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Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement zur reibungsbasierten, vorzugsweise stoffschlüssigen, Befestigung in einem Bauteil, umfassend einen Kopf, einen Schaft und eine Spitze, wobei das Befestigungselement einen thermoplastischen Kunststoff, der sich bei einem Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil teilweise reibungsbedingt erwärmt und erweicht und sich zur Ausbildung der Befestigung teilweise verformt, umfasst. Das erfindungsgemäße Befestigungselement dient insbesondere zum Befestigen in Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff, diese sind aufgrund des günstigen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht ein wesentlicher Erfolgsfaktor bei der Realisierung hochbelastbarer Strukturen in Leichtbauweise.
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Derartige Bauteile finden beispielsweise Anwendung im Flugzeugbau und halten in letzter Zeit auch Eingang im Bereich des Kraftfahrzeugbaus.
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Der Begriff faserverstärkter Kunststoff im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei weit zu verstehen. Darunter ist ein Werkstoff zu verstehen, der eine Matrix, die aus einem Duroplast oder einem thermoplastischen Kunststoff bestehen kann, umfasst. In dieser Matrix sind Fasern eingebettet, diese Fasern können einzelne Fasern, Fasergewebe und/oder Fasergelege sein. Häufig bestehen diese Fasern aus Kohlenstoff (CFK), Glas oder Aramid.
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Die Anordnung und Ausrichtung der Fasern innerhalb der Matrix kann dabei die Eigenschaften des Materials beeinflussen. Ist die Matrix aus einem thermoplastischen Material gebildet, so können die Bauteile durch Warmumformen formgebend bearbeitet werden.
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Insbesondere bei Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff, die Kohlenstofffasern umfassen, stellt sich das Problem, dass metallische Befestigungselemente, die in derartige Bauteile eingebracht und in diesen befestigt werden, unter heftiger Kontaktkorrosion leiden und zwar aufgrund der elektrochemischen Eigenschaften von Graphit und dessen Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe. Die auftretende Kontaktkorrosion kann metallische Komponenten rasch funktionsbeeinträchtigend beschädigen. In Bauteilen, die Kohlenstofffasern umfassen, können daher nicht oder nur in unvorteilhafter Weise bspw. Schrauben oder Niete aus Stahl oder Aluminium befestigt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement zu schaffen, das in einfacher Weise zum, vorzugsweise stoffschlüssigen, Befestigen in Bauteilen, insbesondere Kohlenstofffaserhaltigen Bauteilen verwendet werden kann, dabei kostengünstig ist und sicher in dem Bauteil befestigt werden kann.
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Unter Befestigung in dem Bauteil ist dabei vorliegend zu verstehen, dass das Befestigungselement in das Bauteil eingebracht wird, sich also wenigstens teilweise in das Bauteil hinein oder durch dieses hindurch erstreckt. Unter stoffschlüssig ist zu verstehen, dass das Befestigungselement im befestigten Zustand in stoffschlüssiger Verbindung mit dem Bauteil steht. Eine stoffschlüssige Verbindung ist zwar wünschenswert erfolgt jedoch nicht immer. Ob eine stoffschlüssige Verbindung auftritt hängt maßgeblich von den Eigenschaften des Materials des Befestigungselements und des Bauteils ab. Umfassen beispielsweise sowohl das Befestigungselement als auch das Bauteil einen thermoplastischen Kunststoff, der beim Einbringen aufschmilzt und sind die beiden Kunststoffe mischbar, so kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Auch wenn das Bauteil aus einem duroplastischen Werkstoff besteht kann es zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommen. Dies ist dann der Fall, wenn der duroplastische Werkstoff des Bauteils durch den aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoff des Befestigungselements benetzt werden kann und es beim Erstarren der Schmelze zu einer Verbindung der Werkstoffe untereinander auf molekularer- oder atomarer Ebene kommt.
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Eine Befestigung im vorliegenden Sinne wird jedoch auch erreicht, wenn sich der thermoplastische Kunststoff beim Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil teilweise reibungsbedingt erwärmt und erweicht und sich zur Ausbildung der Befestigung teilweise verformt. Vorzugsweise wird dabei ein formschlüssiger Hintergriff des thermoplastischen Kunststoffs mit dem Material des Bauteils ausgebildet. Der thermoplastische Kunststoff muss dabei nicht zwangsläufig schmelzen, was jedoch bevorzugt ist, es genügt auch ein Erweichen. Durch das erwärmungsbasierte Erweichen kann sich das Befestigungselement verformen und eine kraftschlüssige, formschlüssige und/oder stoffschlüssige Befestigung kann sich mit dem Bauteil ausbilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Befestigungselement nach Anspruch 1 gelöst. Das Befestigungselement zeichnet sich dadurch aus, dass an der Spitze eine schneidenartige Eindringeinrichtung angeordnet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Befestigungselement ist es möglich, dieses ohne vorheriges Einbringen eines Lochs zur Aufnahme des Befestigungselements in das Bauteil einzubringen und in diesem zu befestigen. Das Einbringen und Befestigen erfolgt dabei über ein Fügeverfahren, wobei das Befestigungselement in Rotation versetzt wird und gegen das Bauteil angedrückt wird. Durch die Rotation und den Anpressdruck entsteht Reibung, die zu Wärmeentwicklung führt, wodurch wiederum das Material des Befestigungselements erwärmt und teilweise erweicht und/oder aufgeschmolzen.
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Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Befestigungselement auch zum Fügen eines Bauteils mit einem weiteren Bauteil verwendet werden, wobei in keines der Bauteile vor dem Fügen ein Loch zur Aufnahme des Befestigungselements eingebracht werden muss.
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Wird das erfindungsgemäße Befestigungselement in einem einzigen Bauteil befestigt, so kann es beispielsweise als "Ankerpunkt" für eine metallische Schraube dienen. Damit ist gemeint, dass das erfindungsgemäße Befestigungselement beispielsweise in eine Platte aus einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff eingebracht werden kann und in dieser befestigt ist. In das in der Platte, die mit Kohlenstofffasern durchsetzt ist, befestigte Befestigungselement kann dann bspw. eine metallische Schraube oder auch ein anderes Bauelement aus Metall eingebracht werden kann. Das erfindungsgemäße Befestigungselement ummantelt die metallische Schraube, so dass diese nicht mit den in dem Bauteil befindlichen Kohlenstofffasern in Kontakt kommt. Es tritt dann also keine Kontaktkorrosion auf. Das Befestigungselement bildet einen Ankerpunkt für die metallische Schraube.
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Beim rotierenden Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil wird Reibung zwischen dem Bauteil und dem Befestigungselement erzeugt. Die Reibung entsteht dort, wo die schneidenartige Eindringeinrichtung in das Bauteil eindringt, aber auch im Bereich des Schaftes zwischen Bohrung und Befestigungselement. Durch die Reibung wird Wärme erzeugt, die den thermoplastischen Kunststoff des Befestigungselements erhitzt und diesen zum Erweichen, vorzugsweise zum Schmelzen, bringt. Gleichzeitig bleibt das Befestigungselement im Inneren so fest, dass das Befestigungselement den Raum, den es benötigt, in einem Setzvorgang (durch Aufbringung einer ausreichenden Axialkraft in Richtung einer Längsachse eines Befestigungselements) selbst erzeugt.
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Die an dem erfindungsgemäßen Befestigungselement vorgesehene schneidenartige Eindringeinrichtung unterstützt dabei das Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil, mit anderen Worten die schneidenartige Eindringeinrichtung verbessert bzw. ermöglicht die Bildung eines Lochs in dem Bauteil in dem das Befestigungselement schließlich eingebracht ist. Bspw. kann das Befestigungselement an vorgegebener Stelle selbst, also ohne ein Vorbohren, in das Bauteil eindringen.
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Nachdem das Befestigungselement in dem Bauteil seine Endposition erreicht hat, erstarrt der erweichte bzw. aufgeschmolzene Teil des Materials des Befestigungselements und bildet eine Verbindung mit dem Bauteil, beziehungsweise wenn zwei Bauteile aneinander zu fügen sind, mit beiden Bauteilen. Die Verbindung kann dabei kraft-, form- und/oder stoffschlüssig sein. Nach dem Abkühlen entsteht an der Stelle, an welchem das Befestigungselement in das Bauteil bzw. die Bauteile eingebracht wurde, eine belastbare nicht metallische Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Bauteil beziehungsweise zwischen dem Befestigungselement und den beiden zu fügenden Bauteilen.
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Zum Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil wird dieses mit der Spitze gegen das Bauteil gedrückt und in Rotation versetzt. Zusätzlich zu der Rotation kann eine Anpresskraft in Richtung der Längsachse des Befestigungselements ausgeübt werden, so dass das Befestigungselement bei kontrolliertem Vorschub entlang der Längsachse und Rotation um seine Längsachse in das Bauteil beziehungsweise die zu fügenden Bauteile eingebracht wird.
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Die schneidenartige Eindringeinrichtung kann jedoch auch derart ausgebildet sein, dass sich das Befestigungselement bei Rotation von selbst in das Bauteil zieht, dass also eine Anpresskraft entfallen kann bzw. sehr gering oder unkontrolliert aufgebracht werden kann und das Befestigungselement dennoch in das Material des Bauteils eindringt.
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Die schneidenartige Eindringeinrichtung an der Spitze des Befestigungselements bewirkt, dass das Befestigungselement das Material des Bauteils beim Eindringen in dieses in vorteilhafter Weise verdrängen kann, vorzugsweise ist die Eindringeinrichtung derart ausgebildet, dass sie Material des Bauteils beziehungsweise der Bauteile abtragen kann und sich z.B. quasi in das Material des Bauteils beziehungsweise der Bauteile bohren kann. Prozessparameter wie die Rotationsgeschwindigkeit und der Vorschub des Befestigungselements beim Einbringen können dabei auf die Werkstoffeigenschaften des Bauteils wie beispielsweise dessen Materialstärke oder Materialzusammensetzung abgestimmt werden beziehungsweise mittels Versuchsreihen ermittelt werden.
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Vorteilhaft ist auch, wenn an der Spitze wenigstens zwei, vorzugsweise drei, insbesondere vier, in einer Umfangsrichtung gleichmäßig um die Längsachse des Befestigungselement verteilte schneidenartige Eindringeinrichtungen angeordnet sind. Hierdurch wird ein mögliches seitliches "Ausreißen", also ein Abrutschen oder Abgleiten des Befestigungselements beim Einbringen verhindert, da die Spitze selbstzentrierend ist.
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Vorteilhaft ist auch, wenn wenigstens eine schneidenartige Eindringeinrichtung eine Flanke aufweist, die orthogonal zur Längsachse einen im Wesentlichen gerade entlang einer radialen Richtung verlaufenden Querschnitt aufweist. Mit einer Flanke allgemein ist dabei eine Flanke der schneidenartigen Eindringeinrichtung gemeint, welche direkt zum Eingriff in das Material des Bauteils ausgebildet ist, die also beim rotierenden Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil insgesamt eine Erstreckung aufweist die jedenfalls auch orthogonal zur Rotationsrichtung also zur Umfangsrichtung verläuft. Mit dieser Geometrie der Flanke kann in vorteilhafter Weise Material des Bauteils beim Einbringen des Befestigungselements abgetragen bzw. verdrängt werden. Eine solche schneidenartige Eindringeinrichtung ist sehr robust und hat einen Spanwinkel von ca. 0°.
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Von Vorteil ist auch, wenn das Befestigungselement wenigstens eine schneidenartige Eindringeinrichtung mit einer Flanke aufweist, die orthogonal zur Längsachse einen schaufelartigen Querschnitt aufweist. Hierdurch kann die Flanke in besonders vorteilhafter Weise einen Eingriff in das Material des Bauteils finden und das Einbringen kann besonders schnell durchgeführt werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn wenigstens eine schneidenartige Eindringeinrichtung eine Flanke mit einem entlang der Längsachse gesehen, wendelartigen Verlauf aufweist. Hierdurch kann das Befestigungselement sich quasi selbsttätig in das Material des Bauteils einziehen. Hierdurch kann die benötigte axiale Anpresskraft reduziert werden.
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Im Sinne der Erfindung ist es auch, wenn wenigstens eine schneidenartige Eindringeinrichtung eine Flanke mit einem geradlinigen Verlauf entlang der Längsachse aufweist. Das also die Flanke in ihrer Erstreckung in Richtung der Längsachse parallel zur Längsachse ausgerichtet ist. Bei dieser Ausführungsform zieht sich das Befestigungselement nicht selbsttätig in das Bauteil ein, sondern kann kontrolliert mit vorbestimmter Anpresskraft und dabei mit voreingestellter Geschwindigkeit und auch kontrollierbarer Temperaturentwicklung in das Bauteil eingebracht werden.
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Bevorzugt ist, wenn der Kopf eine Kopplungseinrichtung zur Kopplung mit, insbesondere zur Aufnahme in, einer Antriebsvorrichtung und/oder zur Übertragung von Drehmomenten aufweist. Hierdurch kann das Befestigungselement über eine standardisierte Schnittstelle mit einer Antriebsvorrichtung verbunden werden und in reproduzierbarer Weise in das Bauteil eingebracht und in diesem befestigt werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn der Schaft im Wesentlichen kegelstumpfförmig oder im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Durch die eben beschriebene Ausbildung des Schaftes kann insbesondere bei der kegelstumpfförmigen Ausführung und bei der Variation des Winkels des Kegelstumpfs zur Längsachse des Befestigungselements die auftretende Wärmeentwicklung beim Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil eingestellt werden und somit der Befestigungsprozess kontrolliert beziehungsweise angepasst werden.
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Im Sinne der Erfindung ist auch, wenn im Bereich des Kopfes eine Anschlagfläche, vorzugsweise an einem sich radial erstreckenden Bund, angeordnet ist. Hierdurch ist die Eindringtiefe des Befestigungselements in das Bauteil quasi vorgegeben. Das Befestigungselement dringt beim Einbringen und Befestigen in dem Bauteil also nur so weit in das Bauteil ein, bis die Anschlagsfläche auf dem Bauteil aufliegt. Wenn das Befestigungselement in dieser Position angekommen ist, kann die Bewegung des Befestigungselements (also dessen Rotation) noch so lange fortgeführt werden, bis die Anschlagsfläche, also die Kontaktfläche zwischen dem Kopf des Befestigungselements und dem Bauteil, durch Reibung so weit erwärmt ist, bis zumindest ein Teil der Anschlagsfläche aufweicht und vorzugsweise fließfähig wird. Wird dann die Rotation des Befestigungselements unterbrochen und das Befestigungselement mit der Anschlagsfläche weiter gegen das Bauteil gepresst, so kann sich an der Kontaktfläche zwischen Anschlagsfläche und Bauteil eine vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Bauteil ergeben. Hierdurch wird eine großflächige und belastbare Verbindung mit dem Bauteil erreicht.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anschlagsfläche eine umlaufende Nut, die vorzugsweise an den Schaft angrenzt, aufweist. Diese Nut kann quasi als Aufnahme für überschüssiges Material, welches beispielsweise durch Abschmelzen eines Teils des Befestigungselements entsteht und beim Einbringen zur Kopfseite hin austritt, aufnehmen. Hierdurch wird ein sauberer Abschluss um den sich radial erstreckenden Bund gewährleistet.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Befestigungselement einen gefüllten Kunststoff, bevorzugt aus glasfaserverstärktem Polyamid oder Polypropylen umfasst, bevorzugterweise aus einem derartigen gefülltem Kunststoff besteht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kunststoffmatrix des gefüllten Kunststoffs ein Thermoplast beziehungsweise der bereits oben genannte Thermoplast ist. Dieser kann sich beim Einbringen des Befestigungselements in das Bauteil erwärmen und aufschmelzen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Füllstoffanteil 10 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 40 Gew.-%, insbesondere 30 Gew.-% beträgt. Hierdurch wird ein vorteilhaftes Verhältnis von Festigkeit zur Schmelzbarkeit des Materials des Befestigungselements erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befestigungselements weist dieses eine Kernstruktur und einen Mantel auf, wobei die Kernstruktur aus einem Material (Thermoplast oder Duroplast) besteht, das eine höhere Schmelztemperatur oder Zersetzungstemperatur aufweist, als eine Schmelztemperatur eines Materials des Mantels und vorzugsweise auch eine höhere Härte aufweist als das Material des Mantels. Bei dieser Ausführungsform kann quasi das Material des Mantels abschmelzen bzw. sich erweichen und zur Ausbildung der Verbindung beitragen, während die feste Kernstruktur des Befestigungselements beim Einbringen in das Bauteil erhalten bleibt, wodurch eine hohe Festigkeit insbesondere beim Fügen von zwei Bauteilen gewährleistet ist.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Kernstruktur in die schneidenartigen Eindringeinrichtungen hinein erstreckt, wenn also auch die schneidenartigen Eindringeinrichtungen im Inneren durch das Material der Kernstruktur und im Äußeren durch das Mantelmaterial gebildet sind.
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Teil der Erfindung ist auch eine Baugruppe umfassend mindestens ein Bauteil, das einen faserverstärkten, insbesondere Kohlenstofffaserverstärkten, Kunststoff umfasst, und mit dem ein Befestigungselement oder mehrere Befestigungselemente nach einer oder mehreren der eben genannten Varianten beziehungsweise der Ansprüche 1 bis 13 verbunden ist. Bei der erfindungsgemäßen Baugruppe bildet das Befestigungselement eine Ankerstelle an der beispielsweise metallische Verbindungselemente wie Schrauben in das Bauteil eingebracht werden können, ohne mit den Faser des faserverstärkten Kunststoffs in Kontakt zu geraten.
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Bevorzugt ist bei dieser Baugruppe, wenn sie ein weiteres Bauteil umfasst, welches durch das Befestigungselement mit dem Bauteil, das mit dem Befestigungselement verbunden ist, gefügt ist. Vorzugsweise umfasst das weitere Bauteil ebenfalls einen faserverstärkten Kunststoff. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe ist eine Verbindung der beiden Bauteile über das Befestigungselement realisiert. Das Befestigungselement ist auch mit beiden Bauteilen verbunden. Überdies bildet das Befestigungselement für beide Bauteile einen Ankerpunkt, in den bspw. metallische Schrauben eingebracht werden können.
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Bevorzugt ist dabei, wenn der faserverstärkte Kunststoff des Bauteils beziehungsweise der Bauteile eine thermoplastische oder duroplastische Matrix und/oder Fasern aus Kohlenstoff und/oder Glas und/oder Aramid enthält. Die genannte Werkstoffe bieten vorteilhafte Eigenschaften und ergänzen sich in vorteilhafterweise mit dem Befestigungselement ohne dass die Gefahr von Kontaktkorrosion besteht.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnungen erläutert werden, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Befestigungselements;
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2 eine teilgeschnittene Darstellung des Befestigungselements aus 1;
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3 eine geschnittene Darstellung einer alternativen Ausführungsform in einer Perspektive entsprechend 2;
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4 eine weitere alternative Ausführungsform in einer Darstellung entsprechend 3;
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5 eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform beim Blick entlang einer Längsachse des Befestigungselements, geschnitten entlang der Linie V-V;
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6 eine weitere alternative Ausführungsform der Darstellung von 5;
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7 eine weitere alternative Ausführungsform in der Darstellung von 5;
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8 eine weitere alternative Ausführungsform in der Darstellung entsprechend 5;
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9 eine weitere alternative Ausführungsform in der Darstellung entsprechend 5;
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10 eine erfindungsgemäße Baugruppe in einer Schnittdarstellung; und
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11 eine alternative Ausführungsform der Baugruppe aus 10 in der Darstellung entsprechend 10;.
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Ein erfindungsgemäßes Befestigungselement trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Das Befestigungselement 10 umfasst einen Kopf 12, einen Schaft 14 und eine Spitze 16. An der Spitze 16 sind zwei schneidenartige Eindringeinrichtungen 18 angeordnet. Die beiden schneidenartigen Eindringeinrichtungen 20 sind in einer Umfangsrichtung 22 gleichmäßig um eine Längsachse 24 angeordnet. Die schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18 weisen jeweils eine Flanke 20 auf. Von den beiden Flanken 20 ist in der Darstellung von 1 nur eine sichtbar.
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Eine radiale Richtung 26 ist in 1 durch einen entsprechend mit Bezugszeichen versehenen Pfeil dargestellt. Die Flanken 20 der schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18 weisen in Richtung der Längsachse 24 gesehen, einen im Wesentlichen gerade entlang der radialen Richtung 26 verlaufenden Querschnitt auf. Die Flanken 20 weisen entlang der Längsachse 24 gesehen im Wesentlichen einen geradlinigen Verlauf auf.
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Im Bereich des Kopfes 12 des Befestigungselements ist ein sich in radialer Richtung 26 erstreckender Bund 28 an dem Befestigungselement 10 angeordnet. Der Bund 28 umfasst eine Kontakt- oder Anschlagsfläche 30. Die Anschlagsfläche 30 weist eine umlaufende Nut 32 auf, die an den Schaft 14 angrenzt.
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An der der Anschlagsfläche 32 gegenüberliegende Seite des sich radial erstreckenden Bunds 30 ist an dem Kopf eine Kopplungseinrichtung 34 angeordnet. Die Kopplungseinrichtung 34 ist zur Kopplung mit einer nicht gezeigten Antriebsvorrichtung und zur Übertragung von Drehmomenten ausgebildet. Diese Übertragung von Drehmomenten erfolgt in diesem Beispiel über die Außensechskantform der Kopplungseinrichtung 34.
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Das Befestigungselement 10 kann aus einem Material bestehen. Es kann, wie in der Schnittdarstellung von 2 ersichtlich, auch eine Kernstruktur 36 umfassen, die von einem Mantel 38 umschlossen ist. Die Kernstruktur 36 besteht dabei aus einem Material, das eine höhere Schmelztemperatur aufweist als das Material des Mantels 38. Überdies weist das Material der Kernstruktur 36 auch eine höhere Härte und Festigkeit als das Material des Mantels 38 auf.
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Die Kernstruktur 36 erstreckt sich dabei vorliegend durch sämtliche Bereiche des Befestigungselements 10, also durch den Kopf 12 und den dort angeordneten Bund 28, durch den Schaft 14 und die Spitze 16. Die Kernstruktur 36 erstreckt sich auch in die schneidenartige Eindringeinrichtungen 18, wobei das Material der Kernstruktur 36 auch dort, wie im übrigen Teil des Befestigungselements 10, von dem Material des Mantels 38 umschlossen ist. Denkbar ist jedoch auch, dass sich die Kernstruktur 36 nur in einzelne Bereiche des Befestigungselements 10 erstreckt, bspw. den Schaft 14, die Spitze 16 und die schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18. Die Kernstruktur 36 kann auch segmentiert ausgebildet sein, damit ist gemeint, dass ein Teil der Kernstruktur im Schaft 14 angeordnet sein kann und von einem weiteren Teil der Kernstruktur 36, der in der Spitze 16 angeordnet ist getrennt ausgebildet sein kann.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform in einer vollständig geschnittenen Ansicht entsprechend der linken Seite von 2. Die Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Befestigungselement 10 vollständig aus einem Material gefertigt ist, also keine Kernstruktur 36 und Mantel 38 aufweist. Die in 3 dargestellte Ausführungsform weist überdies keine umlaufende Nut 32 auf. Außerdem ist die Anordnung der schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18 versetzt zu der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform.
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Eine in 4 gezeigte alternative Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die Flanken 20 der schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18 entlang der Längsachse 24 gesehen im Wesentlichen einen wendelartigen Verlauf aufweisen.
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In 5 ist eine Schnittdarstellung der Ausführungsform aus 3 entlang der Linie V-V dargestellt. In dieser Darstellung ist der Querschnitt der Flanken 20 in Richtung der Längsachse 24 gesehen besonders gut zu sehen. Entlang der Längsachse 24 gesehen verläuft der Querschnitt der Flanken 20 im Wesentlichen gerade entlang der radialen Richtung 26.
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Im Querschnitt entlang der Längsachse 24 gesehen weisen die schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18 den Flanken 20 gegenüberliegend einen sich allmählich an den Verlauf der Spitze angleichenden Umriss auf. Die schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18 sind daher nicht als bloße hervorstehende Stege ausgeführt, sondern weisen vorliegend in Umfangsrichtung eine Erstreckung auf, die wenigstens zweimal der radialen Erstreckung der Flanken 20 entspricht.
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6 zeigt eine alternative Ausführungsform in einer der 5 entsprechenden Darstellung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform in 5 dadurch, dass anstatt zwei schneidenartigen Eindringeinrichtungen 18 vier schneidenartige Eindringeinrichtungen 18 in der Umfangsrichtung 22 gleichmäßig verteilt um die Längsachse 24 angeordnet sind.
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Eine in 7 dargestellte alternative Ausführungsform unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Flanken 20 nicht gerade entlang der radialen Richtung 26 verlaufend ausgebildet sind, sondern schaufelartig ausgebildet sind. Wobei ein innerer Ansatzpunkt 40 der Flanke 20 von der Längsachse 24 aus gesehen gegenüber einem äußeren Endpunkt 42 in Umfangsrichtung 22 versetzt angeordnet ist. Ein entsprechender umfänglicher Versatz trägt das Bezugszeichen 44.
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Eine weitere alternative Ausführungsform, die in 8 dargestellt ist, weist ebenfalls schaufelartig ausgebildete Flanken 20 auf. Bei der Ausführungsform von 8 sind die schaufelartig ausgebildeten Flanken 20 derart ausgebildet, dass der innere Ansatzpunkt 40 mit dem äußeren Endpunkt 42 von der Längsachse 24 aus gesehen in radialer Richtung 26 auf einer Linie 45 angeordnet sind. Innerer Ansatzpunkt 40 und äußerer Endpunkt 42 weisen bei dieser Ausführungsform also keinen umfänglichen Versatz 44 auf.
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Eine weitere alternative Ausführungsform ist in 9 dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht der Ausführungsform von 5 außer, dass die Ausführungsform von 9 eine Kernstruktur 36 und einen Mantel 38, wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben, aufweist.
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10 zeigt eine Baugruppe 46, in der das Befestigungselement 10 aus den 1 und 2 in einem Bauteil 47 kraft-, form- und stoffschlüssig befestigt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen Kraft-, Form- und Stoffschluss vor. Im Sinne der Erfindung ist jedoch auch, wenn Kraft- und/oder Form- und/oder Stoffschluss vorliegen.
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Das Befestigungselement 10 wurde in folgender Weise in dem Bauteil 47 befestigt:
Das Befestigungselement wurde mit seiner Spitze 16 auf dem Bauteil 47 platziert. Entlang der Längsachse 24 wurde über die Kopplungseinrichtung 34 mittels einer Antriebseinrichtung, die in den Figuren nicht dargestellt ist, eine Anpresskraft auf das Befestigungselement 10 aufgebracht.
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Das Befestigungselement 10 wurde dann über die Antriebseinrichtung in Rotation um die Längsachse 24 versetzt. Durch die im Bereich der Spitze auftretende Reibung hat sich das Material des Befestigungselements 10, insbesondere des Mantels 38 langsam erhitzt und ist erweicht bzw. geschmolzen. Währenddessen ist über die schneidenartige Eindringeinrichtungen 20 ein Loch bzw. ein Raum in das Bauteil 47 eingebracht worden, während das Befestigungselement 10 entlang der Längsachse 24 in das Bauteil 47 eingedrungen ist.
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Dieser Prozess wurde fortgesetzt bis das Befestigungselement 10 mit der Anschlagsfläche 30 an dem Bauteil 47 in Anschlag gekommen ist. Die Rotation des Befestigungselements 10 wurde dann noch weitergeführt bis sich ein Teil des Materials im Bereich der Anschlagsfläche 30 ebenso erhitzt und verflüssigt hat. Hierdurch ist ein Stoffschlussbereich 48 entstanden, welcher in 10 durch eine gepunktete Linie dargestellt ist, während der ursprüngliche Verlauf der Kontur des Befestigungselements 10 mit einer unterbrochenen Linie mit dem Bezugszeichen 50 skizziert ist.
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Die Ausbildung der kraft-, form- und stoffschlüssigen Befestigung ist jedoch nicht zwingend. Im Sinne der Erfindung ist auch bereits eine rein kraftschlüssige Befestigung. Das Befestigungselement 10 muss auch nicht zwingend aufschmelzen, auch wenn dies vorteilhaft ist, so ist im Sinne der Erfindung auch, wenn sich das Befestigungselement 10 teilweise reibungsbedingt erwärmt und erweicht und sich zur Ausbildung der Befestigung teilweise verformt.
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11 zeigt eine der 10 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Baugruppe 46, wobei das Bauteil 47 mit einem weiteren Bauteil 52 fügend verbunden ist. Das Befestigungselement 10 ist dabei stoffschlüssig sowohl mit dem Bauteil 47 als auch mit dem weiteren Bauteil 52 verbunden.
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Das Einbringen des Befestigungselements 10 in die beiden Bauteile 47, 52 erfolgte wie oben beschrieben. Eine kraft-, form- und stoffschlüssige Verbindung des Befestigungselements 10 hat sich mit beiden Bauteilen 47, 52 nach erstarren des aufgeschmolzenen Materials ausgebildet, wodurch die Bauteile 47, 52 aneinander gefügt und unlösbar miteinander verbunden wurden. Wie bereits zu 10 ausgeführt so ist auch hier die Ausbildung der kraft-, form- und stoffschlüssigen Befestigung jedoch nicht zwingend. Im Sinne der Erfindung ist auch bereits eine rein kraftschlüssige Befestigung. Das Befestigungselement 10 muss auch nicht zwingend aufschmelzen, auch wenn dies vorteilhaft ist, so ist im Sinne der Erfindung auch, wenn sich das Befestigungselement 10 teilweise reibungsbedingt erwärmt und erweicht und sich zur Ausbildung der Befestigung teilweise verformt.
