DE102019120850A1 - Component made from a material that consists predominantly of renewable raw materials, with at least one compacted area and a method and tool for manufacturing the compacted area - Google Patents

Component made from a material that consists predominantly of renewable raw materials, with at least one compacted area and a method and tool for manufacturing the compacted area Download PDF

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Christoph Alt
Eric Penno
Sven Eichhorn
Ronny Eckhardt
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Technische Universitaet Chemnitz
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Technische Universitaet Chemnitz
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Werkstoff, der überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, wobei das Bauteil wenigstens ein Loch mit einer Längsachse (A) aufweist und der Werkstoff in dem, sich an das Loch umfangsseitig anschließenden Bereich, lokal verdichtet ist. Verfahrensgemäß dringt mindestens ein Dorn, der einen im wesentlichen zylindrischen Schaft und eine Spitze mit einem sich in Richtung zum Bauteil reduzierenden Durchmesser aufweist, in den Werkstoff ein, erzeugt dabei ein Loch im Bauteil und verdrängt den Holzwerkstoff radial und/oder axial, wodurch der Werkstoff in dem, das Loch umgebenden Bereich verdichtet wird. Das zur Durchführung des Verfahrens verwendete Werkzeug ist in Form wenigstens eines Dorns mit einem zylindrischen oder polygonförmigen Schaft und einer sich in Richtung zum Bauteil im Durchmesser reduzierenden Spitze ausgebildet.The invention relates to a component made of a material which consists predominantly of renewable raw materials, the component having at least one hole with a longitudinal axis (A) and the material being locally compressed in the area adjoining the hole on the circumference. According to the method, at least one mandrel, which has an essentially cylindrical shaft and a tip with a diameter that decreases in the direction of the component, penetrates the material, creates a hole in the component and displaces the wood material radially and / or axially, thereby removing the material is compressed in the area surrounding the hole. The tool used to carry out the method is designed in the form of at least one mandrel with a cylindrical or polygonal shaft and a tip that is reduced in diameter in the direction of the component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Werkstoff, der überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, mit mindestens einem verdichteten Bereich sowie ein Verfahren und ein Werkzeug zum Herstellen des verdichteten Bereiches und findet insbesondere für dauerfeste Schraubverbindungen Anwendung.The invention relates to a component made of a material that consists predominantly of renewable raw materials, with at least one compacted area and a method and a tool for producing the compacted area and is used in particular for permanent screw connections.

Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz von Nägeln und Schrauben als Verbindungsmittel sowie Bolzenverbindungen mit der Notwendigkeit des vorherigen Vorbohrens mit Werkzeugen mit geometrisch definierter Schneide bekannt. Bei Nagel und Schraube ist der Ausziehwiderstand zum größten Teil von der Rohdichte des Werkstoffes abhängig. Bei allen Verbindungsarten treten für die Verbindungsfestigkeit meist nachteilige Setzungserscheinungen, hauptsächlich im Holzwerkstoff auf. Für eine dauerfeste Verbindung für ein metallisches Verbindungsmittel ist ein hohes Anzugsmoment notwendig, was eine hohe Flächenpressung unter anderem unter Schraubenkopf/Mutter/Scheibe zur Folge hat. Dadurch wird die Spannung im Holzwerkstoff erhöht und die, für die Verbindungsfestigkeit nachteiligen Relaxations- und Retardationserscheinungen treten auf. Im Stand der Technik wird dieser Effekt durch die Vergrößerung der Auflagefläche, z.B. durch zusätzliche Elemente wie Unterlegscheiben oder durch den Einsatz von Inserts oder Hülsen im Bohrloch abgeschwächt.The use of nails and screws as connecting means as well as bolt connections with the necessity of pre-drilling with tools with a geometrically defined cutting edge is known from the prior art. With nails and screws, the pull-out resistance is largely dependent on the raw density of the material. With all types of connection, settlement phenomena that are disadvantageous for the connection strength usually occur, mainly in the wood-based material. For a permanent connection for a metallic connecting means, a high tightening torque is necessary, which results in a high surface pressure under the screw head / nut / washer, among other things. This increases the tension in the wood-based material and the relaxation and retardation phenomena that are detrimental to the strength of the connection occur. In the prior art, this effect is weakened by increasing the contact surface, e.g. by using additional elements such as washers or by using inserts or sleeves in the borehole.

In den Druckschriften DE 26 32 695 C2 und DE 76 23 015 U1 wird eine Ausgleichsbuchse für die Befestigung von Griffen oder dgl. beschrieben. Dabei sind zwischen Befestigungsgegenstand (z.B. Griff) und Unterlage (z.B. Holzplatte) konische Buchsen angeordnet. Die Unterlage weist eine Durchgangsbohrung im Bereich der Befestigungsstelle auf. Bei der Verschraubung des Griffs mit der Unterlage wird ein Einpressen der Buchsen in diese realisiert. Laut Beschreibung erfolgt dabei eine Verdrängung und somit eine Verdichtung und Verfestigung des Holzes. Weiterhin zentrieren sich die Bauteile zueinander, was zu einer präziseren Positionierung dieser zueinander führt. Durch diese Effekte erfolgt die Realisierung einer Verbindung, die in der Lage ist, hohe Radial-, Axial- und Kippkräfte aufzunehmen.In the pamphlets DE 26 32 695 C2 and DE 76 23 015 U1 a compensating bushing for attaching handles or the like is described. Conical sockets are arranged between the fastening object (e.g. handle) and the base (e.g. wooden panel). The base has a through-hole in the area of the fastening point. When the handle is screwed to the base, the sockets are pressed into them. According to the description, there is a displacement and thus a compression and solidification of the wood. Furthermore, the components are centered on each other, which leads to a more precise positioning of these to each other. These effects create a connection that is able to absorb high radial, axial and tilting forces.

In DE 197 24 284 C2 ist eine Koppelpfette aus mehreren überlappend aneinander anschließenden Holzbalken sowie eine Schraube für eine Koppelpfette beschrieben. Bei dieser Erfindung kommen Schrauben zum Einsatz, die sich durch einen abgesetzten Schaft auszeichnen. Beide Bereiche sind mit Gewinde gleicher Steigung, jedoch unterschiedlichen Durchmessers, versehen. Die Gewinde haben dabei keine vorrangige schneidende, sondern eine verdrängende Funktion. Durch die abgestufte Gestaltung des Schraubenschafts erfolgt eine zweistufige Verfestigung des Werkstoffs und somit eine zusätzliche Erhöhung der Belastbarkeit der Verbindung. Ein weiterer positiver Effekt wird dadurch erzielt, dass der Schraubenkopf als relativ schlanker Kegel ausgebildet ist. Diese Gestaltung bewirkt, dass dieser leicht versenkbar ist, ohne dass ein zusätzlicher Arbeitsgang durch die Ausformung einer Senkung notwendig ist. Durch den Schraubenkopfkegel kommt es zu einer weiteren Werkstoffverfestigung. Im Schutzrecht wird ausgeführt, dass das Verbauen der Schrauben ohne Vorbohren möglich ist, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Holz an seinen Enden aufreißt.In DE 197 24 284 C2 describes a coupling purlin made of several overlapping wooden beams and a screw for a coupling purlin. In this invention, screws are used, which are characterized by a stepped shaft. Both areas have threads of the same pitch but different diameters. The threads do not have a primary cutting but a displacing function. The graded design of the screw shaft results in a two-stage solidification of the material and thus an additional increase in the load-bearing capacity of the connection. Another positive effect is achieved in that the screw head is designed as a relatively slender cone. The effect of this design is that it can be easily lowered without the need for an additional work step through the formation of a depression. The screw head cone leads to further material hardening. The property right states that it is possible to install the screws without pre-drilling, without the risk of the wood tearing open at its ends.

In DE 10 2016 120 728 A1 ist eine keglige Schraube für geschäumte Kunststoffe beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine Verbindung in einem Kunststoff, mit einer definierten Elastizität. Das Schraubengewinde ist keglig ausgebildet. Es kommt beim Eindrehen des Gewindes nicht zur Zerstörung des Materials, sondern zu dessen Verdrängung und Komprimierung. Je tiefer das Gewinde eingeschraubt wird, desto größer wird der Durchmesser des Kegels und desto mehr Material wird verdrängt. Dies führt dazu, dass das Rückstellmoment, welches zum Eindrehen notwendig ist, ansteigt und somit auch die Anpresskraft, die sich zwischen den zu verbindenden Teilen ausbildet, ansteigt. Dadurch entsteht eine große Flächenpressung zwischen diesen, was zu einer belastbaren Verbindung führt.In DE 10 2016 120 728 A1 describes a conical screw for foamed plastics. This is a connection in a plastic with a defined elasticity. The screw thread is conical. When the thread is screwed in, the material is not destroyed, but rather it is displaced and compressed. The deeper the thread is screwed in, the larger the diameter of the cone and the more material is displaced. This means that the restoring torque, which is necessary for screwing in, increases and thus the contact pressure that develops between the parts to be connected also increases. This creates a large surface pressure between them, which leads to a resilient connection.

In WO 2016 162 111 A1 ist eine reversible Verbindung zwischen Maschinenteilen beschrieben. Dabei wird ein fließfähiges Medium in einen Hohlraum eines Bauteils eingebracht und dieser wird verschlossen. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Welle. In das fließfähige Medium erfolgt das Eindrehen eines kegligen Körpers, der dieses verdrängt. Somit bildet sich ein Druck im Hohlraum aus, der dazu führt, dass sich dieser erweitert, wodurch beispielsweise eine Welle-Nabe-Verbindung realisiert werden kann.In WO 2016 162 111 A1 describes a reversible connection between machine parts. A flowable medium is introduced into a cavity of a component and this is closed. In the exemplary embodiment, it is a wave. A conical body is screwed into the flowable medium, displacing it. Thus, a pressure develops in the cavity, which leads to the fact that it expands, whereby a shaft-hub connection can be realized, for example.

Alle oben genannten Patentschriften hinsichtlich einer Verdichtung beziehen sich im Allgemeinen darauf, dass die Verdichtung der lokalen Stelle durch das Verbindungsmittel während des Anziehens des Verbindungsmittels verursacht wird. Die Verdichtungsgüte ist dadurch nur so groß, wie die maximale Vorspannkraft des Verbindungsmittels in Abhängigkeit der Schraubenkopffläche in Kombination der Druckfestigkeit des zu verdichtenden Werkstoffes möglich ist. Die maximal mögliche Verdichtung auf 1,4g/cm3 bei dessen Dichte der Werkstoff seine maximal möglichen mechanischen Eigenschaften aufweist ist im Regelfall nicht mit stiftförmigen Verbindungsmitteln und dessen resultierender Schraubenkopffläche realisierbar. Die Zugfestigkeit der Schraube ist bereits deutlich vor dem Erlangen der maximal möglichen Druckfestigkeit des Werkstoffes erschöpft. Retardations- bzw. Relaxationserscheinungen sind jedoch erst bei dieser Grenze nennenswert reduziert.All of the above patents relating to compaction generally relate to the fact that the compaction of the local site is caused by the lanyard during tightening of the lanyard. The compaction quality is only as great as the maximum pretensioning force of the connecting means depending on the screw head surface in combination with the compressive strength of the material to be compacted. The maximum possible compression to 1.4 g / cm 3 at the density of which the material has its maximum possible mechanical properties is generally not achievable with pin-shaped connecting means and the resulting screw head surface. The tensile strength of the screw is already well before the maximum possible compressive strength of the material is reached exhausted. Retardation or relaxation phenomena are, however, noticeably reduced only at this limit.

Bei der herkömmlichen Herstellung von Bohrungen in plattenförmigen Halbzeugen aus Holzwerkstoffen erfährt der Werkstoff eine spanende geometrische Formänderung. Nachteilig ist, dass die mechanischen Werkstoffeigenschaften im Bohrlochrandbereich des Werkstoffes gerade bezüglich der Dichteeigenschaften, sowie der Druckfestigkeit nicht bzw. so gering verändert werden, dass keine signifikante Relevanz besteht.In the conventional production of bores in plate-shaped semi-finished products made of wood-based materials, the material undergoes a machining geometric change in shape. It is disadvantageous that the mechanical material properties in the borehole edge area of the material are not changed or changed so little that there is no significant relevance, particularly with regard to the density properties and the compressive strength.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil aus einem Werkstoff, der überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen besteht und mindestens einen verdichteten Bereich aufweist sowie ein Verfahren und Werkzeug zum Herstellen des verdichteten Bereiches zu entwickeln, welches eine lokale Erhöhung der Werkstoffdichte und damit der mechanischen Eigenschaften ohne die Notwendigkeit der Einbringung eines zusätzlichen Verbindungsmittels wie zum Beispiel von Inserts oder Hülsen mit höherer Dichte oder Festigkeit als der ursprüngliche Holzwerkstoff ermöglicht.The object of the invention is to develop a component made of a material that consists predominantly of renewable raw materials and has at least one compacted area and a method and tool for producing the compacted area, which allows a local increase in the material density and thus the mechanical properties without the Necessity of introducing an additional connecting means such as inserts or sleeves with a higher density or strength than the original wood material.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten, neunten und siebzehnten Patentanspruchs gelöst.This object is achieved with the characterizing features of the first, ninth and seventeenth patent claims.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous configurations result from the subclaims.

Das Bauteil besteht dabei aus einem Werkstoff, der überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen gebildet wird, wobei das das Bauteil wenigstens ein Loch mit einer Längsachse aufweist und erfindungsgemäß der Werkstoff des Bauteils in dem sich an das Loch umfangsseitig anschließenden Bereich eine lokale Verdichtung aufweist.
Durch die lokale Verdichtung werden Setzerscheinungen, die bei Herstellen einer Schraubverbindung mit einem anderen Bauteil auftreten, reduziert.The component consists of a material which is mainly formed from renewable raw materials, the component having at least one hole with a longitudinal axis and, according to the invention, the material of the component having a local compression in the area adjoining the hole on the circumference.
The local compression reduces settling phenomena that occur when a screw connection is made with another component.

Insbesondere weist der sich an das Loch umfangsseitig anschließende Bereich des Bauteils radiale und/oder axiale lokale Verdichtungen auf.In particular, the region of the component adjoining the hole on the circumferential side has radial and / or axial local densities.

Das Bauteil kann bei der axialen Verdichtung im Vorfeld radial verdichtet sein. Somit ergäbe sich eine kombinierte Verdichtung von 1. Radial und 2. Axial. Somit wäre die Lochaussparung im Vorfeld zur axialen Verdichtung eingebracht.During the axial compression, the component can be radially compressed in advance. This would result in a combined compression of 1st radial and 2nd axial. Thus, the hole recess would be made in advance for axial compression.

Die 2. Variante wäre eine axiale Verdichtung und im Nachgang dazu eine Bohrung (spanend) umzusetzen.The second variant would be an axial compression followed by a drilling (machining).

Damit wäre die Verdichtung keine Kombination, sondern lediglich eine Einstufige Verdichtung mit der anschließenden Schraubenaussparung im spanenden Prozess zu unterziehen.This means that the compression would not be a combination, but only a single-stage compression with the subsequent screw recess in the machining process.

Wenn das Loch einen Durchmesser aufweist und beträgt der sich an das Loch umfangsseitig anschließende Umfang des verdichteten Bereiches bevorzugt bis zum fünffachen des Durchmessers des Lochs.If the hole has a diameter and the circumference of the compressed area adjoining the hole is preferably up to five times the diameter of the hole.

Die Höhe des verdichteten Bereiches beträgt bis zum zwanzigfachen des Lochdurchmessers und ist vorzugsweise im Vergleich zur Höhe des Bauteils des reduziert.The height of the compacted area is up to twenty times the hole diameter and is preferably reduced compared to the height of the component.

Das im Bauteil vorhandene Loch ist bevorzugt ein zylindrisches oder nahezu zylindrisches Loch und als Durchgangsloch in dem Bauteil ausgebildet ist oder weist einen Boden auf.The hole present in the component is preferably a cylindrical or almost cylindrical hole and is designed as a through hole in the component or has a bottom.

Der Werkstoff des Bauteils besteht bevorzugt aus Holz oder weist mindestens 50% Anteil an nachwachsenden Rohstoffen auf.The material of the component is preferably made of wood or has a share of at least 50% renewable raw materials.

Besonders bevorzugt ist der der Werkstoff ein Holzwerkstoff, dem bedarfsweise weniger als 50% Anteile an anderen nachwachsenden Rohstoffen wie Graswerkstoffe (Bambus), beigefügt sind,
Das Bauteil kann auch ein Hybridwerkstoff wie Wood Plastic Composite (WPC) mit nachwachsenden Rohstoffen sein.It is particularly preferred that the material is a wood-based material to which, if necessary, less than 50% shares of other renewable raw materials such as grass materials (bamboo) are added,
The component can also be a hybrid material such as Wood Plastic Composite (WPC) with renewable raw materials.

Weiterhin kann das Bauteil eine oder mehrere Materialschichten aus Metall, Kunststoff, Faserverbundmaterial, Papier oder Pappe oder einer Kombination dieser Materialschichten aufweisen.Furthermore, the component can have one or more material layers made of metal, plastic, fiber composite material, paper or cardboard or a combination of these material layers.

Das Bauteil ist bevorzugt in Form einer Platte ausgebildet und weist mindestens zwei Lagen mit nachwachsenden Rohstoffen, bevorzugt drei Holzlagen auf, die bedarfsweise mit weiteren Materialschichten kombiniert sein können.The component is preferably designed in the form of a plate and has at least two layers with renewable raw materials, preferably three wood layers, which, if necessary, can be combined with further material layers.

Das Loch wird bevorzugt in einem Winkel von 90° bis 45° zur Oberseite des Bauteils in das Bauteil eingebracht.The hole is preferably made in the component at an angle of 90 ° to 45 ° to the top of the component.

Das Verfahren zum Herstellen mindestens eines verdichteten Bereiches in einem Bauteil aus einem Werkstoff, der zu mindestens 50% aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, erfolgt dadurch, dass mindestens ein Dorn in den Werkstoff des Bauteils eindringt und dadurch ein Loch im Bauteil erzeugt und den Werkstoff radial und/oder axial verdrängt und dabei in dem das Loch umgebenden Bereich des Werkstoffs eine lokale Verdichtung (V) erzeugt.The method for producing at least one compacted area in a component from a material that consists of at least 50% renewable raw materials is carried out in that at least one mandrel penetrates the material of the component and thereby creates a hole in the component and the material radially and / or axially displaced and a local compression in the area of the material surrounding the hole ( V ) generated.

Alternativ erfolgt das Verfahren zum Herstellen mindestens eines verdichteten Bereiches in einem Bauteil aus einem Werkstoff, der zu mindestens 50% aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, dadurch, dass mindestens ein Dorn in den Werkstoff des Bauteils eindringt und dadurch eine Vertiefung im Bauteil erzeugt und den Werkstoff radial und/oder axial verdrängt und dabei in dem Werkstoff eine lokale Verdichtung (V) erzeugt.Alternatively, the method for producing at least one compacted area in a component from a material that consists of at least 50% renewable raw materials is carried out in that at least one mandrel penetrates the material of the component and thereby creates a recess in the component and the material radially and / or axially displaced and a local compression in the material ( V ) generated.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können zwei sich gegenüberliegende Dorne Anwendung finden, die wechselseitig aus sich gegenüberliegenden Richtungen in das Bauteil eindringen und das Loch mit dem Durchmesser erzeugen und dabei den Werkstoff verdrängen und in dem das Loch umgebenden Bereich verdichten.According to one embodiment of the invention, two opposing mandrels can be used that alternately penetrate the component from opposite directions and create the hole with the diameter and thereby displace the material and compress it in the area surrounding the hole.

Alternativ können zwei sich gegenüberliegende Dorne Anwendung finden und aus sich gegenüberliegenden Richtungen eine Vertiefung im Bauteil erzeugen und den zwischen den Dornen befindlichen Bereich des Bauteils verdichten.
Der wenigstens eine Dorn oder die sich gegenüberliegenden Dorne können zumindest während des Eindringens in das Bauteil rotieren.Alternatively, two opposing mandrels can be used and produce a depression in the component from opposite directions and compress the area of the component located between the mandrels.
The at least one mandrel or the opposing mandrels can rotate at least during the penetration into the component.

Es kann nach dem teilweisen Eindringen eines Dorns in das Bauteil eine Rückhubbewegung des in Eingriff befindlichen Dorns erfolgen und danach eine erneute Vorhubbewegung des Dorns, bei welcher der Dorn weiter in das Bauteil eindringt, bis der Dorn das Bauteil vollständig durchdrungen hat.After a mandrel has partially penetrated the component, a return stroke movement of the engaged mandrel can take place and then a new forward stroke movement of the mandrel, in which the mandrel continues to penetrate the component until the mandrel has completely penetrated the component.

Finden zwei sich gegenüberliegende Dorne Anwendung, kann bei einer Rückhubbewegung eines Dorns eine Vorhubbewegung des gegenüberliegenden Dorns in das Bauteil erfolgen. Dies wird solange im Wechsel durchgeführt, bis das durchgehende Loch im Bauteil erzeugt ist.If two opposing mandrels are used, a forward stroke movement of the opposing mandrel into the component can take place during a return stroke movement of one mandrel. This is carried out alternately until the through hole is created in the component.

Eine maximale Eindringtiefe des Dorns je Vorwärtshub wird dabei bevorzugt in Abhängigkeit vom Bauteil (Material und Dichte des Bauteils) sowie von einer Drehzahl des Dorns und/oder einer Vorschubgeschwindigkeit des Dorns festgelegt.A maximum penetration depth of the mandrel per forward stroke is preferably determined as a function of the component (material and density of the component) as well as a rotational speed of the mandrel and / or a feed rate of the mandrel.

Nach Erreichen dieser festgelegten maximalen Eindringtiefe je Vorschubbewegung vollführt der Dorn einen Rückhub. Dadurch wird vermieden, dass das Bauteil durch die entstehende Reibung zu stark erwärmt wird.After reaching this specified maximum penetration depth per feed movement, the mandrel performs a return stroke. This prevents the component from being overheated by the resulting friction.

Die entsprechenden Werte können einfach durch Referenzversuche ermittelt werden. Bevorzugt werden somit Drehzahl und/oder die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die maximale Eindringtiefe empirisch ermittelt.The corresponding values can easily be determined through reference tests. The rotational speed and / or the feed rate and / or the maximum penetration depth are thus preferably determined empirically.

Dabei wird die maximale Eindringtiefe des jeweiligen Stempels je Hub so festgelegt, dass eine auf das Bauteil durch die Reibung des Stempels wirkende Temperatur maximal 200°C beträgt. (Eventuell auch mehr oder weniger, je nach Bauweilwerkstoff).The maximum penetration depth of the respective punch per stroke is set so that the temperature acting on the component due to the friction of the punch is a maximum of 200 ° C. (Possibly more or less, depending on the construction material).

Das Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens dient zur Erzeugung einer überwiegend radialen Verdichtung und ist in Form wenigstens eines Dorns mit einem zylindrischen oder polygonförmigem Schaft und einer sich in Richtung zum Bauteil im Durchmesser reduzierenden Spitze ausgebildet.The tool for carrying out the method is used to generate a predominantly radial compression and is designed in the form of at least one mandrel with a cylindrical or polygonal shaft and a tip that reduces in diameter in the direction of the component.

Dabei weist das Werkzeug zur Erzeugung einer überwiegend axialen Verdichtung in Richtung zum Bauteil eine platte / plane / konisch mit stumpfen Winkel Fläche auf und/oder erweitert sich vom Bauteil weg im Durchmesser.In order to generate a predominantly axial compression in the direction of the component, the tool has a plate / plane / conical surface with an obtuse angle and / or widens in diameter away from the component.

Der Winkel des stumpf ausgeführten (temperaturbeaufschlagten o. kalten) Formwerkzeuges hat mindestens den Winkel des durch die Verdichtung des Bauteils maximal möglicher Dehnung der in dem Fall vor der Verdichtung ensprechenden Ankathete welcher nach der Verdichtung zur im Dreieck aufgespannten Hypotenuse wird. Diese Dehnung muss mindestens 1 % betragen und somit ergibt sich der entsprechenden Winkel des Formwerkzeuges in Abhängigkeit der Dehnung.The angle of the obtuse (temperature-exposed or cold) molding tool has at least the angle of the maximum possible elongation of the adjacent cathetus, which in the case prior to compression, becomes the hypotenuse spanned in the triangle after compression. This elongation must be at least 1% and thus the corresponding angle of the molding tool results as a function of the elongation.

Die Spitze des Dorns kann auch in Form einer Kegelspitze, eines Kegelstumpfes oder in einer anderen sich in Richtung zum Bauteil im Durchmesser reduzierenden Form ausgebildet sein.The tip of the mandrel can also be designed in the form of a cone tip, a truncated cone or in another shape which reduces in diameter in the direction of the component.

An der dem Dorn gegenüberliegenden Seite des Bauteils kann ein Gegenhalter angeordnet sein und/oder der Dorn kann auch von einem Niederhalter umringt sein. Der Dorn ists mittels eines ersten Antriebes in Rotation versetzbar und mittels eines zweiten Antriebes in Richtung zur Längsachse des Dorns bewegbar wenn eine radiale Verdichtung erzeugt und ein Loch hergestellt werden soll.A counter holder can be arranged on the side of the component opposite the mandrel and / or the mandrel can also be surrounded by a hold-down device. The mandrel can be set in rotation by means of a first drive and can be moved in the direction of the longitudinal axis of the mandrel by means of a second drive if a radial compression is to be generated and a hole is to be made.

Alternativ ist der Dorn nur mittels eines zweiten Antriebes in Richtung zur Längsachse des Dorns bewegbar ist, wenn nur eine axiale Verdichtung erzeugt werden soll.Alternatively, the mandrel can only be moved in the direction of the longitudinal axis of the mandrel by means of a second drive if only axial compression is to be generated.

Gemäß einer Variante der Erfindung kann der Dorn beheizt sein.According to a variant of the invention, the mandrel can be heated.

Bei einem unbeheizten rotierenden Stempel können auch durch Reibung hohe Temperaturen erreicht werden.With an unheated rotating punch, high temperatures can also be reached through friction.

Das Werkzeug kann dabei einen Temperatursensor aufweisen.The tool can have a temperature sensor.

Der axial bzw. radial wirkende Stempel kann auch unbeheizt (kalt) sein, wobei mit dem rotierenden Stempel durch die Reibung mit dem Bauteil auch passiv hohe Temperaturen erreicht werden.The axially or radially acting punch can also be unheated (cold), with the rotating punch also being able to passively reach high temperatures due to the friction with the component.

Bei der Ausformung der axialen Verdichtung kann nach Erreichen der gewünschten Endform das Formwerkzeug (der Dorn) abgekühlt werden (wenn dieser beheizt ist) oder im heißen Zustand ausgeformt werden. Dabei kann die Abkühlung aktiv oder passiv erzeugt werden.When the axial compression is formed, after the desired final shape has been reached, the molding tool (the mandrel) can be cooled (if it is heated) or molded in the hot state. The cooling can be generated actively or passively.

Die Erfindung betrifft die Ausbildung einer dauerhaft gleitfest vorgespannten Verbindungsstelle in einem Werkstoff der zumindest 50% aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, mit metallischen Verbindungsmitteln, indem die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zwischen dem Werkstoff und den metallischen Verbindungsmittel minimiert werden.The invention relates to the formation of a permanently slidably pretensioned connection point in a material which consists of at least 50% renewable raw materials, with metallic connecting means, in that the differences in the mechanical properties between the material and the metallic connecting means are minimized.

Der starke Abfall der Vorspannkraft von gleitfest vorgespannten metallischen Verbindungsmitteln, wie Schrauben durch auftretende Relaxations- und Retardationserscheinungen im Werkstoff eines Bauteils, wird erfindungsgemäß durch eine lokal definierte Erhöhung der Werkstoffrohdichte realisiert. Diese lokale Dichteerhöhung kann durch die erfindungsgemäße Lösung in Form der axialen und/oder radialen Verdichtung während der Halbzeugherstellung oder nachträglich durch entsprechende erfindungsgemäße Werkzeuge erzielt werden.The sharp drop in the pre-tensioning force of sliding-proof pre-tensioned metallic connecting means, such as screws, due to relaxation and retardation phenomena occurring in the material of a component, is implemented according to the invention by a locally defined increase in the raw material density. This local increase in density can be achieved by the solution according to the invention in the form of axial and / or radial compression during the manufacture of the semi-finished product or subsequently by means of corresponding tools according to the invention.

Verbindungsmittel zur Direktverschraubung z. B. selbstschneidende, gewindeformende Schrauben sind davon ausgenommen, weil diese keine dauerhafte gleitfest vorgespannte Verbindung ermöglichen.Lanyard for direct screwing z. B. self-tapping, thread-forming screws are excluded because they do not allow a permanent, non-slip, prestressed connection.

Die Verbindungstelle wird gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens dabei über den kompletten Verbindungsquerschnitt so hoch verdichtet, dass eine dauerhafte gleitfest vorgespannte Schraubverbindung, ohne zusätzliches Verbindungsmittel und Nachspannen dessen realisiert wird. Diese Art Werkstoffverdichtung ist mit Verbindungsmittel bekannter Art im ein- oder zweistufigen Verfahren nicht möglich, weil die zulässige Vorspannkraft des Verbindungmittels dafür zu niedrig ist. Die Verformung des Werkstoffs, insbesondere des Holzwerkstoffes oder einem anderen nachwachsenden Rohstoff (z.B. Bambus oder einer Mischung verschiedener nachwachsender Rohstoffe) in der Verbindungstelle ist plastisch, sie wird im Herstellungsprozess mit pflanzeneigenen Bestandteilen Cellulose, Hemicellulose und Lignin über physikalisch-chemische Prozesse fixiert.According to the method according to the invention, the connection point is compressed so highly over the entire connection cross-section that a permanent, slip-proof, pre-tensioned screw connection is achieved without additional connecting means and re-tensioning thereof. This type of material compaction is not possible with a known type of fastener in a one- or two-stage process because the permissible pretensioning force of the fastener is too low for this. The deformation of the material, in particular the wood material or another renewable raw material (e.g. bamboo or a mixture of different renewable raw materials) in the connection point is plastic, it is fixed in the manufacturing process with the plant's own constituents cellulose, hemicellulose and lignin via physico-chemical processes.

Lignine bilden eine Gruppe von phenolischen Makromolekülen, die sich aus verschiedenen Monomerbausteinen zusammensetzen. Es sind feste Biopolymere, die in die pflanzliche Zellwand eingelagert werden und dadurch die Verholzung der Zelle bewirken (Lignifizierung). Diese Einlagerungen findet man in den Zellwänden von verholzten Pflanzen wie Bambuspflanzen, Gräsern, Stauden, Sträuchern und Bäumen. Lignins form a group of phenolic macromolecules that are composed of various monomer components. They are solid biopolymers that are embedded in the plant cell wall and thereby cause the cell to lignify (lignification). These deposits can be found in the cell walls of woody plants such as bamboo plants, grasses, shrubs, shrubs and trees.

Lignin hat als Stützmaterial und verhärtetes Polymer eine Reihe wichtiger Aufgaben für die Pflanze. Lignine sind wesentlich für die Festigkeit pflanzlicher Gewebe, vor allem für ihre Druckfestigkeit, während die eingelagerten Cellulosefasern die Zugfestigkeit gewährleisten. Reißfeste, biegsame Fasern (Cellulose) werden also von einem dichten und starren Polymer als Füllmaterial (Lignin) durchdrungen.As a support material and hardened polymer, lignin has a number of important functions for the plant. Lignins are essential for the strength of plant tissues, especially for their compressive strength, while the embedded cellulose fibers ensure tensile strength. Tear-resistant, flexible fibers (cellulose) are penetrated by a dense and rigid polymer as filler material (lignin).

Erstmalig wird das im Bauteil enthaltene Lignin zur Erzeugung der lokalen Verdichtungsstellen im Bauteil genutzt, welche durch die Umformung des Bauteils im Bereich der erzeugten Löcher erzeugt werden. Durch das Lignin werden die Verdichtungsstellen stabilisiert, denn es reagiert ähnlich einem Thermoplast.For the first time, the lignin contained in the component is used to generate the local compression points in the component, which are created by the deformation of the component in the area of the holes created. The compression points are stabilized by the lignin, because it reacts like a thermoplastic.

Durch die bei der Herstellung der Löcher mit dem Werkzeug auftretende Reibung wird der Werkstoff erwärmt, wodurch das Lignin plastifiziert wird und beim Abkühlen wieder aushärtet und dadurch dem umgeformten Bereich wieder stabilisiert.The friction that occurs when the holes are made with the tool heats the material, which plasticizes the lignin and hardens it again when it cools, thereby stabilizing the formed area again.

Bei bzw. nach der Formgebung der Verbindungsstelle verbleibt weder das Formwerkzeug noch das Verbindungsmittel zur Ausformung der Verbindungstelle nach Abschluss des Formgebungsprozesses in Verwendung. Nachfolgend wir die hochbelastbare Verbindungsstelle inkl. Standardverbindungsmitteln (Maschinenbauschraube, Scheiben, Mutter) genutzt, um die dauerhafte gleitfest vorgespannte Verbindung umzusetzen.During or after the shaping of the connection point, neither the molding tool nor the connecting means for shaping the connection point remains in use after the shaping process has been completed. In the following, the heavy-duty connection point including standard fasteners (mechanical engineering screw, washer, nut) is used to implement the permanent, non-slip, prestressed connection.

Das erfindungsgemäße Bauteil weist zumindest eine lokale axial und /oder radiale erzeugte Verdichtungsstelle mit einem definiertem Lochdurchmesser auf, wodurch die an dem Bauteil erzeugte Schraubverbindung höheren Belastungen standhält und Setzerscheinungen und innerer Spannungsabbau im Bereich der Schraubverbindung aufgrund der lokalen Verdichtungsstellen im Vergleich zu herkömmlichen Verbindungen, bei welchen die Bauteile keine Verdichtungsstellen aufweisen, reduziert werden. Verfahrensgemäß werden die lokalen Verfestigungen in dem Bauteil mittels eines entsprechenden Werkzeuges, welches am Bauteil aus einer Richtung oder aus zwei sich gegenüberliegenden Richtungen angreift durchgeführt. Dies erfolgt insbesondere mit mindestens einem rotierenden Dorn, welcher eine definierte werkstoffabhängige Kraft auf das Werkstück bewirkt. Dies erfolgt durch den Vorschub des Dorns in Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit und der an der Wirkstelle auftretenden Temperatur.The component according to the invention has at least one local, axially and / or radially generated compression point with a defined hole diameter, as a result of which the screw connection produced on the component withstands higher loads and settling phenomena and internal stress reduction in the area of the screw connection due to the local compression points compared to conventional connections which the components have no compression points, are reduced. According to the method, the local solidifications in the component are carried out by means of a corresponding tool which acts on the component from one direction or from two opposite directions. This is done in particular with at least one rotating mandrel which exerts a defined material-dependent force on the workpiece. This is done by the advance of the mandrel depending on the Rotation speed and the temperature occurring at the point of action.

Als Werkstoffe finden insbesondere nachwachsende Rohstoffe Anwendung, wobei der Anteil an nachwachsenden Rohstoffen mindestens 50% betragen sollte.
Bevorzugt finden Holzwerkstoffe Anwendung oder auch Holzwerkstoffe in Kombination mit einem Anteil an nachwachsenden Rohstoffen <50%.Renewable raw materials, in particular, are used as materials, the proportion of renewable raw materials should be at least 50%.
Preference is given to using wood-based materials or wood-based materials in combination with a proportion of renewable raw materials <50%.

Insbesondere besteht der Werkstoff der Bauteile aus vorwiegend nachwachsenden Rohstoffen wie Holzwerkstoffe, Graswerkstoffe (Bambus) oder aus hybridem Material wie Wood Plastic Composite (WPC) oder Holzwerkstoffe mit metallischen Lagen, Kunststofflagen, Papier- oder Papplagen als Deck- und/oder Zwischenschichten bzw. einer beliebigen Kombination der vorgenannten Materialien.
Werden Werkstoffe aus Holz eingesetzt, sind dies insbesondere Bauteile mit einem geschichteten Aufbau mit mindestens drei untereinander verbundenen Schichten. Derartige Bauteile werden als Lagenholz bezeichnet.In particular, the material of the components consists mainly of renewable raw materials such as wood-based materials, grass-based materials (bamboo) or of hybrid material such as wood plastic composite (WPC) or wood-based materials with metallic layers, plastic layers, paper or cardboard layers as top and / or intermediate layers or one any combination of the aforementioned materials.
If materials made of wood are used, these are in particular components with a layered structure with at least three interconnected layers. Such components are referred to as plywood.

Bevorzugt besteht das Bauteil aus Lagenholz, insbesondere aus Sperrholz. Sperrholz ist die spezifiziertere Legeart der Furniere, wo sich die richtungsabhängigen Eigenschaften durch eine insbesondere 0°-90° Faserverlauforientierung in
eine Sperrwirkung verstärken. Es sind jedoch auch andere Sperrhölzer mit Orientierungen welche vom 0°-90° abweichen, verwendbar.The component is preferably made of plywood, in particular plywood. Plywood is the more specified type of layering of veneers, where the direction-dependent properties are reflected in a particularly 0 ° -90 ° grain orientation in
reinforce a barrier effect. However, other plywood with orientations deviating from 0 ° -90 ° can also be used.

Es können jedoch auch Bauteile aus Bambus oder mit Bambusanteil Anwendung finden, beziehungsweise generell nachwachsende Rohstoffe, die Lignin enthalten.However, components made of bamboo or with a bamboo content can also be used, or generally renewable raw materials that contain lignin.

Die Bauteile sind insbesondere plattenförmig ausgebildet, können aber auch in anderer geometrischer Form vorliegen.The components are designed in particular in the form of plates, but can also be present in a different geometric shape.

In Bezug auf die Oberfläche des Bauteils kann vorzugsweise ein Angriffswinkel des Werkstücks von 90° Anwendung finden, jedoch auch ein davon abweichender Winkel der Bearbeitungsrichtung, wie beispielsweise bis 45°.With respect to the surface of the component, an angle of attack of the workpiece of 90 ° can preferably be used, but also an angle of the machining direction that deviates therefrom, for example up to 45 °.

Durch das Werkzeug wird ein nahezu zylindrisches Loch erzeugt, welches als Durchgangsloch ausgebildet ist oder auch einen Boden aufweisen kann.
Der Bereich der lokalen Verfestigung in Abhängigkeit von dem erzeugten Durchmesser D des Lochs beträgt bevorzugt bei einer radialen Verdichtung bis zu 5xD und bei einer axialen Verdichtung bis zu 20xD.The tool creates an almost cylindrical hole which is designed as a through hole or can also have a bottom.
The range of local solidification as a function of the diameter D of the hole produced is preferably up to 5 × D in the case of radial compression and up to 20 × D in the case of axial compression.

D ist dabei der Formgebende Werkzeugdurchmesser. Der Bereich der Verdichtung ist größer und abhängig von D (ein Vielfache=20x), des lokalen Einflussbereiches eines erzeugten zylindrischen Loches. Die Prozesse spielen sich alle in dem definierten lokalen Bereich von bis zu 20xD um das mit dem Stempel erzeugte Loch ab.D is the forming tool diameter. The area of compression is larger and depends on D (a multiple = 20x), the local area of influence of a generated cylindrical hole. The processes all take place in the defined local area of up to 20xD around the hole created with the punch.

Es ist möglich, das Loch mit der dieses umgebenden Verdichtungsstelle ohne Vorbohren oder auch mit Vorbohren zu erzeugen.It is possible to produce the hole with the compression point surrounding it without pre-drilling or with pre-drilling.

Bei einem Verhältnis Durchmesser-Plattenstärke (bei einem plattenförmigen Bauteil) als Bereich ohne Vorbohren ist das Verhältnis bis 1:2 (Bsp.: 10mm Werkzeugdurchmesser, 20mm Plattenstärke). Bei einem Verhältnis ab 1:4 bis 10:1 Durchmesser D des zu erzeugenden Lochs zu Plattenstärke sollte ein durchmesserabhängiges Vorbohren erfolgen.With a diameter-plate thickness ratio (for a plate-shaped component) as an area without pre-drilling, the ratio is up to 1: 2 (e.g. 10mm tool diameter, 20mm plate thickness). With a ratio from 1: 4 to 10: 1 diameter D of the hole to be produced to the panel thickness, diameter-dependent pre-drilling should be carried out.

Der vorzubohrende Durchmesser sollte 0,1 bis 0,9 x D sein.The diameter to be pre-drilled should be 0.1 to 0.9 x D.

Der Temperaturbereich an der Stelle, an der das Werkstück wirkt, d.h. an der Wirkstelle sollte zwischen 0°C - 210°C, bevorzugt 100°C-150°C, besonders bevorzugt bei 140°C liegen. Insbesondere bei Temperaturen über 100°C wird das im Werkstoff enthaltene Lignin in Verbindung mit dem im Werkstoff wirkenden Umformdruck plastifiziert und verfestigt sich beim Abkühlen wieder.The temperature range at the point where the workpiece works, i.e. at the point of action, should be between 0 ° C - 210 ° C, preferably 100 ° C-150 ° C, particularly preferably 140 ° C. Particularly at temperatures above 100 ° C, the lignin contained in the material is plasticized in connection with the forming pressure acting in the material and solidifies again when it cools.

Es ist möglich das Einbringen der Löcher mit oder ohne Gegenhalter zu realisieren. Ein Gegenhalter ist beispielsweise möglich bei einseitigem und zweiseitigen radialem Verdichtungsprozess, bei einseitigem oder zweiseitigem Eindrücken der Löcher und/oder kombinierter Verdichtung - axial und/oder radial.It is possible to make the holes with or without a counter holder. A counterholder is possible, for example, with a one-sided and two-sided radial compression process, with one-sided or two-sided pressing in of the holes and / or combined compression - axially and / or radially.

Vorzugsweise wird das Verfahren ohne Niederhalter durchgeführt.
Es kann jedoch auf der Seite des Werkzeugs auch ein Niederhalter vorgesehen werden, der das Werkzeug umringt und auf die Oberfläche des Bauteils mit einer Niederhalterkraft wirkt.
Dies kann bei einem einseitigen Verdichtungsprozess der Fall sein, d.h. wenn nur ein Werkzeug zur Herstellung des Lochs Anwendung findet oder auch bei einem zweiseitigen radialen Verdichtungsprozess, d.h. wenn zwei sich gegenüberliegende Werkzeuge auf das Bauteil wirken, auf jeder Seite des plattenförmigen Bauteils ein Dorn.The method is preferably carried out without a hold-down device.
However, a hold-down device can also be provided on the tool side, which surrounds the tool and acts on the surface of the component with a hold-down force.
This can be the case with a one-sided compression process, ie when only one tool is used to produce the hole, or with a two-sided radial compression process, ie when two opposing tools act on the component, a mandrel on each side of the plate-shaped component.

Somit kann der Niederhalter beim Einseitigen/zweiseitigem Drücken und/oder kombinierter Verdichtung Anwendung finden.Thus, the hold-down device can be used for one-sided / two-sided pressing and / or combined compression.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden bei Einbringen der für eine Schraubverbindung erforderlichen Löcher lokale Verfestigungen in dem Bauteil erzeugt, die eine höhere Belastbarkeit der Schraubverbindung gewährleisten.With the solution according to the invention, when the holes required for a screw connection are made, local solidifications in the Component generated that ensure a higher load capacity of the screw connection.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings.

Es zeigen:

  • 1 die Prinzipdarstellung des Verfahrensablaufes beim einseitigen Durchdringen des Bauteils mit einem Dorn,
  • 2 die Prinzipdarstellung des Verfahrensablaufes beim zweiseitigen Durchdringen des Bauteils mit zwei sich gegenüberliegend angeordneten Dornen,
  • 3 die Prinzipdarstellung eines Bauteils mit einer erfindungsgemäßen radialen Verdichtung,
  • 4 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen axialen Verdichtung über den kompletten Verbindungsquerschnitt des Bauteils,
  • 5 die Prinzipdarstellung der Erzeugung einer radialen und axialen Verdichtung unter Verwendung eines Gegenhalters,
  • 6 die Verschraubung von zwei Bauteilen 1 mit axialer und radialer Verdichtung.
Show it:
  • 1 the basic representation of the process sequence when one-sided penetration of the component with a mandrel,
  • 2 the basic representation of the process sequence when two-sided penetration of the component with two opposing mandrels,
  • 3 the schematic representation of a component with a radial compression according to the invention,
  • 4th the schematic representation of an axial compression according to the invention over the complete connection cross-section of the component,
  • 5 the basic representation of the generation of radial and axial compression using a counter holder,
  • 6 the screwing of two components 1 with axial and radial compression.

In 1 ist die Prinzipdarstellung des Verfahrensablaufes beim einseitigen Durchdringen des Bauteils 1 mit einem Werkzeug, welches einen Dorn 2 aufweist bzw. als Dorn 2 ausgebildet ist, der eine Längsachse A2 aufweist, in den Schritten A bis D dargestellt. Das Bauteil 1 ist eine mehrfach geleimte Holzplatte (Lagenholz) mit einer ersten Seite 1.1 und einer zweiten Seite 1.2 und einer Höhe h. Der Dorn 2 weist einen zylindrischen Schaft 3 mit einem Durchmesser D2 auf, an welchen sich in Richtung zum Bauteil 1 eine Spitze 4 anschließt. Die Spitze 4 ist hier im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet und weist einen Kegelwinkel a auf, der bevorzugt zwischen 15° und 20° liegt (der Winkel kann aber auch größer oder kleiner sein).In 1 is the principle representation of the process sequence when one-sided penetration of the component 1 with a tool, which is a mandrel 2 has or as a mandrel 2 is formed, which has a longitudinal axis A2, in the steps A. to D. The component 1 is a multiple glued wooden board (ply wood) with a first side 1.1 and a second page 1.2 and a height H . The thorn 2 has a cylindrical shaft 3 with a diameter D2 on which are in the direction of the component 1 a peak 4th connects. The summit 4th is essentially conical here and has a cone angle a on, which is preferably between 15 ° and 20 ° (but the angle can also be larger or smaller).

Bei dem Schritt A wird der rotierende Dorn 2 mit der Spitze 4 in Richtung zur Oberseite 1.1 des Bauteils 1 bewegt, sitzt hier auf der Seite 1.1 auf und wird nun im Vorhub mit einer Kraft F in das Bauteil 1 gedrückt, wobei gemäß Schritt B der Werkstoff des Bauteils 1 größtenteils radial verdrängt und partiell verdichtet wird. In Schritt C hat der Dorn 2 das Bauteil 1 durchdrungen und es hat sich ein Loch L im Bauteil 1 durch die Verdrängung des Werkstoffs ausgebildet. Um das Loch L wurden durch die Verdrängung des Werkstoffs des Bauteils 1 lokale radiale Verdichtungen V über die gesamte Höhe h des Bauteils 1 erzeugt. Anschließend wird der Dorn 2 in einem Rückhub vorzugsweise rotierend gemäß Schritt D in Pfeilrichtung aus dem Bauteil 1 entfernt. Das im Bauteil 1 erzeugte Loch L weist eine Längsachse A1 und einen Durchmesser d auf, wobei der Durchmesser d dem Durchmesser D2 des Dorns 2 entspricht. Die das Loch L umgebende lokale Verdichtung V bleibt nach dem Entfernen des Dorns 2 im Bauteil 1 bestehen, da diese durch das thermoplastisch reagierende Lignin im Umformbereich des Werkstoffs stabilisiert ist.At the step A. becomes the rotating mandrel 2 with the tip 4th towards the top 1.1 of the component 1 moved, sits here on the side 1.1 and is now in the forward stroke with a force F. into the component 1 pressed, according to step B, the material of the component 1 is largely displaced radially and partially compressed. In step C the mandrel has 2 the component 1 penetrated and there has been a hole L. in the component 1 formed by the displacement of the material. Around the hole L. were caused by the displacement of the component's material 1 local radial compression V over the entire height H of the component 1 generated. Then the mandrel 2 in a return stroke, preferably rotating according to step D in the direction of the arrow from the component 1 away. That in the component 1 created hole L. has a longitudinal axis A1 and a diameter d on, being the diameter d the diameter D2 of the thorn 2 corresponds. That the hole L. surrounding local compression V remains after removing the mandrel 2 in the component 1 exist, as this is stabilized by the thermoplastically reacting lignin in the deformation area of the material.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Dorn 2 erst teilweise in das Bauteil 1 eindringt, wieder zurückgefahren wird und dann erneut tiefer in das Bauteil 1 eindringt und somit eine alternierende Vor- und Rückhubbewegung vollführt, bis der Dorn 2 das Bauteil 1 vollständig durchdrungen hat.There is also the possibility that the thorn 2 only partially in the component 1 penetrates, is moved back again and then deeper again into the component 1 penetrates and thus performs an alternating forward and return stroke movement until the mandrel 2 the component 1 has completely penetrated.

2 zeigt die Prinzipdarstellung des Verfahrensablaufes mit den Schritten A bis D beim zweiseitigen Durchdringen des Bauteils 1 mit zwei sich gegenüberliegend angeordneten Dornen 2, deren Längsachsen A2 fluchten und die abwechselnd von beiden Seiten 1.1, 1.2 immer mit einem Vorschub in das Bauteil 2 eindringen, bis das Loch L sich vollständig im Bauteil 1 ausgebildet hat (Schritt C). Gemäß Schritt A ist noch kein rotierender Dorn 2 in das Bauteil 1 eingedrungen. In Schritt B ist der hier obere Dorn 2 aus Richtung der Oberseite 1.1 des Bauteils 1 in dieses eingedrungen, hat es aber noch nicht durchdrungen. Der obere Dorn 2 ist gemäß Schritt C aus dem Bauteil 1 zurückgefahren und der untere Dorn 2 ist aus Richtung der Unterseite 1.2 des Bauteils 1 in dieses eingedrungen und hat dieses komplett durchdrungen und das Loch L erzeugt. Darauf wurde der untere Dorn 2 gemäß Schritt D ebenfalls außer Eingriff gebracht und das Verfahren ist beendet.
Bei den vorgenannten Beispielen wird der Dorn 2 im Wesentlichen rechtwinklig = Winkel 90° zur Oberseite 1.1 bzw. zur Unterseite 1.2 des Bauteils 1 eingebracht. Es besteht auch die Möglichkeit, den Dorn 2 in einem anderen Neigungswinkel in das Bauteil 1 einzuformen und dadurch ein Loch L zu erzeugen, dessen Längsachse A1 im Bauteilschräg verläuft. 2 shows the basic diagram of the process sequence with the steps A. to D when penetrating the component on both sides 1 with two opposing thorns 2 whose longitudinal axes A2 are aligned and alternating from both sides 1.1 , 1.2 always with one feed into the component 2 penetrate until the hole L. completely in the component 1 has formed (step C). According to step A. is not yet a rotating mandrel 2 into the component 1 penetrated. In step B is the upper mandrel here 2 from the direction of the top 1.1 of the component 1 penetrated into this, but has not yet penetrated it. The upper thorn 2 is out of the component according to step C. 1 retracted and the lower mandrel 2 is from the direction of the bottom 1.2 of the component 1 penetrated into this and has completely penetrated this and the hole L. generated. Then the lower thorn became 2 also disengaged according to step D and the process is ended.
In the above examples, the mandrel 2 Essentially right-angled = 90 ° angle to the top 1.1 or to the bottom 1.2 of the component 1 brought in. There is also the option of the thorn 2 into the component at a different angle of inclination 1 to form a hole L. to generate whose longitudinal axis A1 runs obliquely in the component.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass der Stempel von einem Niederhalter umringt ist, der während des Einformens des Loches auf die Ober oder Unterseite 1.1, 1.2 des Bauteils 1, je nachdem, aus welcher Richtung der Dorn 2 angreift, wirkt.There is also the possibility that the punch is surrounded by a hold-down device, which is placed on the top or bottom while the hole is being formed 1.1 , 1.2 of the component 1 , depending on which direction the mandrel is coming from 2 attacks, works.

Die Prinzipdarstellung eines Bauteils 1 mit einer erfindungsgemäßen radialen Verdichtung V ist in 3 dargestellt.
Es wurde hier im Bauteil 1 ohne Vorbohren ein Loch L mit einem Durchmesser d erzeugt. Die hier radiale Verdichtung V des Werkstoffs, welche sich an das Loch L umfangsseitig anschließt, weist umfangsseitig einen Durchmesser dv auf, der bis 5 x d beträgt. Im dargestellten Beispiel beträgt dv ca. 2 x d.The schematic representation of a component 1 with a radial compression according to the invention V is in 3 shown.
It was here in the component 1 without pre-drilling a hole L. with a diameter d generated. The radial compression here V of the material attached to the hole L. adjoins circumferentially, has a circumferential diameter dv which is up to 5 xd. In the example shown, dv is approx. 2 x d.

Gemäß 4 ist es auch möglich, nur eine axiale Verdichtung V zu erzeugen, die über den kompletten Verbindungsquerschnitt des Bauteils 1 reicht.
Dabei wurde das Loch L durch Vorbohren hergestellt und anschließend der sich umfangsseitig an das Loch anschließende Bereich des Loches L durch einen nicht dargestellten axial wirkenden Stempel mit der axialen Verdichtung V versehen. Die Höhe hv des verdichteten Bereiches V im Bereich des Loches L beträgt hier ca. 0,5 x h.According to 4th it is also possible to only use axial compression V to generate over the complete connection cross-section of the component 1 enough.
In doing so, the hole became L. produced by pre-drilling and then the area of the hole adjoining the hole on the circumference L. by an axially acting punch (not shown) with the axial compression V Mistake. The height hv of the compacted area V in the area of the hole L. here is approx. 0.5 x h.

5 zeigt eine Prinzipdarstellung der Erzeugung einer radialen und axialen Verdichtung V unter Verwendung eines Dorns 2, der eine Schulter 5 mit einem
Durchmesser D5 aufweist, die sich an den Schaft 3 anschließt und eines Gegenhalters 6. Es wurde zuerst in Schritt A die radiale Verdichtung V mit dem Dorn 2 und dessen Spitze 4 erzeugt, indem der Dorn 2 aus Richtung der Oberseite 1.1 in das Bauteil 1 eindringt und dieses vollständig durchdrungen hat, so dass das Loch L mit dem Durchmesser d erzeugt wurde. 5 shows a schematic diagram of the generation of radial and axial compression V using a mandrel 2 that one shoulder 5 with a
diameter D5 has, which is attached to the shaft 3 and a counter holder 6 . It got in step first A. the radial compression V with the thorn 2 and its tip 4th generated by the mandrel 2 from the direction of the top 1.1 into the component 1 penetrates and this has completely penetrated, so that the hole L. with the diameter d was generated.

Bei einem weiteren Vorschub wird die Schulter 5 in das Bauteil 1 axial eingepresst (siehe Schritt B), so dass im Bauteil 1 zusätzlich zur radialen Verdichtung eine axiale Verdichtung V des Werkstoffs im Bauteil 1 aus Richtung der Oberseite 1.1 erzeugt wird, wobei sich die Höhe h des Bauteils 1 in dem Bereich der wirkenden Schulter 5 auf eine Höhe hv verringert.With a further advance, the shoulder becomes 5 into the component 1 axially pressed in (see step B) so that in the component 1 axial compression in addition to radial compression V of the material in the component 1 from the direction of the top 1.1 is generated, increasing the height H of the component 1 in the area of the acting shoulder 5 at a height hv decreased.

An der Unterseite 1.2 des Bauteils 1 liegt bei beiden Stufen ein Gegenhalter 6 an, der eine Bohrung 6 aufweist, durch welche der Dorn 2 greifen kann.On the bottom 1.2 of the component 1 there is a counter holder at both stages 6 which has a bore 6 through which the mandrel 2 can grab.

Eine Verschraubung mit axialer und radialer Verdichtung V ist in 6 dargestellt. Zwei Bauteile 1 liegen mit ihren ebenen Unterseiten 1.2 aneinander an und sind über eine Schraube 7 und eine Mutter 8 miteinander verbunden, wobei die Schraube 7 durch die zueinander fluchtenden Löcher L der Bauteile 1 ragt. Unter dem Schraubenkopf 7.1 und unter der Mutter 8 ist jeweils eine Unterlegscheibe 9 vorgesehen.A screw connection with axial and radial compression V is in 6 shown. Two components 1 lie with their flat undersides 1.2 to each other and are about a screw 7th and a mother 8th connected together, with the screw 7th through the aligned holes L. of the components 1 protrudes. Under the screw head 7.1 and under the mother 8th each is a washer 9 intended.

Der verdichtete Bereich V in den beiden Bauteilen 1 ermöglicht eine höhere Vorspannung und reduziert die Setzerscheinungen bzw. Relaxation und Retadationserscheinungen.The condensed area V in the two components 1 enables a higher preload and reduces the effects of settling or relaxation and retadation.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BauteilComponent
1.11.1
OberseiteTop
1.21.2
Unterseitebottom
22
Dornmandrel
33
Schaftshaft
44th
Spitzetop
55
Schultershoulder
66th
GegenhalterCounterholder
77th
Schraubescrew
7.17.1
SchraubenkopfScrew head
88th
Muttermother
99
Unterlegscheibe Washer
aa
Kegelwinkel der SpitzeCone angle of the tip
bb
Eindringwinkel des DornsPenetration angle of the mandrel
dd
Durchmesser des Lochs LDiameter of the hole L.
dvdv
Umfang des verdichteten BereichesScope of the compacted area
hH
Höhe des Bauteils 1Height of component 1
hvhv
Höhe des verdichteten BereichesHeight of the compacted area
AA.
LängsachseLongitudinal axis
D2D2
Durchmesser des Dorns, der sich an die Spitze 4 anschließtDiameter of the mandrel that extends to the tip 4th connects
D5D5
Durchmesser der Schulter 5Diameter of shoulder 5
FF.
Kraftforce
LL.
Lochhole
VV
Verdichtungcompression

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 2632695 C2 [0003]DE 2632695 C2 [0003]
  • DE 7623015 U1 [0003]DE 7623015 U1 [0003]
  • DE 19724284 C2 [0004]DE 19724284 C2 [0004]
  • DE 102016120728 A1 [0005]DE 102016120728 A1 [0005]
  • WO 2016162111 A1 [0006]WO 2016162111 A1 [0006]

Claims (23)

Bauteil aus einem Werkstoff, der überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) wenigstens ein Loch (L) mit einer Längsachse (A1) aufweist und dass der Werkstoff des Bauteils (1) in dem sich an das Loch (L) umfangsseitig anschließenden Bereich eine lokale Verdichtung (V) aufweist.Component made from a material which consists predominantly of renewable raw materials, characterized in that the component (1) has at least one hole (L) with a longitudinal axis (A1) and that the material of the component (1) in which the hole ( L) the area adjoining the circumference has a local compression (V). Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich an das Loch (L) umfangsseitig anschließende Bereich des Bauteils (1) radiale und/oder axiale lokale Verdichtungen (V) aufweist.Component after Claim 1 , characterized in that the region of the component (1) adjoining the hole (L) on the circumferential side has radial and / or axial local compressions (V). Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (L) einen Durchmesser (d) aufweist und - der sich an das Loch (L) umfangsseitig anschließende Umfang (dv) des verdichteten Bereiches bis 5xd beträgt und/oder - die Höhe (hv) des verdichteten Bereiches bis 20xd beträgt und/oder im Vergleich zur Höhe (h) des Bauteils (1) des Bauteils (1) reduziert ist.Component after Claim 1 or 2 , characterized in that the hole (L) has a diameter (d) and - the circumference (dv) of the compacted area adjoining the hole (L) is up to 5xd and / or - the height (hv) of the compacted area to 20xd and / or is reduced compared to the height (h) of the component (1) of the component (1). Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (L) ein zylindrisches oder nahezu zylindrisches Loch ist (L) und als Durchgangsloch in dem Bauteil (1) ausgebildet ist oder einen Boden aufweist.Component according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the hole (L) is a cylindrical or almost cylindrical hole (L) and is designed as a through hole in the component (1) or has a bottom. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Bauteils (1) mindestens 50% Anteil an nachwachsenden Rohstoffen aufweist.Component according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the material of the component (1) has at least 50% share of renewable raw materials. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - der Werkstoff ein Holzwerkstoff ist und dass dem Holzwerkstoff bedarfsweise weniger als 50% Anteile an anderen nachwachsenden Rohstoffen wie Graswerkstoffe (Bambus), beigefügt sind und/oder - dass das Bauteil (1) ein Hybridwerkstoff wie Wood Plastic Composite (WPC) mit nachwachsenden Rohstoffen ist und/oder - dass das Bauteil (1) eine oder mehrere Materialschichten aus Metall, Kunststoff, Faserverbundmaterial, Papier oder Pappe oder einer Kombination dieser Materialschichten aufweist.Component after Claim 5 , characterized in that - the material is a wood-based material and that, if necessary, less than 50% shares of other renewable raw materials such as grass materials (bamboo) are added to the wood-based material and / or - that the component (1) is a hybrid material such as wood plastic composite ( WPC) with renewable raw materials and / or - that the component (1) has one or more material layers made of metal, plastic, fiber composite material, paper or cardboard or a combination of these material layers. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) in Form einer Platte ausgebildet ist und mindestens drei Lagen mit nachwachsenden Rohstoffen, bevorzugt drei Holzlagen aufweist, die bedarfsweise mit weiteren Materialschichten kombiniert sein können.Component according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the component (1) is designed in the form of a plate and has at least three layers with renewable raw materials, preferably three wood layers, which can be combined with further material layers if necessary. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (L) in einem Winkel (b) von 90° bis 45° zur Oberseite (1.1) des Bauteils (1) in das Bauteil (1) eingebracht ist.Component according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the hole (L) is made in the component (1) at an angle (b) of 90 ° to 45 ° to the top (1.1) of the component (1). Verfahren zum Herstellen mindestens eines verdichteten Bereiches in einem Bauteil (1) aus einem Werkstoff, der zu mindestens 50% aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dorn (2) in den Werkstoff des Bauteils (1) eindringt und dadurch ein Loch (L) im Bauteil (1) erzeugt und den Werkstoff radial und/oder axial verdrängt und dabei in dem das Loch (L) umgebenden Bereich des Werkstoffs eine lokale Verdichtung (V) erzeugt.Method for producing at least one compacted area in a component (1) from a material which consists of at least 50% renewable raw materials, characterized in that at least one mandrel (2) penetrates the material of the component (1) and thereby a hole (L) is generated in the component (1) and displaces the material radially and / or axially and thereby generates a local compression (V) in the area of the material surrounding the hole (L). Verfahren zum Herstellen mindestens eines verdichteten Bereiches in einem Bauteil (1) aus einem Werkstoff, der zu mindestens 50% aus nachwachsenden Rohstoffen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dorn (2) in den Werkstoff des Bauteils (1) eindringt und dadurch eine Vertiefung (V) im Bauteil (1) erzeugt und den Werkstoff radial und/oder axial verdrängt und dabei in dem Werkstoff eine lokale Verdichtung (V) erzeugt.Method for producing at least one compacted area in a component (1) from a material which consists of at least 50% renewable raw materials, characterized in that at least one mandrel (2) penetrates the material of the component (1) and thereby creates a recess (V) is generated in the component (1) and the material is displaced radially and / or axially and a local compression (V) is generated in the material. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich gegenüberliegende Dorne (2) Anwendung finden, die wechselseitig aus sich gegenüberliegenden Richtungen in das Bauteil (1) eindringen und das Loch (L) mit dem Durchmesser (d) erzeugen und dabei den Werkstoff verdrängen und in dem das Loch (L) umgebenden Bereich verdichten oder dass zwei sich gegenüberliegende Dorne (2) Anwendung finden und aus sich gegenüberliegenden Richtungen eine Vertiefung im Bauteil erzeugen und den zwischen den Dornen befindlichen Bereich des Bauteils verdichten.Procedure according to Claim 9 or 10 , characterized in that two opposing mandrels (2) are used, which alternately penetrate the component (1) from opposite directions and generate the hole (L) with the diameter (d) and thereby displace the material and in which the Compress the area surrounding the hole (L) or that two opposing mandrels (2) are used and create a depression in the component from opposite directions and compress the area of the component located between the mandrels. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (2) oder beide Dorne zumindest während des Eindringens in das Bauteil (1) rotiert/rotieren.Method according to one of the Claims 9 to 11 , characterized in that the mandrel (2) or both mandrels rotate / rotate at least during the penetration into the component (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückhubbewegung des in Eingriff befindlichen Dorns (2) erfolgt und danach eine erneute Vorhubbewegung des Dorns (2), bei welcher der Dorn (2) weiter in das Bauteil (1) eindringt und/oder das bei einer Rückhubbewegung eines Dorns (2) eine Vorhubbewegung eines gegenüberliegenden Dorns (2) in das Bauteil (1) erfolgt.Method according to one of the Claims 9 to 11 , characterized in that there is a return stroke movement of the engaged mandrel (2) and then a renewed forward stroke movement of the mandrel (2), during which the mandrel (2) penetrates further into the component (1) and / or during a return stroke movement of a Mandrel (2) a forward stroke movement of an opposing mandrel (2) into the component (1) takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Eindringtiefe des Dorns in Abhängigkeit - vom Bauteil sowie - von einer Drehzahl des Dorns und/oder - einer Vorschubgeschwindigkeit des Dorns festgelegt wird und dass der Dorn nach Erreichen der Eindringtiefe einen Rückhub vollführt.Method according to one of the Claims 9 to 13 , characterized in that a maximum penetration depth of the mandrel is determined depending on - the component and - on a speed of the mandrel and / or - a feed rate of the mandrel and that the mandrel performs a return stroke after reaching the penetration depth. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die maximale Eindringtiefe empirisch ermittelt werden.Procedure according to Claim 14 , characterized in that the speed and / or the feed rate and / or the maximum penetration depth are determined empirically. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Eindringtiefe so festgelegt wird, dass eine auf das Bauteil durch die Reibung des Stempels wirkende Temperatur maximal 200°C (von 150°C auf 200 °C erhöht) beträgt.Procedure according to Claim 14 or 15th , characterized in that the maximum penetration depth is set so that a temperature acting on the component due to the friction of the stamp is a maximum of 200 ° C (increased from 150 ° C to 200 ° C). Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Werkzeug zur Erzeugung einer überwiegend radialen Verdichtung als wenigstens ein Dorn (2) mit einem zylindrischen oder polygonförmigem Schaft (3) und einer sich in Richtung zum Bauteil (1) im Durchmesser reduzierenden Spitze (4) ausgebildet ist oder b) dass das Werkzeug zur Erzeugung einer überwiegend axialen Verdichtung in Richtung zum Bauteil eine platte / plane / konisch mit stumpfen Winkel Fläche aufweist und/oder sich vom Bauteil weg im Durchmesser erweitert.Tool to carry out the procedure according to Claim 9 , characterized in that a) the tool for generating a predominantly radial compression is designed as at least one mandrel (2) with a cylindrical or polygonal shaft (3) and a tip (4) which reduces in diameter in the direction of the component (1) or b) that the tool for generating a predominantly axial compression in the direction of the component has a plate / plane / conical surface with an obtuse angle and / or widens in diameter away from the component. Werkzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (4) in Form einer Kegelspitze, eines Kegelstumpfes oder in einer anderen sich in Richtung zum Bauteil im Durchmesser reduzierenden Form ausgebildet ist.Tool after Claim 17 , characterized in that the tip (4) is designed in the form of a cone tip, a truncated cone or in another shape which reduces in diameter in the direction of the component. Werkzeug nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Dorn (2) gegenüberliegenden Seite des Bauteils (1) ein Gegenhalter angeordnet ist und/oder dass der Dorn (2) von einem Niederhalter umringt ist.Tool after one of the Claims 17 to 18th , characterized in that a counter holder is arranged on the side of the component (1) opposite the mandrel (2) and / or that the mandrel (2) is surrounded by a hold-down device. Werkzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es mittels eines ersten Antriebes in Rotation versetzbar und mittels eines zweiten Antriebes in Richtung zur Längsachse des Dorns bewegbar ist oder nur mittels eines zweiten Antriebes in Richtung zur Längsachse des Dorns bewegbar ist.Tool after Claim 19 , characterized in that it can be set in rotation by means of a first drive and can be moved in the direction of the longitudinal axis of the mandrel by means of a second drive or is only movable in the direction of the longitudinal axis of the mandrel by means of a second drive. Werkzeug nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn beheizt ist.Tool after one of the Claims 17 to 20th , characterized in that the mandrel is heated. Werkzeug nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Temperatursensor aufweist.Tool after one of the Claims 17 to 21st , characterized in that it has a temperature sensor. Werkzeug nach einem der Ansprüche 17. bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug bei der Ausformung der axialen Verdichtung nach Erreichen der Endform abgekühlt wird oder im heißen Zustand ausgeformt wird.Tool after one of the Claims 17 . to 22, characterized in that the molding tool is cooled during the shaping of the axial compression after reaching the final shape or is shaped in the hot state.
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