-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Einlegeteil für ein Verbundbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Einlegeteils sowie ein Verbundbauteil unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Einlegeteils.
-
Ein Einlegeteil für ein Verbundbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt. Es dient in der Kunststofftechnik insbesondere zur Verbindung mehrerer Bauteile und ist in Form eines sogenannten Inserts ausgebildet. Das Insert bzw. Einlegeteil weist einen von einer Kunststoffmasse umspritzbaren Halteabschnitt mit einer Formschlussgeometrie auf. Mittels der Formschlussgeometrie lassen sich auf das Einlegeteil eingeleitete Kräfte bzw. Momente auf die das Einlegeteil umgebende Kunststoffmasse übertragen. Die Formschlussgeometrie weist Flächenabschnitte auf, die als ebene Flächenabschnitte ausgebildet sind und in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Typischerweise bilden derartige Flächenabschnitte eine Hinterschneidung, eine Ringnut oder ähnliche geometrische Elemente der Formschlussgeometrie aus. Wesentlich dabei ist, dass der Übergangsbereich zwischen derartigen Flächenabschnitten relativ scharfkantig bzw. mit einem kleinen Radius ausgebildet ist. Dies bewirkt, dass im Übergangsbereich zwischen den Flächenabschnitten bei einer Beanspruchung des Einlegeteils mit einer Kraft, beispielsweise einer Zugkraft, oder einem Drehmoment, lokal relativ hohe mechanische Spannungsspitzen in dem Kunststoffmaterial auftreten können. Diese erhöhten Spannungswerte führen zu einer Reduzierung der möglichen übertragbaren Kraft bzw. des möglichen übertragbaren Moments auf das Einlegeteil. Dies wiederum hat zur Folge, dass beispielsweise eine größere Anzahl von Einlegeteilen verwendet werden muss, um z. B. eine bestimmte Gesamtkraft auf das Verbundbauteil übertragen zu können.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das Einlegeteil für ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass im Übergangsbereich zwischen dem Einlegeteil und dem das Einlegeteil umgebenen Kunststoffmaterial bei einer mechanischen Beanspruchung durch eine Kraft oder ein Drehmoment auf das Einlegeteil die in dem Kunststoffmaterial hervorgerufenen (mechanischen) Spannungen relativ gering sind. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise die Anzahl der erforderlichen Einlegeteile an einem Verbundbauteil reduziert werden kann, was sowohl die Herstellkosten für das Verbundbauteil reduziert, als auch dessen konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten erhöht sowie das Handling des Verbundbauteils erleichtert.
-
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Formschlussgeometrie an dem Halteabschnitt des Einlegeteils im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik durch einen vorzugsweise stetig gekrümmten Übergangsabschnitt ohne Knicke oder ähnlich scharfe Übergänge zwischen den die Formschlussgeometrie bildenden Flächenabschnitte auszubilden, wobei sich der Übergangsabschnitt an den jeweiligen Flächenabschnitt knickfrei anschmiegt und/oder bei bereits gekrümmt ausgebildeten Flächenabschnitten diese so aneinander anzuschließen, dass ein stetiger, d.h. knickfreier Übergang geschaffen wird und/oder mehrere Halteelemente vorzusehen, die die Formschlussgeometrie ausbilden, und die jeweils eine stetig gekrümmte Außenkontur aufweisen. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Formschlussgeometrie keine scharfen Kanten, Winkel oder ähnliche, bei Belastung spannungserhöhenden Geometrien aufweist. Es wird damit ein Einlegeteil vorgeschlagen, dessen Außenkontur im Bereich des Halteabschnitts einen harmonischen bzw. gekrümmten Verlauf aufweist.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Einlegeteils für ein Verbundbauteil sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Um bei der Übertragung eines Drehmoments oder einer Zugkraft auf das Einlegeteil eine gleichmäßige Kraft- bzw. Momentenübertragung auf den das Einlegeteil umgebenden Kunststoff zu ermöglichen, damit sich die Spannungsspitzen gleichmäßig über den Querschnitt des Einlegeteils verteilen, ist es von Vorteil, wenn das Einlegeteil eine Längsachse aufweist, um die der wenigstens eine Halteabschnitt konzentrisch angeordnet ist. Darüber hinaus lässt sich ein derartiges Einlegeteil bei einer derartigen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Form bei einem spanenden Herstellverfahren (Drehen) besonders einfach herstellen.
-
Zur Einleitung von Kräften oder (Dreh-)Momenten in das Einlegeteil ist es vorgesehen, dass der Befestigungsabschnitt von einem Endbereich des Einlegeteils ausgeht und in Form einer Werkzeugangriffsfläche und/oder eines Gewindes ausgebildet ist. Dadurch kann das üblicherweise mit einer Außenfläche des Verbundbauteils zumindest näherungsweise bündig abschließende Einlegeteil mit einer Schraube oder einem ähnlichen Hilfselement versehen werden, das relativ einfach montiert bzw. entfernt werden kann.
-
Eine optimierte Kraft- bzw. Momenteneinleitung in das Kunststoffmaterial des Verbundbauteils bei Verwendung mehrerer Halteelemente lässt sich erzielen, wenn die Halteelemente an dem Befestigungsabschnitt abgewandten Endbereich des Einlegeteils angeordnet und stiftförmig ausgebildet sind. Dadurch wird bewirkt, dass die die Formschlussgeometrie ausbildenden Halteelemente des Einlegeteils in einem relativ weit von dem Befestigungsbereich und somit auch von der Bauteiloberfläche des Verbundbauteils angeordneten Stelle angeordnet ist, d. h., dass relativ viel (Kunststoff-)Material zur Einbettung des Einlegeteils im Bereich der Formschlussgeometrie vorhanden ist, um bei einer Beanspruchung des Einlegeteils die auf das Verbundbauteil wirkenden Kräfte bzw. Momente besonders gut in den Kunststoff des Verbundbauteils übertragen zu können.
-
Eine weitere Verbesserung der Übertragung von Kräften bzw. Momenten sowie eine besonders innige Verbindung des Einlegeteils mit dem Kunststoff des Verbundbauteils lässt sich erzielen, wenn der wenigstens eine Halteabschnitt an seiner Außenkontur mit einer Oberflächenstrukturierung zur Vergrößerung der Oberfläche versehen ist. Eine derartige Oberflächenstruktur kann, abhängig vom Herstellverfahren des Einlegeteils, beispielsweise bereits bei der Fertigung des Einlegeteils berücksichtigt werden, oder aber nachträglich ausgebildet werden. Bei letztgenanntem Fall kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Oberflächenstrukturierung eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist. Eine derartige Oberflächenstrukturierung lässt sich z. B. mittels einer Laserstrahleinrichtung erzielen, wobei beispielhaft auf die
DE 10 2008 040 782 A1 der Anmelderin verwiesen wird, in der derartige, die Haftfähigkeit zwischen einem Bauteil und einer das Bauteil umgebenden (thermoplastischen und/oder duroplastischen) Spritzgussmasse erhöhende Oberflächenstrukturierungen beschrieben sind.
-
Um große Drehmomente oder Kräfte auf das Verbundbauteil übertragen zu können, ohne damit das Einlegeteil zu deformieren bzw. zu beschädigen, ist es von Vorteil, wenn das Einlegeteil zumindest teilweise aus Metall, vorzugsweise vollständig aus Metall, besteht.
-
Aufgrund der je nach Einlegteil relativ komplexen bzw. mit Krümmungen versehenen Außenkontur des Einlegeteils eignet sich zur wirtschaftlichen Herstellbarkeit derartiger Einlegeteile insbesondere ein generatives Herstellverfahren, ein MIM(Metal Injection Moulding)-Spritzgußverfahren oder ein THIXO-Schmiedeverfahren.
-
Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Verbundbauteil unter Verwendung wenigstens eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Einlegeteils. Das Verbundbauteil weist zumindest den Vorteil auf, dass die Anzahl von erforderlichen Einlegeteilen zur Übertragung von Kräften oder Momenten relativ gering ist, sodass dadurch die Herstellkosten des Verbundbauteils gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden können. Weiterhin wird durch die relativ geringe Anzahl von benötigten Einlegeteilen eine größere Gestaltungsfreiheit beim Design des Verbundbauteils ermöglicht.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in:
-
1 einen Teillängsschnitt durch ein Einlegeteil in einem Verbundbauteil nach dem Stand der Technik,
-
2 ein über der 1 abgewandeltes erstes erfindungsgemäßes Einlegeteil mit einer modifizierten Formschlussgeometrie, ebenfalls in einem Teillängsschnitt,
-
3 eine Seitenansicht auf ein zweites erfindungsgemäßes Einlegeteil unter Verwendung mehrerer Halteabschnitte,
-
4 ein gegenüber 3 abgewandeltes erfindungsgemäßes Einlegeteil in einer perspektivischen Ansicht,
-
5 eine Draufsicht auf das Einlegeteil gemäß 4,
-
6 eine Unteransicht auf das Einlegeteil gemäß 4,
-
7 ein Detail der Oberflächenstruktur des Einlegeteils gemäß der 4 6 und
-
8 und 9 Darstellungen zur Erläuterung der Ausbildung einer gegenüber dem Stand der Technik modifizierten Formschlussgeometrie an einem Einlegeteil.
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In der 1 ist ein Einlegeteil 100 als Bestandteil eines Verbundbauteils 101 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das insbesondere aus Metall bestehende Einlegeteil 100 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa topfförmig ausgebildet und weist eine Längsachse 102 auf. Koaxial zur Längsachse 102 hat das Einlegeteil 100 einen Befestigungsabschnitt 103 mit einem Innengewinde 104, das der Befestigung eines nicht gezeigten, mit dem Einlegeteil 100 verbindbaren Hilfselements, insbesondere Form einer Schraube, dient. Im Bereich der zylindrisch ausgebildeten Außenwand 105 des Einlegeteils 100 weist die Außenwand 105 in Richtung der Längsachse 102 betrachtet zwei voneinander beabstandete, radial umlaufende Ringnuten 106, 107 auf. Die beiden Ringnuten 106, 107 sind im Querschnitt jeweils rechteckförmig ausgebildet. Das Einlegeteil 100 weist darüber hinaus eine plane Oberseite 108 sowie eine plane Unterseite 109 auf. Die Unterseite 109 geht über eine in Bezug zur Längsachse 102 schräg ausgebildete Fase 110 in die Außenwand 105 über.
-
Neben dem Einlegeteil 100 besteht das Verbundbauteil 101 aus einer das Einlegeteil 100 bereichsweise umgebenden Kunststoffmasse 111. Bei der Kunststoffmasse 111 handelt es sich beispielhaft, und nicht einschränkend, um ein Thermoplast oder ein Duroplast, wobei die Kunststoffmasse 111 durch Umspritzen des Einlegeteils 100 in einem entsprechenden Spritzgusswerkzeug mit dem Einlegeteil 100 verbunden ist.
-
Die Kunststoffmasse 111 schließt mit der Oberseite 108 des Einlegeteils 100 bündig ab. Die radial umlaufenden Ringnuten 106, 107 bilden zusammen mit der Außenwand 105 eine Außenkontur 115 des Einlegeteils 100 aus. Darüber hinaus bilden die beiden Ringnuten 106, 107 zwei Formschlussgeometrien 116, 117 aus. Die Formschlussgeometrien 116, 117 wirken als Halteabschnitte 118, 119 zur Einleitung von Kräften oder Momenten in das Einlegeteil 100 mittels des Hilfselements.
-
Die Formschlussgeometrien 116, 117 werden durch Flächenabschnitte 120, 121, 122 der Ringnuten 106, 107 gebildet. Wesentlich dabei ist, dass die Flächenabschnitte 120 und 122 jeweils im Längsschnitt gemäß der 1 rechtwinklig zur Längsachse 102 verlaufen sind, während die Flächenabschnitte 121 parallel zur Längsachse 102 angeordnet sind. Die Übergänge zwischen den Flächenabschnitten 120, 121 und 122 sowie zwischen den Flächenabschnitten 120 und 122 und der Außenwand 105 werden durch radial umlaufende Kanten 125 gebildet. Diese Kanten 125 weisen einen wenn überhaupt nur sehr geringen Radius auf, d.h., dass die Flächenabschnitte 120, 121 und 122 im jeweiligen Übergangsbereich sowie zu der Außenwand 105 zumindest näherungsweise rechtwinklig aneinander anstoßen.
-
Bei einer Zugbelastung auf das Verbundbauteil 101 durch eine Zugkraft F in Richtung der Längsachse 102, welche durch das angesprochene Hilfselement in das Einlegeteil 100 einleitbar ist, werden insbesondere im Bereich der Kanten 125 zwischen den Flächenabschnitten 120 und 122 und der Außenwand 105 lokale Spannungsspitzen erzeugt, wobei durch die Linien 126 der Verlauf gleich hoher Spannungswerte in dem Verbundbauteil 101 dargestellt sind.
-
In der 2 ist ein Einlegeteil 10 dargestellt, welches sich von dem Einlegeteil 100 gemäß dem Stand der Technik durch eine andersartig gestaltete Außenkontur 15 unterscheidet. Die Außenkontur 15 des Einlegeteils 10, das vorzugsweise ebenfalls aus Metall besteht, weist einen eine Formschlussgeometrie 16 ausbildenden Halteabschnitt 17 auf, der zwei, in Bezug zur Längsachse 18 des Einlegeteils 10 konzentrisch und im Längsschnitt parallel zueinander angeordnete, im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete Flächenabschnitte 21, 22 aufweist. Die beiden Flächenabschnitte 21, 22 sind in Richtung der Längsachse 18 betrachtet voneinander beabstandet angeordnet und durch einen stetig gekrümmten Abschnitt 23 miteinander verbunden. Der Abschnitt 23 schmiegt sich an den jeweiligen Flächenabschnitt 21, 22 an, so dass keine Knicke bzw. scharfe Kanten ausgebildet werden.
-
Der Abschnitt 23 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt in etwa S-förmig ausgebildet. Während der Flächenabschnitt 21 bis zur oberen Stirnseite 24 des Einlegeteils 10 reicht, geht der (untere) Flächenabschnitt 22 über einen Radius 25 in einen Bodenabschnitt 26 des Einlegeteils 10 über, der zumindest näherungsweise eben ausgebildet ist. Weiterhin weisen die beiden Flächenabschnitte 21, 22 sowie der Abschnitt 23 in Richtung der Längsachse 18 betrachtet jeweils in etwa dieselbe Länge auf.
-
Das Einlegeteil 10 weist konzentrisch zur Längsachse 18 einen mit einem Innengewinde 27 versehenen Befestigungsabschnitt 28 zur Aufnahme bzw. Befestigung eines nicht dargestellten Hilfselements, insbesondere einer Schraube, auf.
-
Das als Bestandteil eines Verbundbauteils 30 dienende Einlegeteil 10 ist im Bereich seiner Außenkontur 15 (mit Ausnahme der Stirnseite 24) von einer Kunststoffmasse 31 umgeben, vorzugsweise durch Umspritzen. Wird entsprechend der Darstellung der 2 über den Befestigungsabschnitt 28 eine Zugkraft F in Richtung der Längsachse 18 auf das Einlegeteil 10 eingeleitet, so führt diese Zugkraft F im Bereich der Formschlussgeometrie 16 zu einem Spannungsverlauf, dessen Linien 32 im Vergleich zu den Linien 126 bei dem Einlegeteil 100 gemäß dem Stand der Technik nur eine einzige Spannungsspitze im Bereich des Übergangs zwischen dem Abschnitt 23 und dem Flächenabschnitt 22 aufweist, wobei die Größe der Spannung geringer ist.
-
In der 3 ist ein weiteres Einlegeteil 10a dargestellt, das an einem stirnseitigen Endbereich einen Befestigungsabschnitt 35 mit einer Werkzeugangriffsfläche in Form eines Außensechskants 36 aufweist. Im Bereich des Außensechskants 36 weist der Befestigungsabschnitt 35 darüber hinaus ein Innengewinde 37 auf, wobei der Außensechskant 36 zum Gegenhalten beim Anziehen eines nicht gezeigten Hilfselements (Schraube) in dem Innengewinde 37 dient. Der Befestigungsabschnitt 35 geht über einen Zwischenabschnitt 33 des Einlegeteils 10a in drei parallel zueinander angeordnete Halteelemente 38, 39, 40 über, die in etwa jeweils stiftförmig ausgebildet und in Bezug zur Längsachse 41 des Einlegeteils 10a in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Die Halteelemente 38 bis 40 bilden einen Halteabschnitt 48 des Einlegeteils 10a aus. Die Halteelemente 38 bis 40 weisen jeweils Außenkonturen 42 mit Flächenabschnitten 43, 44 auf. Die Flächenabschnitte 43, 44 sind jeweils in etwa kegelstumpfförmig, d.h. mit stetig gekrümmter Außenkontur 42 ausgebildet und gehen vorzugsweise über einen gekrümmt oder einen Radius aufweisenden Abschnitt 45 ineinander über.
-
An dem Befestigungsabschnitt 35 abgewandten Endbereich des Einlegeteils 10a weist dieses zwischen den Halteelementen 38 bis 40 eine Ausnehmung 46 auf, die beim Umspritzen des Einlegeteils 10a mit Kunststoff ausgefüllt werden kann. Die Querschnitte der Flächenabschnitte 43 erweitern sich aus Richtung des Befestigungsabschnitts 35 in Richtung der Ausnehmung 46, während sich die Querschnitte der Flächenabschnitte 44 in der angegebenen Richtung wieder verjüngen. Dadurch bilden die Halteelemente 38 bis 40 Hinterschnitte einer Formschlussgeometrie 47 aus
-
Das Einlegeteil 10a eignet sich neben der Einleitung bzw. Übertragung von in Richtung der Längsachse 41 wirkenden Zug- bzw. Druckkräften F darüber hinaus besonders gut zur Übertragung von Drehmomenten Md.
-
Das in den 4 bis 7 in verschiedenen Ansichten dargestellte Einlegeteil 10b weist einen Befestigungsabschnitt 50 an einem stirnseitigen Endbereich des Einlegeteils 10b auf, der neben einem als Werkzeugangriffsfläche dienenden Außensechskant 51 ein Innengewinde 52 umfasst. Das in etwa zylindrisch ausgebildete Einlegeteil 10b weist eine Längsachse 53 auf. Die Außenkontur 54 des Einlegeteils 10b, die eine Formschlussgeometrie 55 ausbildet, weist im Wesentlichen zwei Halteabschnitte 56, 57 auf, die sich in Richtung der Längsachse 53 betrachtet axial aneinander anschließen. Darüber hinaus weist der Halteabschnitt 56 einen kleineren Querschnitt auf als der Halteabschnitt 57. Die beiden Halteabschnitte 56, 57 gehen über einen stetig gekrümmten Abschnitt 58 ineinander über, dessen Querschnitt sich in Richtung des Halteabschnitts 57 vergrößert. Wie man darüber hinaus besonders deutlich anhand der 5 erkennt, weist die Außenkontur 54 im Bereich des Halteabschnitts 56 eine im Wesentlichen stetig gekrümmte Form mit konvex und konkav ausgebildeten Flächenabschnitten 59 und 60 auf, die einander in Umfangsrichtung abwechseln und ohne Knicke o.ä. stetig ineinander übergehen.
-
Der Halteabschnitt 57 ist darüber hinaus in Art eines Tetraeders dreiteilig mit drei stiftartigen, im Querschnitt kreisförmigen Halteelementen 62 mit jeweils einer stetig gekrümmten Außenkontur 63 ausgebildet, die in Art der Halteelemente 38 bis 40 an dem Einlegeteil 10a ausgebildet sind. Die Halteelemente 62 erstrecken sich parallel zur Längsachse 53 und sind in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet. Darüber hinaus ist es anhand der 7 erkennbar, dass die Oberfläche des Einlegeteils 10b mit einer Oberflächenstrukturierung 65 zur Oberflächenvergrößerung ausgestattet ist, welche eine erhöhte Rauigkeit bzw. Vertiefungen oder ähnliche geometrische Formen ausbildet.
-
Anhand der 8 ist das Prinzip des stetigen Übergangs zwischen zwei in einer Ebene planen Flächenabschnitten 66, 67 einer Formschlussgeometrie 68 mittels eines stetig gekrümmten Abschnitts 69 dargestellt. Dabei wird zunächst von einem Übergangsbereich zwischen den beiden parallel zueinander angeordneten Flächenabschnitten 66, 67 mit einer Stufe 70 ausgegangen. Diese Stufe 70 zwischen den beiden Flächenabschnitten 66, 67 wird durch den stetig gekrümmten Abschnitt 69 ersetzt, der die beiden Flächenabschnitte 66, 67 miteinander verbindet, wobei sich der Abschnitt 69 an die Flächenabschnitte 66, 67 anschmiegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt 69 in etwa S-förmig ausgebildet.
-
Bei dem in der 9 dargestellten Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des stetigen Übergangs zwischen zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Flächenabschnitten 71, 72 ist es vorgesehen, die beiden Flächenabschnitte 71, 72 mittels eines radial umlaufenden, stetig gekrümmten Abschnitts 73 in Art einer Hyperbel knickfrei miteinander zu verbinden.
-
Das soweit beschriebene Einlegeteil 10, 10a, 10b kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
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 102008040782 A1 [0009]
