DE102018206501A1

DE102018206501A1 - Verbindungsfläche

Info

Publication number: DE102018206501A1
Application number: DE102018206501.2A
Authority: DE
Inventors: Ingo Bernsdorf; Lena Farahbod-Sternahl; Christoph Kiener; David Rule; Tobias Thomas Rühmer; Frank Schulz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsfläche (2) eines Bauteils, umfassend eine Vielzahl von Verbindungselementen (4), die in mindestens zwei Reihen angeordnet sind und jede Reihe mindestens zwei Verbindungselemente (4) enthält. Im Hinblick auf eine besonders einfach herzustellende Verbindung, die mittels der Verbindungsfläche (4) herstellbar ist, weist jedes Verbindungselement (4)
- einen Basisteil (8) auf, der als ein erster Quader mit einer ersten Grundfläche (F₁) geformt ist,
- einen Mittelteil (10) auf, der als ein Pyramidenstumpf ausgebildet ist, dessen Grundfläche der ersten Grundfläche entspricht und dessen Deckfläche kleiner ist als die Grundfläche,
- einen Kopfteil (12) auf, der als ein zweiter Quader mit einer zweiten Grundfläche (F₂) geformt ist, wobei die zweite Grundfläche (F₂) der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entspricht,
wobei beim Basisteil (8) und beim Mittelteil (10) im Bereich der Eckkanten Aussparungen (14) vorgesehen sind, welche bezüglich ihrer Form und Größe derart ausgebildet sind, dass zwischen je vier benachbarten Verbindungselementen (4) zweier Reihen eine Aufnahme (16) für einen Kopfteil (12) eines Verbindungselements (4) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsfläche eines Bauteils, umfassend eine Vielzahl von Verbindungselementen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbindungsanordnung zwischen zwei derartigen Verbindungsflächen sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Verbindungsfläche.
Oft ist es erforderlich Teile im allgemeinen Maschinenbau lösbar zu verbinden. Steckverbindungen sind insbesondere im Kleinteilebereich oft mit einem erhöhten Fertigungsaufwand verbunden, oder es werden weitere Teile, zum Beispiel Schrauben und Muttern, benötigt.
Lösbare Verbindungen können durch eine Vielzahl an Möglichkeiten realisiert werden, dazu zählen z.B. Schraubenverbindungen, Nabenverbindungen, reibschlüssige Verbindungen, Verbindungen durch Verspannung, etc.
Aus der DE 10 2017 102 609 A1 ist eine Verbindungsanordnung zwischen einem ersten Bauteil mit einer ersten Oberfläche und einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Oberfläche bekannt, wobei die erste und die zweite Oberfläche in ihrer Form korrespondierende Oberflächenstrukturen mit jeweils einer Vielzahl an sich aus der jeweiligen Oberfläche erhebenden Strukturelementen aufweisen. Die erste und die zweite Oberfläche sind dabei dazu eingerichtet, unter Krafteinwirkung reversibel so ineinander greifend angeordnet zu sein, dass die jeweiligen Strukturelemente form- und/oder kraftschlüssig aneinander angreifen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Verbindung zwischen zwei Bauteilen bereitzustellen, welche besonders einfach herzustellen und zu lösen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verbindungsfläche eines Bauteils, umfassend eine Vielzahl von Verbindungselementen, die in mindestens zwei Reihen angeordnet sind und jede Reihe mindestens zwei Verbindungselemente enthält, wobei jedes Verbindungselement:

- einen Basisteil aufweist, der als ein erster Quader mit einer ersten Grundfläche geformt ist,
- einen Mittelteil aufweist, der als ein Pyramidenstumpf ausgebildet ist, dessen Grundfläche der ersten Grundfläche entspricht und dessen Deckfläche kleiner ist als die Grundfläche,
- einen Kopfteil aufweist, der als ein zweiter Quader mit einer zweiten Grundfläche geformt ist, wobei die zweite Grundfläche der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entspricht,

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Verbindungsanordnung zwischen zwei derartigen Verbindungsflächen, wobei die Verbindungsflächen zueinander komplementär sind und beim Aufeinanderlegen der Verbindungsflächen die Kopfteile in die Aufnahmen der jeweils anderen Verbindungsfläche hineingreifen. Bevorzugt ist die Verbindung zwischen den Verbindungsflächen dabei lösbar.
Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsfläche mittels eines generativen Fertigungsverfahrens. Das dreidimensionale Muster wird dabei mindestens in einem Teilbereich durch ein additives Fertigungsverfahren (beispielsweise ein Laserauftragschmelzen) hergestellt.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Verbindungsflächen beider Bauteile mit komplementären Strukturen zu versehen, welche beim Auflegen der Verbindungsflächen aufeinander ineinandergreifen und somit zumindest eine formschlüssige Verbindung schaffen. Dies wird durch die besondere Geometrie und Anordnung der Verbindungselemente auf der jeweiligen Verbindungsfläche ermöglicht. Die Struktur kann, material-, massen- und größenunabhängig, auf beliebige Größe skaliert werden. Je nachdem wie der Kopfteil und die korrespondierenden Aufnahmen dimensioniert sind, ist es auch denkbar, dass die Kopfteile durch Krafteinwirkung in die Aufnahmen hineingedrückt werden, wodurch die Verbindung ebenfalls eine kraftschlüssige Komponente aufweist.
Eine solche Verbindungsfläche bzw. Verbindungsanordnung ist im Industrie- und Konsumgüterbereich im Grunde bei allen Bauteile anwendbar, beispielsweise bei Bauteilen aus Form- und Fügetechnik oder bei Werkzeugen, wenn parallel positionierte Flächen sich nicht untereinander verschieben sollen. Der Anwendungsbereich ist lediglich durch die mechanischen und strukturellen Anforderungen zur Kraftübertragung beschränkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Muster an dreidimensionalen Verbindungselementen periodisch. Ein periodisches Muster mit einer Wiederholbarkeit der dreidimensionalen Verbindungselemente ist besonders leicht herzustellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Verbindungsfläche eine Konfiguration von mindestens 4x4 Verbindungselementen auf. Die Anzahl der Verbindungselemente richtet sich dabei primär nach der Größe der jeweiligen Verbindungsfläche in Kombination mit der Größe der Verbindungselemente. Mit abnehmender Anzahl an Verbindungselementen nehmen grundsätzlich auch die Halteeigenschaften der lösbaren Verbindung ab.
Bevorzugt ist die Verbindungsfläche in einer Oberfläche des Bauteils integriert, d.h. die Verbindungsfläche ist integraler Bestandteil des Bauteils. Auf diese Weise kann die Verbindungsfläche insbesondere in einem einzigen Schritt mit dem Bauteil hergestellt werden.
Vorzugsweise schließen die Seitenkanten des Pyramidenstumpfs mit der ersten Grundfläche einen Winkel von 45° ab. Bei einem Winkel von 45° ist sichergestellt, dass beim Auflegen beider Verbindungsflächen aufeinander, die Verbindungselemente beider Bauteile vollständig aufeinander aufliegen.
Vorteilhafterweise betragen die Seiten der ersten Grundfläche eine Länge zwischen 6 mm und 10 mm. Zweckdienlicherweise betragen die Seiten der zweiten Grundfläche dabei eine Länge zwischen 0,5 mm und 2 mm. Bevorzugt beträgt die Höhe des Kopfteils zwischen 1 mm 2 mm. Entsprechend beträgt die Breite der Aussparungen vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 1 mm.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht auf eine Verbindungsfläche mit einer Vielzahl von Verbindungselementen,
2 eine Draufsicht auf ein Verbindungselement gemäß 1, und
3 eine Seitenansicht auf das Verbindungselement gemäß 2.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
In 1 ist eine Verbindungsfläche 2 eines nicht näher gezeigten Bauteils dargestellt, welche eine zweidimensionale Anordnung von mehreren Verbindungselementen 4 umfasst. Die Verbindungselemente 4 sind in mehreren Reihen 6 angeordnet, wobei jede Reihe 6 mehrere Verbindungselemente 4 enthält Somit ist das von den Verbindungselementen 4 gebildete Muster entlang beider Achsen periodisch. Die Verbindungsfläche 2 ist insbesondere an einer Oberfläche des Bauteils mittels eines generativen Fertigungsverfahrens ausgebildet.
Die Verbindungselemente 4 sind in 2 und 3 im Detail dargestellt. Jedes Verbindungselement 4 weist einen Basisteil 8 auf, der als ein Quader mit quadratischen Grundflächen ausgebildet ist, die durch die Seiten A definiert ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel betragen die Seiten A der quadratischen Grundflächen beispielsweise 8 mm. Die Höhe B des Quaders ist insbesondere 2 mm.
Das Verbindungselement 4 weist zudem einen Mittelteil 10 auf, der als ein quadratischer Pyramidenstumpf ausgebildet ist. Die Grundfläche des Pyramidenstumpfs entspricht der Grundfläche F₁ des Quaders 8. Die Seitenkanten I des Pyramidenstumpfs schließen einen Winkel α mit der Grundfläche F₁ von 45° ab. Die Deckfläche F₂ des Pyramidenstumpfs ist kleiner als die Grundfläche, dabei beträgt jeder der vier Seiten C der Deckfläche 1 mm.
Im obersten Bereich des Verbindungselements 4 ist ein Kopfteil 12 geformt, der als ein zweiter Quader mit einer zweiten Grundfläche F₂ ausgebildet ist. Die zweite Grundfläche F₂ entspricht dabei der Deckfläche F₂ des quadratischen Pyramidenstumpfs. Eine Höhe D des zweiten Quaders 12 beträgt 1,5 mm.
Im Bereich der Ecken zwischen dem Basisteil 8 und Mittelteil 10 sind Aussparungen 14 vorgesehen, welche bezüglich ihrer Form und Größe derart ausgebildet sind, dass zwischen je vier benachbarten Verbindungselementen 4 zweier Reihen eine Aufnahme 16 vorhanden ist. Jede Aussparung 14 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Höhe E=1,6 mm und eine Breite G=0,5 mm, so dass in der Aufnahme 16, welche die gleiche Höhe E=1,6 mm und die doppelte Breite G wie die Aussparung 14 aufweist (also 1 mm), ein Kopfteil 12 hineinpasst.
Die in 1 gezeigte erste Verbindungsfläche 2 ist zum Herstellen einer nicht näher gezeigten Verbindungsanordnung mit einer ebenfalls nicht gezeigten zweiten Verbindungsfläche, insbesondere eines weiteren Bauteils, vorgesehen. Die zweite Verbindungsfläche 2 weist einen identischen Aufbau wie die in 1 dargestellte Verbindungsfläche 2 auf, kann sich jedoch in ihrer Größe unterschieden. Die zweite Verbindungsfläche ist insofern komplementär zur ersten Verbindungsfläche 2, dass beim Auflegen beider Verbindungsflächen 2 aufeinander die Verbindungselemente 4 beider Verbindungsflächen 2 ineinander greifen, so dass die Kopfteile 12 in die Aufnahmen der jeweils anderen Verbindungsfläche 2 eingeführt werden. Eine derartige Verbindung basiert auf Formschluss, abhängig von der Dimensionierung der Kopfteile 12 und der Aufnahmen ggf. auch auf Kraftschluss, und ist insbesondere lösbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017102609 A1 [0004]

Claims

Verbindungsfläche (2) eines Bauteils, umfassend eine Vielzahl von Verbindungselementen (4), die in mindestens zwei Reihen (6) angeordnet sind und jede Reihe (6) mindestens zwei Verbindungselemente (4) enthält, wobei jedes Verbindungselement (4) : - einen Basisteil (8) aufweist, der als ein erster Quader mit einer ersten Grundfläche (F₁) geformt ist, - einen Mittelteil (10) aufweist, der als ein Pyramidenstumpf ausgebildet ist, dessen Grundfläche der ersten Grundfläche (F₁) entspricht und dessen Deckfläche kleiner ist als die Grundfläche, - einen Kopfteil (12) aufweist, der als ein zweiter Quader mit einer zweiten Grundfläche (F₂) geformt ist, wobei die zweite Grundfläche (F₂) der Deckfläche des Pyramidenstumpfs entspricht, wobei im Bereich der Ecken zwischen dem Basisteil (8) und dem Mittelteil (10) Aussparungen vorgesehen sind, welche bezüglich ihrer Form und Größe derart ausgebildet sind, dass zwischen je vier benachbarten Verbindungselementen (4) zweier Reihen (6) eine Aufnahme (16) für einen Kopfteil (12) vorhanden ist.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster an dreidimensionalen Verbindungselementen (4) periodisch ist.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Konfiguration von mindestens 4x4 Verbindungselementen (4) aufweist.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in einer Oberfläche des Bauteils integriert ist.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seitenkanten (I) des Pyramidenstumpfs mit der ersten Grundfläche einen Winkel α von 45° abschließen.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seiten (A) der ersten Grundfläche (F₁) eine Länge zwischen 6 mm und 10 mm betragen.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seiten (C) der zweiten Grundfläche (F₂) eine Länge zwischen 0,5 mm und 2 mm betragen.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe (D) des Kopfteils (12) zwischen 1 mm und 2 mm beträgt.
Verbindungsfläche (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite der Aussparungen (14) zwischen 0,25 mm und 1 mm beträgt.
Verbindungsanordnung zwischen zwei Verbindungsflächen (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsflächen(2) zueinander komplementär sind und beim Aufeinanderlegen der Verbindungsflächen (2) die Kopfteile (12) in die Aufnahmen (16) der jeweils anderen Verbindungsfläche (2) hineingreifen.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Verbindung zwischen den Verbindungsflächen (2) lösbar ist.
Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsfläche (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mittels eines generativen Fertigungsverfahrens.