DE102013110076A1 - Verbindungselement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (4) zur Verstärkung einer klemmenden Verbindung eines ersten Bauteils (1) aus einem Faserverbundwerkstoff und eines zweiten Bauteils (2). Das Verbindungselement (4) ist scheibenförmig ausgestaltet. Das Verbindungselement (4) ist aus einem thermoplastischen Material hergestellt. An einer Oberseite (5) des Verbindungselements (4) ist eine Mikrozahnung (6) ausgebildet. An einer Unterseite des Verbindungselements (4) ist eine Mikrozahnung (6) ausgebildet. Bei dem thermoplastischen Material handelt es sich um einen thermoplastischen Kunststoff. Zahnelemente (7) der Mikrozahnung (6) sind pyramidenförmig ausgestaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zur Verstärkung einer klemmenden Verbindung eines ersten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff und eines zweiten Bauteils.
  • Zur Verbindung eines ersten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff und eines zweiten Bauteils, das beispielsweise aus Metall, Holz, Kunststoff oder aber auch ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sein kann, sind formschlüssige Verbindungen zum Beispiel unter Verwendung eines in Bohrungen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils angeordneten Bolzens bekannt. Um eine ausreichende Festigkeit des ersten Bauteils in einem Bereich der Bohrung zu ermöglichen und von einem in der Bohrung angeordneten Formschlusselement auf einen Rand der Bohrung wirkende Kräfte wirkungsvoll und ohne Beschädigung des ersten Bauteils auf das erste Bauteil übertragen zu können, ist es erforderlich, den Rand des ersten Bauteils mit geeigneten Zusatzelementen zu verstärken. Die Herstellung einer solchen entsprechend verstärkten Bohrung ist besonders aufwändig und daher kostenintensiv.
  • Klemmende bzw. kraftschlüssige Verbindungen zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil können beispielsweise durch geeignete Schraubverbindungen oder Pressverbände hergestellt werden. Über solche kraftschlüssigen Verbindungen können jedoch nur geringe Kräfte zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil übertragen werden, da zum einen nur eine vergleichsweise geringe Vorspannkraft verwendet werden kann, um das erste Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff nicht zu beschädigen, und zum anderen, da Faserverbundwerkstoffe eine vergleichsweise geringe Haftreibung aufweisen.
  • Darüber hinaus ist nicht ohne weiteres sichergestellt, dass Fasern des Faserverbundwerkstoffs in Richtung der durch die klemmende Verbindung hervorgerufenen Kräfte verlaufen, so dass diese Kräfte über eine Matrix des Faserverbundwerkstoffs übertragen werden müssen. Bei der Matrix handelt es sich üblicherweise um einen Kunststoff, in den die Fasern eingebettet sind. Die Matrix weist oftmals im Gegensatz zu den Fasern eine vergleichsweise hohe Duktilität und geringe Steifigkeit und Festigkeiten auf, so dass bei hohen Längszug-, bzw. Längsdruckkräften oder Querdruckkräften in Verbindung mit einem nachteiligen Faserverlauf bereits früh auftretende Beschädigungen des ersten Bauteils kaum zu vermeiden sind.
  • Es ist bekannt, durch eine vorgegebene Anordnung, Ausrichtung und Einbettung der einzelnen Fasern in die Matrix die Festigkeit des Bauteils aus Faserverbundwerkstoffen entweder bei einer formschlüssigen Verbindung im Bereich um eine Bohrung oder Aussparung oder bei einer kraftschlüssigen Verbindung im Bereich der Kontaktfläche gezielt zu verbessern und zu erhöhen. Der hierfür notwendige Herstellungs- und Bearbeitungsaufwand ist jedoch beachtlich.
  • Als Aufgabe der Erfindung wird es daher angesehen, ein Verbindungselement bereitzustellen, mit dem eine klemmende Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil hergestellt werden kann, über die ausreichend große Kräfte zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil übertragen werden können, die kostengünstig herstellbar ist und durch die eine ungewollte Beschädigung des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbindungselement zur Verstärkung einer klemmenden Verbindung eines ersten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff und eines zweiten Bauteils gelöst, wobei das Verbindungselement scheibenförmig ausgestaltet ist, wobei das Verbindungselement aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist und wobei an einer Oberseite des Verbindungselements eine Mikrozahnung ausgebildet ist. Als Mikrozahnung wird eine gezielt an dem Verbindungselement angeformte Oberflächenrauigkeit bis zu einer gemittelten Rautiefe von 1000 µm verstanden.
  • Das Verbindungselement wird zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil positioniert, wobei die Oberseite des Verbindungselements an dem ersten Bauteil anliegt. Anschließend werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil zusammengepresst, so dass die an der Oberseite des Verbindungselements ausgebildete Mikrozahnung in das erste Bauteil eindringt. Auf diese Weise wird eine vergleichsweise große Haftung zwischen dem Verbindungselement und dem ersten Bauteil erreicht.
  • Zudem weist das scheibenförmige Verbindungselement vorteilhafterweise eine ausreichend große Oberfläche auf, so dass die zwischen dem ersten Bauteil über das Verbindungselement und dem zweiten Bauteil übertragenen Kräfte großflächig auf die Matrix des ersten Bauteils wirken und auf diese Weise eine ungewollte Beschädigung des ersten Bauteils vermieden wird.
  • Dadurch dass das Verbindungselement aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist, kann das Verbindungselement besonders einfach und kostengünstig beispielsweise durch Spritzgießen, Prägen oder Pressen hergestellt werden.
  • Um eine klemmende Verbindung zwischen dem ersten Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff und einem zweiten Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an einer Unterseite des Verbindungselements eine Mikrozahnung ausgebildet ist. Durch eine solche beidseitig an dem Verbindungselement angeordnete Mikrozahnung wird eine Haftung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil wesentlich erhöht, so dass auch vergleichsweise große Kräfte über die klemmende Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil übertragen werden können.
  • Auf diese Weise können zudem auch Relaxationsvorgänge in Kauf genommen werden, die nach einem Zusammenpressen des Verbindungselements zwischen den Bauteilen zu einer geringfügigen Verformung der aneinandergepressten Bereiche führen. Da sich in Folge derartiger Verformungen die Mikroverzahnung der mit einer Mikrozahnung versehenen Bereiche verstärkt, kann dadurch oftmals ein durch die Relaxationsvorgänge bewirkter Vorspannkraftverlust zumindest teilweise kompensiert werden.
  • Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass es sich bei dem thermoplastischen Material um einen thermoplastischen Kunststoff handelt. Verbindungselemente aus thermoplastischem Kunststoff lassen sich besonders einfach und kostengünstig herstellen.
  • Um eine Härte des Verbindungselements zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das thermoplastische Material Füllpartikel aus einem Hartstoff aufweist. Bei dem Hartstoff kann es sich beispielsweise um mineralische Füllstoffe, Metalle oder Nanopartikel handeln.
  • Um die Härte des thermoplastischen Materials weiter zu erhöhen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das thermoplastische Material eine Faserfüllung aufweist. Bei der Faserfüllung kann es sich erfindungsgemäß um Kohlenstofffasern oder Glasfasern handeln. Die Faserfüllung kann alternativ zu den Füllpartikeln oder ergänzend zu den Füllpartikeln in dem thermoplastischen Material vorgesehen sein.
  • Die Hartstoffpartikel können erfindungsgemäß so ausgestaltet sein, dass eine Geometrie der Mikrozahnung durch die Hartstoffpartikel vorgegeben ist.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungselements ist vorgesehen, dass die Mikrozahnung pyramidenförmige Zahnelemente aufweist.
  • Eine Kontur der Zahnelemente kann vorteilhafterweise durch die Hartstoffpartikel oder durch die eingebetteten Fasern vorgegeben sein.
  • Um eine Beschädigung des ersten Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff und/oder des zweiten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Zahnhöhe der Mikrozahnung in einem mittleren Bereich des Verbindungselements größer ist als in einem äußeren Bereich des Verbindungselements. Auf diese Weise nehmen die von dem Verbindungselement auf das erste Bauteil bzw. das zweite Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff von dem mittleren Bereich hin zu dem äußeren Bereich des Verbindungselements ab, so dass verhältnismäßig große Gradienten in dem Kraftübertragungsverlauf vermieden werden. Auf diese Weise kann eine durch eine sprunghafte Veränderung in dem Kraftübertragungsverlauf hervorgerufene Beschädigung des ersten Bauteils oder des zweiten Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff wirkungsvoll vermieden werden.
  • Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zahnhöhe von dem mittleren Bereich zu dem äußeren Bereich kontinuierlich abnimmt. Auf diese werden sprunghafte Veränderungen des Kraftübertragungsverlaufs zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Bereich vollständig vermieden.
  • Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Zahnhöhe von dem mittleren Bereich zu einem äußeren Rand des Verbindungselements kontinuierlich bis auf null abnimmt. Auf diese Weise können sprunghafte Veränderungen in dem Kraftübertragungsverlauf auch an dem äußeren Rand des Verbindungselements vollständig vermieden werden.
  • Die Zahnhöhen der Mikroverzahnungen auf der Unterseite und der Oberseite eines Verbindungselements können auch ungleich hoch ausgeführt sein. Auf diese Weise kann die jeweilige Zahnhöhe auf eine Härte der jeweils zu verbindenden Bauteile abgestimmt werden.
  • Um die über das Verbindungselement übertragenen Kräfte gezielt vorgeben zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Zahnelemente der Mikrozahnung gleichmäßig auf der Oberseite und/oder der Unterseite verteilt sind.
  • Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Verbindungselement eine Dicke zwischen 0,25 mm und 10 mmm, vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,5 mm und 5 mm und besonders vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm aufweist. Auf diese Weise kann eine Spalthöhe eines Spalts zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil durch das Verbindungselement vorgegeben werden, wobei in dem Spalt vorteilhafterweise eine Klebeschicht angeordnet ist.
  • Zur Herstellung einer klemmenden Verbindung mit Hilfe einer Schraube ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verbindungselement eine Bohrung zur Aufnahme einer Schraube oder dergleichen aufweist.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verbindungselements ist vorgesehen, dass das Verbindungselement ringförmig oder quadratisch ausgestaltet ist. Auf diese Weise kann das Verbindungselement an einen Verspannungskegel der miteinander zu verbindenden Bauteile angepasst werden. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, das Verbindungselement polygonal auszugestalten.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbindungselements werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 eine schematisch dargestellte Ansicht eines ersten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff und eines zweiten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoffs die durch eine Schraubverbindung klemmend miteinander verbunden sind,
  • 2a eine schematisch dargestellte Draufsicht auf ein zweites Bauteil mit einem ringförmigen Verbindungselement,
  • 2b eine schematisch dargestellte Draufsicht auf ein zweites Bauteil mit einem quadratischen Verbindungselement, wobei das Verbindungselement eine Bohrung aufweist, und
  • 2c eine schematisch dargestellte Draufsicht auf ein zweites Bauteil mit einem quadratisch ausgestalteten Verbindungselement, wobei das quadratisch ausgestaltete Verbindungselement vier Bohrungen aufweist.
  • 1 zeigt eine schematisch dargestellte Ansicht eines ersten Bauteils 1 und eines zweiten Bauteils 2, die durch eine Schraubverbindung 3 klemmend miteinander verbunden sind. Das erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 sind jeweils aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt.
  • Zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 ist ein Verbindungselement 4 angeordnet. Das Verbindungselement 4 ist scheibenförmig ausgestaltet und aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt.
  • Durch die Schraubverbindung 3 wird lediglich eine ausreichend hohe Klemmkraft erzeugt, um die beiden Bauteile 1 und 2 aneinander zu pressen und die kraftschlüssige Verbindung zu gewährleisten. Die Schraubverbindung 3 muss die beiden Bauteile 1 und 2 nicht formschlüssig aneinander festlegen, so dass eine übermäßige Beanspruchung von Randbereichen der die Schraubverbindung 3 aufnehmenden und in 1 nicht sichtbaren Bohrungen in den beiden Bauteilen 1 und 2 vermieden werden kann.
  • In 1 ist auch eine schematisch dargestellte ausschnittsweise vergrößerte Ansicht einer Oberseite 5 des Verbindungselements 4 dargestellt. An der Oberseite 5 ist eine Mikrozahnung 6 ausgebildet. Zahnelemente 7 der Mikrozahnung 6 sind pyramidenförmig ausgestaltet.
  • Bei dem thermoplastischen Material handelt es sich um thermoplastischen Kunststoff, der zur Erhöhung der Härte Füllpartikel aus einem Hartstoff aufweist.
  • Pfeile 8 kennzeichnen die Richtung der Kräfte, die üblicherweise auf das erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 wirken und über das Verbindungselement 4 übertragen werden müssen.
  • 2a zeigt eine schematisch dargestellte Draufsicht auf ein zweites Bauteil 2 und ein auf dem zweiten Bauteil 2 angeordnetes ringförmiges Verbindungselement 4. Das ringförmige Verbindungselement 4 weist eine Bohrung 9 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Schraube oder dergleichen auf. Auf einer Oberseite 5 des Verbindungselements 4 ist eine Mikrozahnung 6 ausgebildet, wobei eine Zahnhöhe der Mikrozahnung 6 in einem mittleren Bereich 10 des Verbindungselements 4 größer ist als eine Zahnhöhe in einem äußeren Bereich 11 des Verbindungselements 4.
  • In 2b und 2c ist jeweils schematisch eine Draufsicht auf ein zweites Bauteil 2 dargestellt, wobei auf dem zweiten Bauteil 2 jeweils ein quadratisch ausgestaltetes Verbindungselement 4 angeordnet ist. Das in 2b dargestellte quadratische Verbindungselement 4 weist eine Bohrung 9 und das in 2c dargestellte Verbindungselement 4 weist vier Bohrungen 9 zur Aufnahme von vier Schrauben oder dergleichen auf.

Claims (12)

  1. Verbindungselement (4) zur Verstärkung einer klemmenden Verbindung eines ersten Bauteils (1) aus einem Faserverbundwerkstoff und eines zweiten Bauteils (2), wobei das Verbindungselement (4) scheibenförmig ausgestaltet ist, wobei das Verbindungselement (4) aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist und wobei an einer Oberseite (5) des Verbindungselements (4) eine Mikrozahnung (6) ausgebildet ist.
  2. Verbindungselement (4) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unterseite des Verbindungselements eine Mikrozahnung (6) ausgebildet ist.
  3. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem thermoplastischen Material um einen thermoplastischen Kunststoff handelt.
  4. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material Füllpartikel aus einem Hartstoff aufweist.
  5. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material eine Faserfüllung aufweist.
  6. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zahnelemente (7) der Mikrozahnung (6) pyramidenförmig ausgestaltet sind.
  7. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zahnhöhe der Mikrozahnung (6) in einem mittleren Bereich (10) des Verbindungselements (4) größer ist als in einem äußeren Bereich (11) des Verbindungselements (4).
  8. Verbindungselement (4) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnhöhe von dem mittleren Bereich (10) zu dem äußeren Bereich (11) kontinuierlich abnimmt.
  9. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnelemente (7) der Mikrozahnung (6) gleichmäßig auf der Oberseite (5) und/oder der Unterseite verteilt sind,
  10. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4) eine Dicke zwischen 0,25 mm und 10 mm, vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,5 mm und 5 mm und besonders vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm aufweist.
  11. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4) eine Bohrung (9) zur Aufnahme einer Schraube oder dergleichen aufweist.
  12. Verbindungselement (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4) ringförmig oder quadratisch ausgestaltet ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113211291A (zh) * 2021-05-06 2021-08-06 东南大学 一种增材制造高温合金内流道的抛光装置及方法

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