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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen von Teilen mit Flow-Drill-Schrauben.
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HINTERGRUND
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Flow-Drill-Schrauben werden zum Zusammenfügen von Teilen bei einseitigen Fügearbeitsgängen verwendet. Flow-Drill-Schrauben sind mit Gewinde versehene Befestigungsmittel, die eine spezielle Spitze aufweisen, die dazu ausgeführt ist, in ein Teil einzudringen, indem das Material des Teils erhitzt wird, bis das Teil stellenweise weicher gemacht wurde. Die Flow-Drill-Schraube dreht sich mit einer hohen Drehzahl (d.h. 5000 U/min), wobei eine im Wesentlichen axiale Kraft (d.h. 1,5 kN) an das Teil angelegt wird. Das Material wird erhitzt und weich gemacht, bis es plastisch verformbar ist. Die Drehzahl und axiale Kraft werden im Wesentlichen reduziert, um zu gestatten, dass das Material eine mit Gewinde versehene Hülse oder einen mit Gewinde versehenen Bund um das Flow-Drill-Schraubengewinde an der Schraube, das zwischen der Spitze und dem Kopf des Befestigungsmittels positioniert ist, bildet. Die Schraube wird dann mit einer langsameren Drehzahl gedreht, um die Schraube in die in situ ausgebildete mit Gewinde versehene Hülse einzuschrauben, wodurch die zusammenzufügenden Teile zwischen der Gewindeverbindung und dem Kopf der Schraube zusammengedrückt werden.
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Einer der Vorteile von Flow-Drill-Schrauben liegt darin, dass sie Zeit und Prozessschritte sparen, da normalerweise kein Loch vor dem Einführen der Schraube vorgesehen werden muss und kein Gewinde geschnitten werden muss oder eine Mutter mit einem Schraubbolzen verbunden werden muss. Jedoch kann bei komplexen Produkten, wie z. B. Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Geländefahrzeugen, bei denen Teile durch eine große Anzahl an Befestigungsmitteln zusammengefügt werden, die zum Einführen einer großen Anzahl an Schrauben erforderliche Zykluszeit (d.h. 2–6 Sekunden) die bei einem Montagearbeitsgang zur Verfügung stehende Zeit überschreiten.
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Bei einigen Montagearbeitsgängen können Teile mit Klebstoffen zusätzlich zu Flow-Drill-Schrauben aneinander gesichert werden. Wenn Klebstoff zwischen zwei zusammenzufügenden Beplankungen aufgebracht wird, kann der Flow-Drill-Schrauben-Arbeitsgang durch die isolierende Wirkung des Klebstoffs, die die Wärmeübertragungsrate von dem Teil auf der Einführseite der Anordnung zu dem Teil auf der Austrittsseite der Anordnung reduziert, verlangsamt werden. Darüber hinaus kann die Wärme, die zum Eindringen in die Teile entwickelt wird, ein Schäumen des Klebstoffs bewirken und zu verschlechterten Haftungseigenschaften führen.
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Einige Anordnungen können Teile umfassen, die aus zwei verschiedenen Materialarten hergestellt sind. Beispielsweise muss möglicherweise ein Polymerteil mit einem Aluminiumteil zusammengebaut werden. Eine effektive Wärmeübertragung durch das Polymerteil zu dem zweiten Teil kann sich schwierig gestalten.
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Die vorliegende Offenbarung ist auf eine Lösung der obigen Probleme und weiterer Probleme gemäß der folgenden Kurzdarstellung gerichtet.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Zusammenbauen von Teilen mit einer Flow-Drill-Schraube offenbart. Das Verfahren umfasst den Schritt des Ausbildens eines Eindrucks auf einer Einführseite eines ersten Teils und eines Vorsprungs auf einer Kontaktseite des ersten Teils. Ein Eindruck wird als eine Vertiefung oder Eindrückung auf einer Fläche definiert. Das Verfahren fährt fort mit dem Schritt des Treibens einer Flow-Drill-Schraube in das erste Teil, wobei der Vorsprung mit einem zweiten Teil in Kontakt ist. Die Flow-Drill-Schraube wird durch das erste Teil und das zweite Teil getrieben, um das erste Teil an dem zweiten Teil zu sichern.
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Gemäß weiteren Aspekten des obigen Verfahrens kann der Eindruck konisch geformt sein. Die Seiten des Eindrucks können in einem Winkel zwischen 30° und 60° bezüglich einer Fläche neben dem Eindruck auf der Einführseite des ersten Teils angeordnet sein. Die Flow-Drill-Schraube kann eine konvex gekrümmte Spitze aufweisen, die den Eindruck an einer Stelle in Eingriff nimmt, die von einem Basisbereich des Eindrucks nach oben beabstandet ist. Der Eindruck kann ein länglicher Schlitz sein, der konisch zulaufende Seiten umfasst, die sich von der Einführseite des ersten Teils zu einem Basisbereich erstrecken. Der Basisbereich, auf den hier Bezug genommen wird, ist der tiefste Bereich des Eindrucks und umfasst das spitze Ende des Eindrucks. Der Eindruck weist eine Zuführungsfläche zwischen den Seiten und der Einführseite auf.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein Klebstoff zwischen die Kontaktseite des ersten Teils und das zweite Teil aufgebracht werden. Der Vorsprung dringt in den Klebstoff ein, wodurch eine Wärmeübertragung von dem Vorsprung zu dem zweiten Teil ermöglicht wird, ohne dass der Klebstoff das zweite Teil von der in dem Vorsprung entwickelten Wärme isoliert.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Zusammenbauen von Teilen mit einer Flow-Drill-Schraube offenbart, das die Schritte des Ausbildens einer Öffnung in einem ersten Teil und des Ausbildens eines Eindrucks in einem zweiten Teil umfasst. Das erste Teil wird dann mit dem zweiten Teil verbaut, wobei die Öffnung auf den Eindruck ausgerichtet ist. Dann wird eine Flow-Drill-Schraube durch die Öffnung eingeführt und in den Eindruck gedreht, um das erste Teil am zweiten Teil zu sichern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Einführen einer Flow-Drill-Schraube in eine Anordnung offenbart. Das Verfahren umfasst den Schritt des Ausbildens eines Eindrucks auf einer Einführseite eines Teils. Die Flow-Drill-Schraube wird dann gegen einen kontaktierten Bereich einer Seitenwand des Eindrucks gedreht, um konzentriert über einem Basisbereich Wärme zu entwickeln, ohne erst den Basisbereich des Eindrucks zu berühren. Ein kontaktierter Bereich in dem Eindruck wird weich gemacht und der kontaktierte Bereich und der Basisbereich werden zu einem mit Gewinde versehenen Bund geformt.
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Gemäß weiteren Aspekten der Offenbarung des letzteren Verfahrens kann das Verfahren den Schritt des Drehens der Flow-Drill-Schraube zum Sichern der Flow-Drill-Schraube in dem mit Gewinde versehenen Bund umfassen. Die Flow-Drill-Schraube weist eine Spitze auf, die eine bogenförmige konvexe Seitenwand umfasst, die in einem Punkt endet. Die konvexe Seitenwand der Spitze kontaktiert den Eindruck an einer Stelle, die von dem Basisbereich beabstandet ist.
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Die obigen Aspekte der vorliegenden Offenbarung und weitere Aspekte werden im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Teilansicht von zwei mit mehreren Flow-Drill-Schrauben zusammengebauten Teilen, die gemäß dem offenbarten Verfahren zusammengebaut sind.
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2 ist eine Teildraufsicht eines konischen Eindrucks, der bei der praktischen Umsetzung einer Ausführungsform des offenbarten Verfahrens verwendet werden kann.
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3 ist eine Teildraufsicht eines länglichen schlitzförmigen Eindrucks, der bei der praktischen Umsetzung einer alternativen Ausführungsform des offenbarten Verfahrens verwendet werden kann.
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Flow-Drill-Schraube, während sie zunächst in einen Eindruck in einem ersten Teil, das durch die Flow-Drill-Schraube und einen Klebstoff an einem zweiten Teil angebracht werden soll, eingeführt und gedreht wird.
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5 ist eine 4 ähnliche Ansicht, die zeigt, wie die Flow-Drill-Schraube das erste Teil weichmacht, mit dem aus dem ersten Teil verdrängten Material eine Hülse bildet und in das zweite Teil eindringt.
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6 ist eine 4 ähnliche Ansicht, die zeigt, wie die Flow-Drill-Schraube vollständig in die Anordnung eingeführt ist und das erste und das zweite Teil durch die Gewindeverbindung und den Kopf verbindet.
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7 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Flow-Drill-Schraube, während sie zunächst durch ein zuvor ausgebildetes Loch in einem ersten Teil eingeführt und in einem Eindruck in einem zweiten Teil gedreht wird, um das erste Teil an einem zweiten Teil anzubringen.
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8 ist eine 7 ähnliche Ansicht, die zeigt, wie die Flow-Drill-Schraube das zweite Teil weichmacht und mit dem aus dem zweiten Teil verdrängten Material eine Hülse bildet.
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9 ist eine 7 ähnliche Ansicht, die zeigt, wie die Flow-Drill-Schraube vollständig in die Anordnung eingeführt ist und das erste und das zweite Teil durch die Gewindeverbindung und den Kopf verbindet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die dargestellten Ausführungsformen werden mit Bezug auf die Zeichnungen offenbart. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sein sollen, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgestaltet sein können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie die offenbarten Konzepte einzusetzen sind.
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Mit Bezug auf 1 werden ein erstes Teil 10 und ein zweites Teil 12 teilweise dargestellt, die teilweise durch Flow-Drill-Schrauben 16 aneinander gesichert sind. Die Flow-Drill-Schrauben 16 sind in einer Position zur Einführung in mehrere Eindrücke 18, die konisch geformt und in das erste Teil 10 vertieft sind, gezeigt.
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Mit Bezug auf 2 umfassen die Eindrücke 18 eine konische Seitenwand 22, die sich zu einem Basisbereich 24 erstreckt. Der Basisbereich 24 ist spitz und ist der tiefste Abschnitt der Vertiefung, die die Eindrücke 18 bildet. Eine Zuführungsfläche 26 ist an dem Eindruck 18 vorgesehen, die sich von der Einführseite 28, oder Einführfläche, zu der konischen Seitenwand 22 erstreckt.
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Mit Bezug auf 3 kann bei einer alternativen Ausführungsform ein schlitzförmiger Eindruck 30 vorgesehen sein, der bogenförmige Seitenwände 32 umfasst, die sich von einer Zuführungsfläche 34 erstrecken, die zwischen den Seitenwänden 32 und der Einführseite 28 vorgesehen ist. Der längliche schlitzförmige Eindruck erleichtert den Einbau der Flow-Drill-Schrauben, da Flow-Drill-Schrauben 16 innerhalb eines Bereichs von Stellen, der durch den schlitzförmigen Eindruck 30 definiert wird, eingebaut werden können und zum Einbau zwischen den Seitenwänden 32, die in der Fahrzeuglängsrichtung verlängert sind, lediglich in der lateralen oder quer verlaufenden Fahrzeugrichtung präzise ausgerichtet werden müssen.
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Mit Bezug auf 4–6 wird eine Ausführungsform des Verfahrens zum Reduzieren der Zykluszeit für Flow-Drill-Schrauben-Arbeitsgänge dargestellt, wobei ein oberes Teil 36 über einem unteren Teil 38 angeordnet wird. Es versteht sich, dass bei Bezugnahme auf das obere Teil 36 und das untere Teil 38 auf ihre Position in den Figuren Bezug genommen wird und nicht die räumliche Ausrichtung der beiden Teile 36 und 38 beschränkt wird, die bei der eigentlichen Verwendung umgedreht oder als eine innere und eine äußere Wand bereitgestellt sein können.
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Mit Bezug auf 4 umfasst das obere Teil 36 einen Vorsprung 40, der in dem Teil 36 ausgebildet ist, wenn der Eindruck 18 in dem oberen Teil 36 ausgebildet ist. Der Eindruck 18 wird vorzugsweise durch einen Blechumformungsarbeitsgang als Teil des Verfahrens zum Ausbilden des oberen Teils oder der äußeren Beplankung ausgebildet.
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Der Eindruck 18 wird vorzugsweise bei dem Stanz-/Umformungsverfahren ausgebildet. Der Eindruck 18 stellt einen Selbstausrichtungspunkt für die Flow-Drill-Schraube oder andere gewindeschneidende Befestigungsmittel bereit. Das obere Teil 36 wird so mit dem unteren Teil 38 verbaut, dass der Vorsprung 40 das untere Teil 38 berührt. Die Spitze 42 der Flow-Drill-Schraube 16 ist von dem Basisbereich 24 des Eindrucks 18 beabstandet. Der Basisbereich 24 des Eindrucks 18 ist der spitze Endpunkt der Vertiefung oder des Eindrucks 18.
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An den Flow-Drill-Schrauben 16 sind mehrere Gewinde 44 vorgesehen, die dem Zweck der Ausbildung von Gewinden in der durch die Flow-Drill-Schrauben 16 ausgebildeten Hülse dienen und des Weiteren die ausgebildeten Gewinde zum Sichern der Flow-Drill-Schrauben 16 in Eingriff nehmen, wie mit Bezug auf 5 und 6 im Folgenden erläutert wird.
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Die Spitze 42 des Befestigungsmittels 16 weist eine konvexe Seitenwand 43 auf, die eine bogenförmige gekrümmte äußere Fläche bildet. Die konvexe Seitenwand 43 berührt die konische Seitenwand 22 des Eindrucks 18 an einer Stelle, die sich in einem Abstand über dem Basisbereich 24 befindet. Die Seitenwand 22 des Eindrucks 18 ist vorzugsweise in einem Winkel zwischen 30° und 60° zu einer Mittelachse des Eindrucks 18 angeordnet. Die Krümmung der konvexen Seitenwand 43 wird so gewählt, dass bewirkt wird, dass die Spitze 42 die Seitenwand 22 bei einem Kontaktband 46 berührt.
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Die Spitze 42 der Flow-Drill-Schrauben 16 berühren den Eindruck 18 am Kontaktband 46, das sich in einem Abstand über der Spitze 42 der Flow-Drill-Schrauben 16 und über dem Basisbereich 24 des Eindrucks 18 befindet. Das Kontaktband 46 ist die Stelle, wo die konvexe Seitenwand 43 der Spitze 42 die konische Seitenwand 22 des Eindrucks 18 in Eingriff nimmt. Reibung an dem Kontaktband 46 erzeugt Wärme, die in einen Wärmekonzentrationsbereich 48 gerichtet wird, der auf dem oberen Teil 36 gezeigt wird.
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Ein Klebstoff 50 wird zwischen dem oberen Teil 36 und dem unteren Teil 38 dargestellt. Der Vorsprung 40 dringt in den Klebstoff 50 ein, um die Wärmeisolierung des unteren Teils 38 von dem oberen Teil 36 in dem Bereich um den Vorsprung 40 herum auf ein Minimum zu reduzieren. Durch die Drehung der Flow-Drill-Schrauben 16 entwickelte Wärme führt zu einer Erweichung des oberen Teils 36 und wird durch den Vorsprung 40 direkt zu dem unteren Teil 38 übertragen.
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Wie in 5 gezeigt wird, durchdringt die Spitze 42 der Flow-Drill-Schraube 16 in der Darstellung das obere Teil 36 und tritt in das untere Teil 38 ein. Mit Erwärmung der Beplankungen durch die Spitze 42 der Flow-Drill-Schraube 16 wird verdrängtes Material 54 von dem oberen Teil 36 und dem unteren Teil 38 weich gemacht.
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Mit Bezug auf 6 bildet das verdrängte Material (in 5 gezeigt) eine mit Gewinde versehene Hülse 56. Gewinde 60 in der mit Gewinde versehenen Hülse 56 werden durch die Gewinde 44 der Flow-Drill-Schrauben 16 ausgebildet. Eine Gewindebohrung 62 wird auch in dem unteren Teil 38 ausgebildet. Die zur Ausbildung der Gewindebohrung 62 erforderliche Zykluszeit ist reduziert, da Wärme ohne weiteres von dem Vorsprung 40 zu dem unteren Teil 38 übertragen wird. Die Flow-Drill-Schraube 16 umfasst einen Kopf 64, der die Einführseite 28 des oberen Teils 36 zur Sicherung des oberen Teils 36 am unteren Teil 38 in Eingriff nimmt. Die mit Gewinde versehene Hülse 56 wirkt als eine zylinderförmige Buchse, die die installierte Flow-Drill-Schraube 16 umgibt. Die Spitze 42 der Flow-Drill-Schraube 16 ragt gemäß der Darstellung unter dem unteren Teil 38 hervor. Der Klebstoff 50 isoliert nicht das untere Teil 38 von dem oberen Teil 36 in dem Bereich um den Vorsprung 40 herum. Der Wärmekonzentrationsbereich 48 wird dadurch erwärmt, dass die Flow-Drill-Schraube 16 das Kontaktband 46 des Eindrucks 18 in Reibeingriff nimmt, und es kommt zu einer schnelleren Erwärmung und Erweichung anderer Teile des Eindrucks 18, z. B. des Basisbereichs 24, die in dem oberen Teil 36 ausgebildet sind.
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Mit Bezug auf 7–9 wird eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zum Reduzieren der Zykluszeit für Flow-Drill-Schrauben-Arbeitsgänge gezeigt.
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Unter besonderer Bezugnahme auf 7 definiert ein oberes Teil 70 ein Loch 72, das auf einen Eindruck 78 ausgerichtet ist, der in einem unteren Teil 76 ausgebildet ist. Wiederum versteht sich, dass bei Bezugnahme auf das obere Teil 70 und das untere Teil 76 auf die Teile gemäß der Darstellung Bezug genommen wird und nicht die Ausrichtung der Teile auf eine bestimmte Winkelausrichtung beschränkt werden soll. Eine Flow-Drill-Schraube 16 wird durch das Loch 72 in dem oberen Teil 70 eingeführt und nimmt den in dem unteren Teil 76 ausgebildeten Eindruck 78 in Eingriff. Ein Vorsprung 80 wird auf der Kehrseite des unteren Teils 76 erzeugt.
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Der Eindruck 78 wird wie zuvor mit Bezug auf 4–6 beschrieben vor dem Verbauen des oberen Teils 70 mit dem unteren Teil 76 in einem Stanz-/Umformungsverfahren ausgebildet. Der Eindruck 78 umfasst einen Basisbereich 82, der die zugespitzte vertiefte Spitze des Eindrucks 78 umfasst. Die Spitze 42 der Flow-Drill-Schraube 16 berührt nicht den Basisbereich 82, sondern berührt stattdessen den Eindruck 78 in dem Bereich des Kontaktbands 86. Eine schnelle Drehung der Flow-Drill-Schraube 16 bewirkt, dass die Spitze 42 das Kontaktband 86 in Reibeingriff nimmt und einen Wärmekonzentrationsbereich 88 erzeugt.
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Mit Bezug auf 8 erwärmt die Spitze 42 bei Fortführung des Flow-Drill-Schrauben-Verfahrens den Eindruck 78 und erzeugt verdrängtes Material 90, das entlang der Spitze 42 der Flow-Drill-Schraube 16 fließt.
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Mit Bezug auf 9 wird aus dem verdrängten Material 90 (in 8 gezeigt) eine mit Gewinde versehene Hülse 92 ausgebildet. Die mit Gewinde versehene Hülse 92 umfasst mehrere Gewinde 94, die durch die Gewinde 44 der Flow-Drill-Schraube 16 ausgebildet werden. Der Kopf 64 der Flow-Drill-Schraube 16 nimmt das obere Teil 70 in Eingriff und wird zur Sicherung des oberen Teils 70 an dem unteren Teil 76 in den Gewinden 94 festgezogen. Bei der Ausführungsform von 9 wird kein Klebstoff zwischen dem oberen Teil 70 und dem unteren Teil 76 gezeigt, jedoch versteht sich, dass Klebstoff zwischen dem oberen Teil 70 und dem unteren Teil 76 vorgesehen sein könnte, wenn eine zusätzliche Haltekraft erforderlich ist. Wenn Klebstoff vorgesehen wird, wird der Klebstoff bevorzugt von dem Bereich, der durch die Flow-Drill-Schraube 16 gefügt wird, beabstandet aufgebracht, um eine Beeinträchtigung des Flow-Drill-Schraubungsverfahrens oder eine Verschlechterung des Klebstoffs zu vermeiden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind spezielle Beispiele, die nicht alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Die Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können zur Bildung weiterer Ausführungsformen der offenbarten Konzepte kombiniert werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke dienen eher der Beschreibung als der Einschränkung. Der Schutzumfang der folgenden Ansprüche ist weiter als die speziellen offenbarten Ausführungsformen und umfasst auch Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen.
