgestattet werden.
Die in 3 dargestellte Heftnadel 3 besitzt eine nahe dem äußeren Rand angeordnete Armierung 4, die durch Kaltfließpressen erzeugt wurde. Im Bereich des Kopfes 31 ist ein hakenförmiges Widerlager 41 und fußseitig ein Formschlussbereich 32 zur Einbettung in einen Heftnadel-Träger ausgebildet. An der Rückseite des Heftnadel 3 sind im Bereich des Kopfes 31 Konturen 31a, 31b angeformt, die im Zusammenwirken mit den Gegenkonturen einer weiteren (nicht dargestellten) Heftnadel ein Spreizen der Heftnadeln bewirken, wenn diese axial auf ein gleiches Niveau verschoben werden.
Die 4a bis 6 zeigen schematisch einige Schritte zur Ausbildung einer Heftnadel mit einer Armierung aus Streckmetall. Ausgangselement ist ein Streckmetall-Streifen 4 mit den typischen von den Metallstegen 1 umschlossenen Freiräumen 2. Durch Umlegen eines Endes des Streckmetall-Streifens 4 wird die Grundlage für einen hakenförmigen Kopf 41 gebildet, der einstückig mit dem Schaft 40 der Heftnadel 3 verbunden ist.
Anschließend wird das gemäß 4b vorgefertigte Material mit einer in Achsrichtung Z verlaufenden kreissegmentförmigen Wölbung (siehe auch 6) versehen, wodurch der Schaft 40 deutlich an Biegesteifigkeit gewinnt. Durch die Freiräume 2 im Streckmetall gelingt in einfacher Weise ein formschlüssiges Einspritzen der Heftnadel 3 in den Nadelträger 5. Der besseren Anschaulichkeit wegen wurde in 5 die Einbettung der Streckmetall-Armierung 4 in eine Kunststoffmatrix mit dargestellt.
Die Schnittansicht von 6 zeigt den gewölbten Querschnitt des Schaftes 40 und den diesen übergreifenden Randbereich des Kopfes 41, der Bestandteil der Stützfläche sein wird, die einem der zu verspannenden Teile zugeordnet ist
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202010015746 [0002, 0012]
DE 102011108624 [0012]

Claims

Heftnadel aus Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff für eine Verbindungsvorrichtung zum temporären Verbinden von wenigstens zwei vorzugsweise plattenartigen Teilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heftnadel (3) eine Armierung (1c, 1d, 4) aus einem Material höherer Festigkeit im Vergleich zum eingesetzten Kunststoff bzw. zum eingesetzten faserverstärkten Kunststoff aufweist, wobei das Material insbesondere ein Metall ist.
Heftnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Armierung (1c, 1d, 4) über die gesamte Länge der Heftnadel (3) erstreckt und zumindest an einem Ende ein Formschlusselement (41, 42) ausbildet, und zwar entweder zur Ausbildung einer hakenförmigen Spitze (41) am freien Ende der Heftnadel (3) und/oder zur Einbettung des fußseitigen Bereichs (42) der Heftnadel (3) in einen Träger.
Heftnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung (1c, 1d) von einem Gelege, Gewebe, Gestrick, Gewirk, Geflecht, Vlies, Drähten oder Litzen oder dergleichen, oder einer Kombination dessen gebildet ist, wobei die Armierung vorzugsweise in die Kunststoffmatrix der Heftnadel (3) eingebettet ist.
Heftnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung (40) von einem Streckmetall, einem gelochten oder geschlitzten Blechstreifen oder dergleichen gebildet ist, wobei die Armierung vorzugsweise in die Kunststoffmatrix der Heftnadel (3) eingebettet ist.
Heftnadel nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung selbst Bestandteil eines aus Kunststoff gefertigten Halbzeugs ist, aus dem die Heftnadel (3) durch Heißumformung gebildet ist.
Heftnadel nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umhüllung oder Oberflächenbehandlung des Grundkörpers der Heftnadel (3) vorgesehen ist, die geeignet ist, einer Verbindung mit den zu erwartenden Kontaminations-Materialien (insb. Klebstoffen) entgegenzuwirken.