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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum Herstellen einer Strukturverbindung zwischen zwei Strukturteilen mittels schäumbaren Material. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen einer Strukturverbindung zwischen zwei Strukturteilen mittels schäumbarem Material sowie eine Anordnung aus zwei miteinander mit einem Verbindungselement strukturell verbundenen Strukturteilen.
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Im Automobilbereich ist es bekannt, Strukturteile, beispielsweise Blechteile eines Fahrzeugaufbaus, miteinander unter Verwendung eines Klebstoffes mit einer bestimmten Festigkeit zu verkleben, um den gefügten Strukturteilen eine ausreichende Steifigkeit, z. B. Biege- oder Torsionssteifigkeit, zu verleihen. Obwohl Klebstoffe mit derartigen Eigenschaften bekannt sind, sind diese gewöhnlich zur Ausbildung einer fluiddichten Abdichtung/Versiegelung zwischen den verbundenen Strukturteilen unzureichend. Daher wird häufig in einem separaten Schritt noch eine Versiegelung durchgeführt, um beispielsweise das Eindringen von Luft und/oder Wasser/Feuchtigkeit zwischen die gefügten Teile zu verhindern und Korrosion vorzubeugen und/oder verbesserte NVH-Eigenschaften (Noise, Vibration, Harshness) eines Fahrzeugs zu erzielen.
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Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, Strukturteile nachträglich (teilweise) mit einer Strukturverstärkung, beispielsweise einem Strukturschaumstoff, zu versehen und hierdurch zu verstärken. Hierfür kann der Strukturschaumstoff in Hohlräume der Strukturteile eingeschäumt werden. Es kann sich jedoch als schwierig erweisen, die gewünschten Stellen zum Einbringen des Strukturschaumstoffs ausreichend gut zu erreichen. Beispielsweise können die zu verstärkenden Bereiche der Strukturteile lediglich von einer bestimmten Seite aus zugänglich sein.
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Es ist daher allgemein wünschenswert, das Fügen von Strukturteilen (insbesondere auch an schwer zugänglichen Stellen) zu erleichtern, beispielsweise bei der Fahrzeugmontage, ohne jedoch zwingend auf diesen Anwendungsbereich beschränkt zu sein.
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Aus der
DE 10 2011 120 518 A1 ist ein Modulelement mit einem daran angeordneten Kraftstoffeinfüllstutzen für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das Modulelement wird an einer Seitenwand des Kraftfahrzeugs angeordnet und weist auf einer der Seitenwand zugewandten Seite ein expandierbares Dichtungselement auf. Die Befestigung des Modulelements an der Seitenwand erfolgt mittels einer Clip-Verbindung. Das Dichtungselement stellt nach der Expansion eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Modulelement und der Seitenwand bereit.
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Die
DE 10 2016 203 402 A1 beschreibt ein Innenverkleidungselement für Fahrzeuge, bei dem zwischen einem starren Träger und einer Deckschicht ein schäumbares Polymer eingebracht und anschließend aufgeschäumt wird.
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Aus der
US 7 520 560 B2 ist ferner das Verkleben und Versiegeln zweier Fahrzeug-Strukturteile bekannt, indem zwischen zwei gegenüberliegende Fügeflächen der Strukturteile ein expandierbarer Strukturklebstoff eingebracht wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verbindungselement sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Strukturverbindung zwischen Strukturteilen mittels schäumbarem Material bereitzustellen, die ein Fügen der Strukturteile selbst an schwer zugänglichen Stellen in einfacher Weise und ohne großen Montageaufwand ermöglichen. Die Verbindung der Strukturteile soll eine ausreichende Festigkeit/Steifigkeit gewährleisten, wobei zusätzlich eine Versiegelung, insbesondere eine fluiddichte Versiegelung, der Fügestellen erreicht werden soll, um ein Eindringen von Wasser/Feuchtigkeit und/oder Luft zwischen die Strukturteile zu verhindern oder wenigstens deutlich zu erschweren. Korrosion soll auf diese Weise verhindert werden. Ebenfalls sollen die NVH-Eigenschaften (Noise, Vibration, Harshness) der gefügten Teile qualitativ verbessert werden. Schließlich liegt der Erfindung ebenso die Aufgabe zugrunde eine Anordnung aus zwei mit einem derartigen Verbindungselement strukturell verbundenen Strukturteilen bereitzustellen. Die Verbindung soll unter anderem eine hohe Steifigkeit der miteinander verbundenen Strukturteile ermöglichen, gute NVH-Eigenschaften aufweisen sowie eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit bereitstellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
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Außerdem ist zu verstehen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung hierin verwendete relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „geringer“, „breiter“, „schmaler“, „dicker“, „dünner“, „weicher“, „härter" und dergleichen, stets so auszulegen sind, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungs-/Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist gemäß dieser Definition eine Größe eines Merkmals erst dann als im Sinne der vorliegenden Erfindung „größer“, „kleiner“, „geringer“, „breiter“, „schmaler“, „dicker“, „dünner“, „weicher“, „härter" und dergleichen anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.
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Erfindungsgemäß weist ein Verbindungselement zum Herstellen einer Strukturverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Strukturteil mittels schäumbarem Material ein entlang einer Steckrichtung verlagerbares Steckteil auf, das wenigstens zwei durch eine Trennwand fluiddicht voneinander getrennte Kammern jeweils zur Aufnahme eines Reaktanten aufweist, ein mit dem Steckteil mechanisch verbundenes Steckbegrenzungsteil zur Begrenzung der Verlagerung des Steckteils in Steckrichtung, indem das Steckbegrenzungsteil über eine Umfangsfläche des Steckteils radial wenigstens teilweise nach außen vorsteht, und einen Aufbrechmechanismus, der eingerichtet und angeordnet ist, die Trennwand infolge einer dem Aufbrechmechanismus zugeführten Aufbrechkraft derart zu schädigen, dass die fluiddichte Trennung zwischen den wenigstens zwei Kammern aufgehoben ist, wobei die Reaktanten der jeweiligen Kammern so gewählt sind, dass ihre Vermischung eine Aufschäumreaktion hervorruft, die sich radial über die Umfangsfläche des Steckteils hinaus nach außen erstreckt. Mit anderen Worten erzeugt die Aufschäumreaktion der sich mischenden Reaktanten das schäumende bzw. aufgeschäumte Material, das sich infolge der Größe seines Reaktionsvolumens und seiner Reaktionsstärke wenigstens teilweise außerhalb der Kammern erstreckt. Hierzu kann eine der bzw. können die Kammern eine oder mehrere entsprechende Austrittsöffnungen und/oder Sollbruchstellen (gezielte vorgesehene Materialschwächung beispielsweise einer Kammerwandung) aufweisen, die das Austreten des aufschäumenden Materials aus der Kammer in radialer Richtung über die Umfangsfläche des Steckteils hinaus ermöglichen/erleichtern.
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Die Steckrichtung kann beispielsweise eine Richtung parallel zu einer Längsachse des Steckteils sein. Die Längsachse kann beispielsweise eine Symmetrieachse des Steckteils sein, wobei das Steckteil bezüglich seiner Längsachse rotationssymmetrisch oder wenigstens achsensymmetrisch ausgebildet sein kann.
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Als Umfangsfläche des Steckteils bzw. der Kammern des Steckteils kann eine Fläche verstanden werden, die um eine Längsachse des Steckteils verläuft.
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Als Aufbrechen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist allgemein ein gewaltsames Öffnen von etwas Verschlossenem, vorliegend insbesondere die fluiddicht in ihren jeweiligen Kammern aufgenommenen/eingeschlossenen Reaktanten, zu verstehen. Damit ist der Begriff Aufbrechen nicht zwingend lediglich im Sinne von Brechen an sich zu verstehen, sondern kann beispielsweise auch Schneiden, Stechen, Quetschen, Reißen und dergleichen umfassen.
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Die die Kammern voneinander trennende Trennwand kann eine im Wesentlichen starre Wand sein. Ebenso kann die Trennwand eine im Wesentlichen flexible Membran sein, solange die Trennwand in intaktem Zustand eine fluiddichte Trennung der in den Kammern aufgenommenen Reaktanten gewährleistet.
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Die Strukturteile können Blechteile, Kunststoffteile, Verbundteile aus unterschiedlichen Materialien und dergleichen sein. Insbesondere können die Strukturteile Teile eines Fahrzeugaufbaus sein, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Allgemein können die Strukturteile Teile sein, die einem die Strukturteile aufweisenden Gegenstand eine tragende, kraftaufnehmende und kraftübertragende Struktur geben. Insbesondere im Fahrzeugbau können derartige Strukturteile auch crashrelevante Bauteile sein, das heißt Bauteile, die eine Funktion als Crashelemente, z. B. zur Energieabsorption, bereitstellen.
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Eine strukturelle Verbindung zweier solcher Strukturteile im Sinne der Erfindung kann insbesondere eine Verbindung sein, deren mechanische Belastbarkeit derjenigen der einzelnen Strukturbauteile gleichkommt oder diese sogar übertrifft, so dass die gefügten Strukturbauteile zum Beispiel im Falle eines Fahrzeugcrashes ihre Funktion als Crashelemente bestimmungsgemäß ausüben können.
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Das erfindungsgemäße Verbindungselement ermöglicht das Verbinden zweier Strukturteile auf besonders einfache Weise, da es lediglich in seiner Steckrichtung zu bewegen ist, zum Beispiel in eine gemeinsame Stecköffnung der zu fügenden Strukturbauteile von einer Seite aus einzusetzen ist. Mit anderen Worten reicht auch eine erheblich eingeschränkte Zugänglichkeit der zu fügenden Strukturbauteile bzw. der Verbindungsstelle aus, die beispielsweise von lediglich einer bestimmten Seite aus zugänglich ist, um das Verbindungselement in seine bestimmungsgemäße Position zu bringen (zu stecken) und anschließend den Aufbrechmechanismus durch Aufbringen der erforderlichen Aufbrechkraft auf den Aufbrechmechanismus zu aktivieren. Die Kraftzuleitung kann insbesondere von derselben Seite aus erfolgen, von der aus das Verbindungselement gesteckt wurde, also zum Beispiel ebenfalls im Wesentlichen in Steckrichtung, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Der Montageaufwand des Verbindungselements zum Verbinden der Strukturteile ist somit äußerst gering.
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Abhängig von der spezifischen Wahl der Reaktanten kann eine gewünschte Festigkeit/Steifigkeit/Elastizität der Strukturverbindung nach dem Aufschäumen des sich aus den Reaktanten bildenden Endmaterials, z. B. ein aufgeschäumtes Polymer, ein aufgeschäumter Strukturklebstoff und dergleichen, durch chemische Reaktion der sich mischenden Reaktanten mit anschließender Aushärtung hergestellt werden. Die Aufschäumreaktion kann an einer weitgehend unzugänglichen Stelle der zu fügenden Strukturteile ohne weiteren manuellen/maschinellen Eingriff in unzugänglichen Bereichen der Strukturteile erfolgen. Zudem ist das sich aus der Vermischung der Reaktanten ergebende aufgeschäumte Material vorzugsweise in der Lage, eine Versiegelung, insbesondere eine fluiddichte Versiegelung, der Fügestellen zu erreichen, so dass ein Eindringen von Wasser/Feuchtigkeit und/oder Luft zwischen die Strukturteile verhindert oder zumindest erheblich erschwert wird. Hierdurch kann Korrosion vermieden bzw. deren Entstehung deutlich verzögert werden. Ebenfalls lassen sich die NVH-Eigenschaften (Noise, Vibration, Harshness) der gefügten Teile qualitativ deutlich verbessern, da das aufgeschäumte Material Schwingungen und damit eine Schallentstehung dämpfen oder unterbinden kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kammern mit jeweils einer Umfangswand nach außen begrenzt, wobei die Umfangswand einer der Kammern eine geringere Wandstärke aufweist als eine Wandstärke der Umfangswand der anderen Kammer und/oder die Umfangswand wenigstens einer der Kammern eine Sollbruchstelle, beispielsweise in Form einer gezielt vorgesehenen Materialschwächung, aufweist. Da das sich infolge der Aufschäumreaktion der Reaktanten bildende Volumen des aufgeschäumten Materials größer ist als das von den Kammern umschlossene Volumen, durchbricht das aufschäumende Material die Umfangswand mit der geringeren Wandstärke und/oder die Umfangswand mit der Sollbruchstelle zuerst. Hierdurch wird in einfacher Weise ein gezieltes Lenken/Leiten der Ausströmrichtung des schäumenden Materials während der Aufschäumreaktion erzielt. So kann die Anordnung des aufgeschäumten Materials in den besonders bevorzugt zu erreichenden/zu füllenden Bereichen (z. B. eine unzugängliche Rückseite der zu fügenden Strukturteile) ohne weiteren manuellen oder maschinellen Eingriff erfolgen. Dementsprechend kann die strukturelle Verbindung mit den gewünschten Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Steifigkeit/Elastizität, NVH etc.) gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Aufbrechmechanismus eine Einstichnadel auf, mit der die Trennwand zwischen den Kammern durchstoßbar ist. Die Einstichnadel stellt einen besonders einfach bauenden Aufbrechmechanismus dar, da bereits eine einfache Längsverschiebung der Einstichnadel, die durch die zugeführte Aufbrechkraft bewirkt wird, die zunächst fluiddichte Trennung der Kammern gezielt durch Perforation der Trennwand aufheben kann, so dass sich die Reaktanten infolgedessen mischen und eine chemische Reaktion eingehen können. Besonders vorteilhaft kann die Längsverschiebungsrichtung der Einstichnadel mit der Steckrichtung des Steckteils im Wesentlichen übereinstimmen, so dass lediglich eine einzige Montagerichtung sowohl zum Stecken des Verbindungselements als auch zur Aktivierung des Aufbrechmechanismus zur Verfügung stehen muss, um das Verbindungselement erfolgreich verwenden und einsetzen zu können.
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Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Einstichnadel durch eine der Kammern bis außerhalb der Kammer und ist fluiddicht an dieser längsverschiebbar lagerbar. Dadurch wird ein unkontrolliertes Austreten des aufschäumenden Materials an der Lagerstelle der Einstichnadel wirkungsvoll verhindert, so dass im Wesentlichen das gesamte aufschäumende Material während der Aufschäumreaktion gezielt in die gewünschten Bereiche gelenkt werden kann. Außerdem wird eine Verunreinigung auf der Betätigungsseite der Einstichnadel durch das aufschäumende Material verhindert.
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Die fluiddichte Lagerung der Einstichnadel an der Kammer kann beispielsweise über einen (z. B. zylinderförmigen) Nadelschaft erreicht werden, der in einer entsprechend dichten Führung an einer Kammerwand gelagert ist. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Nadelkopf derart ausgebildet sein, dass dieser nach dem Perforieren der Trennwand in einem vollständig zurück-/herausgezogenen Zustand der Einstichnadel an einer Kammerwand fluiddicht anliegt. Beispielsweise kann ein solcher Nadelkopf konisch/spitz in Richtung der Trennwand ausgebildet sein und tellerförmig/flach in Richtung der Kammerwand, die die Einstichnadel längsverschiebbar lagert.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Steckteil an einem vom Steckbegrenzungsteil in Steckrichtung beabstandeten Ende einen über die Umfangsfläche des Steckteils radial wenigstens teilweise nach außen überstehenden Kragen auf. Einerseits unterstützt der Kragen während der Aufschäumreaktion das gezielte Lenken der Strömungsrichtung des aufschäumenden Materials, z. B. vorzugsweise im Wesentlichen in radiale Richtung vom Steckteil weg. Andererseits kann der Kragen nach dem Aushärten des aufgeschäumten Materials auch als zusätzliches Widerlager gegen eine Verlagerung des Verbindungselements entgegen der Steckrichtung dienen, indem sich der Kragen am ausgehärteten, aufgeschäumten Material abstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Steckteil an einem vom Steckbegrenzungsteil in Steckrichtung beabstandeten Ende konisch ausgebildet ist. Das sich verjüngende Ende des konusförmigen Endes ist bevorzugt in Steckrichtung ausgerichtet, so dass das Verbindungselement zur Montage leichter in eine Stecköffnung eingeführt werden kann.
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Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands ist das Steckteil stiftförmig mit einem runden Querschnitt (z. B. kreis/ellipsenförmig) oder mit einem eckigen Querschnitt (d. h. polygonal, z. B. dreieckig, viereckig, quadratisch, fünfeckig usw.) ausgebildet. Auf diese Weise kann das Verbindungselement an eine Vielzahl möglicher Stecköffnungen angepasst sein.
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Insbesondere kann das Verbindungselement bei einem nicht rotationssymmetrischen Querschnitt des Steckteils auch verdrehsicher in eine Stecköffnung eingeführt werden und dort gehalten sein.
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Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands kann/können das Steckteil und/oder das Steckbegrenzungsteil und/oder der Aufbrechmechanismus aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Das ganze Verbindungselement kann aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Die unterschiedlichen Komponenten des Verbindungselements können auch aus einem metallischen Material hergestellt sein oder aus einer Kombination der beiden vorgenannten Werkstoffe.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung aus einem ersten und einem zweiten Strukturteil bereitgestellt, die mit einem Verbindungselement nach einer der vorstehenden Ausgestaltungen strukturell verbunden sind. Die Strukturteile weisen jeweils eine Stecköffnung auf, die im Wesentlichen deckungsgleich übereinander angeordnet sind und in die das Verbindungselement gesteckt ist. Das Steckbegrenzungsteil liegt an einem der Strukturteile an und das infolge der Aufschäumreaktion der Reaktanten nach Aktivierung des Aufbrechmechanismus gebildete, aufgeschäumte Material erstreckt sich radial über die Umfangsfläche des Steckteils hinaus nach außen und liegt am anderen Strukturteil an.
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Bezüglich anordnungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile anordnungsgemäßer Merkmale wird vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verbindungselements verwiesen. Mit anderen Worten sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verbindungselements in sinngemäßer Weise ebenso zur Definition der erfindungsgemäßen Anordnung herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenfalls sollen Offenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Anordnung in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verbindungselements herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verbindungselements sowie der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Anordnung zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
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Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer Strukturverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Strukturteil mittels schäumbarem Material unter Verwendung eines Verbindungselements nach einer der vorstehenden Ausgestaltungen die Schritte auf:
- - Anordnen des ersten und zweiten Strukturteils mit jeweils einer Stecköffnung derart, dass die jeweiligen Stecköffnungen deckungsgleich übereinanderliegen,
- - Stecken des Steckteils in Steckrichtung in die Stecköffnungen der ersten und zweiten Strukturteile, bis das Steckbegrenzungsteil an einem der Strukturteile anliegt,
- - Zuführen der Aufbrechkraft auf den Aufbrechmechanismus des Verbindungselements, um die Trennwand zwischen den Kammern derart zu schädigen, dass die fluiddichte Trennung zwischen den die jeweiligen Reaktanten enthaltenden Kammern aufgehoben wird und die Aufschäumreaktion der sich infolgedessen mischenden Reaktanten herbeigeführt wird, und
- - Lenken des sich infolge der Aufschäumreaktion bildenden aufschäumenden Materials radial über die Umfangsfläche des Steckteils hinaus nach außen und gegen das andere Strukturteil, d. h. gegen das nicht (u. U. unmittelbar) am Steckbegrenzungsteil anliegende Strukturteil.
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Damit sind die Strukturteile zwischen dem an einem der Strukturteile anliegenden Steckbegrenzungsteil einerseits und dem am anderen Strukturteil anliegenden aufgeschäumten Material andererseits eingefügt. Sie können in dieser SandwichAnordnung zusammengedrückt sein.
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Erneut sei angemerkt, dass bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verbindungselements verwiesen wird, so dass Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verbindungselements in sinngemäßer Weise ebenso zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenfalls sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verbindungselements herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Somit kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verbindungselements sowie des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, das im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
- 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines beispielhaften Füge-/Verstärkungsbereichs von Strukturteilen eines Fahrzeugaufbaus mittels aufschäumbarem Material,
- 2 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verbindungselements gemäß der Erfindung,
- 3 in unterschiedlichen Ansichten A-D die Funktionsweise des Verbindungselements aus 2,
- 4 in unterschiedlichen Ansichten A-D die Funktionsweise des Verbindungselements aus 2 zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Strukturteilen und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Strukturverbindung zwischen Strukturteilen mittels schäumbarem Material gemäß der Erfindung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
- 1 stellt eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines beispielhaften Füge-/Verstärkungsbereichs 1 von Strukturteilen 2 (z. B. Dachholm) und 3 (z. B. B-Säule) eines Fahrzeugaufbaus 4 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs mit einem aufgeschäumten Material 5 (z. B. aufgeschäumtes Polymer, aufgeschäumter Klebstoff/Strukturklebstoff) dar. Das aufgeschäumte Material 5 ist in 1 zu erkennen, da die Vorderseite der Strukturteile 2, 3 in der Darstellung der 1 weggeschnitten wurde. Es ist zu verstehen, dass das aufgeschäumte Material 5 bei dem gezeigten Beispiel in einen im Wesentlichen geschlossenen Hohlraum der Strukturteile 2, 3 eingebracht wurde. Dieser Hohlraum ist lediglich von einer Außenseite der Strukturteile 2, 3 zugänglich.
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Die in 1 dargestellte, mittels des aufgeschäumten Materials 5 hergestellte strukturelle Verbindung und/oder Strukturverstärkung zwischen den Strukturteilen 2, 3 weist eine mechanische Belastbarkeit auf, die derjenigen der einzelnen Strukturteile 2, 3 gleichkommt oder diese sogar übertrifft. Damit können die gefügten/verstärkten Strukturteile 2, 3 im Falle eines Crashes des nicht weiter dargestellten Fahrzeugs ihre Funktion als Crashelemente bestimmungsgemäß ausüben.
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Die Erfindung ist nicht zwingend auf die Verwendung in dem in 1 dargestellten Anwendungsbereich (Fahrzeugmontage) beschränkt, auch wenn dieser aufgrund seiner vielfach unter sehr beengten Montagebedingungen zu fügenden und/oder zu verstärkenden Strukturteile mit besonderen Anforderungen an ihre Crasheigenschaften/Crashresistenz besonders bevorzugt ist.
- 2 stellt schematisch eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verbindungselements 10 gemäß der Erfindung dar. Das Verbindungselement 10 dient dem Herstellen einer Strukturverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Strukturteil 11, 12 (siehe 4) mittels eines schäumbaren Materials 13 (s. 3 und 4).
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Wie 2 zu entnehmen ist, weist das Verbindungselement 10 ein entlang einer Steckrichtung 14 verlagerbares (vorliegend stiftförmiges) Steckteil 15 auf. Das Steckteil 15 weist in Steckrichtung 14 zwei durch eine Trennwand 16 fluiddicht voneinander getrennte Kammern 17 und 18 auf. In jeder Kammer 17, 18 ist jeweils ein Reaktant aufgenommen, der bei einer Vermischung mit dem in der benachbarten Kammer aufgenommen Reaktanten eine Aufschäumreaktion infolge einer chemischen Reaktion hervorruft, aus der das aufgeschäumte Material 13 (3, 4) hervorgeht.
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Des Weiteren ist in 2 ein mit dem Steckteil 15 mechanisch verbundenes Steckbegrenzungsteil 19 zur Begrenzung der Verlagerung des Steckteils 15 in Steckrichtung 14 zu erkennen. Wie 2 zu entnehmen ist, steht das Steckbegrenzungsteil 19 über eine Umfangsfläche 20 des Steckteils 15 radial (vorliegend vollumfänglich) nach außen vor.
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Des Weiteren weist das Verbindungselement 10 einen Aufbrechmechanismus 21 (vorliegend in Form einer Einstichnadel) auf, der eingerichtet und angeordnet ist, die Trennwand 16 infolge einer dem Aufbrechmechanismus 21 zugeführten Aufbrechkraft F zu schädigen. Hierbei erfolgt die Schädigung der Trennwand 16 derart, dass die fluiddichte Trennung zwischen den Kammern 17, 18 aufgehoben ist und sich die in den Kammern 17, 18 aufgenommenen Reaktanten infolgedessen untereinander mischen können. Dies löst die Aufschäumreaktion hervor, die sich radial über die Umfangsfläche 20 des Steckteils 15 hinaus nach außen erstreckt, wie nachstehend noch genauer erläutert werden wird.
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Wie bereits erwähnt wurde, weist der Aufbrechmechanismus 21 des gezeigten Ausführungsbeispiels eine Einstichnadel auf, ohne allerdings hierauf zwingend beschränkt zu sein. Die Trennwand 16 zwischen den Kammern 17, 18 ist mit der Einstichnadel 21 durchstoßbar.
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2 ist weiter zu entnehmen, dass das Steckteil 15 an einem vom Steckbegrenzungsteil 19 in Steckrichtung 14 beabstandeten Ende einen über die Umfangsfläche 20 des Steckteils 15 radial nach außen überstehenden Kragen 22 aufweist. Des Weiteren ist das Steckteil 15 an dem vom Steckbegrenzungsteil 19 in Steckrichtung 14 beabstandeten Ende zusätzlich konisch ausgebildet und weist ein konusförmiges Ende 23 auf, dessen Verjüngung in Steckrichtung 14 ausgerichtet ist.
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Insgesamt kann das Steckteil 15 stiftförmig mit einem runden oder eckigen Querschnitt sein. Ferner kann/können das Steckteil 15 und/oder das Steckbegrenzungsteil 19 und/oder der Aufbrechmechanismus 21 und/oder der Kragen 22 und/oder das konusförmige Ende 23 aus einem Kunststoffmaterial, einem Metall oder aus einer Kombination hiervon gebildet sein.
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3 stellt in vier verschiedenen Ansichten A-D die Funktionsweise des Verbindungselements 10 aus 2 alleine genauer dar. 3A stellt im Wesentlichen das Verbindungselement 10 wie in Ansicht 2 (allerdings ohne Aufbrechmechanismus 21) dar. In 3B ist zu erkennen, dass sich die Einstichnadel 21 durch die erste Kammer 17 erstreckt. An der Kammer 17 ist die Einstichnadel fluiddicht längsverschiebbar (vorliegend in dieselbe Richtung wie die Steckrichtung 14) gelagert. Die Einstichnadel 21 erstreckt sich außerdem bis außerhalb der ersten Kammer 17, so dass auf sie von außen die Aufbrechkraft F ausgeübt werden kann. Die Aufbrechkraft F wirkt vorliegend in dieselbe Richtung wie die Steckrichtung 14, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. In 3B ist die Einstichnadel 21 bereits infolge der Einwirkung der Aufbrechkraft F durch die Trennwand 16 gedrungen und hat diese geschädigt (perforiert), wie durch eine Öffnung in der Trennwand 16 in 3C angedeutet ist. Durch die Schädigung der Trennwand 16 können sich die in den Kammern 17 und 18 enthaltenen Reaktanten mischen und in einer chemischen Reaktion die Aufschäumreaktion hervorrufen. Die Aufschäumreaktion der sich mischenden Reaktanten ist in seiner Volumenausdehnung und Reaktionsstärke derart bemessen, dass sich das aufschäumende Material 13 radial über die Umfangsfläche 20 des Steckteils 15 hinaus nach außen erstreckt. Um diese Ausdehnung des aufschäumenden Materials 13 zu erleichtern, können die Kammern 17, 18 mit jeweils einer Umfangswand (entsprechend der Umfangsfläche 20) nach außen begrenzt sein, wobei die Umfangswand einer der Kammern 17, oder 18 eine geringere Wandstärke aufweist als eine Wandstärke der Umfangswand der anderen Kammer 18 bzw. 17 und/oder die Umfangswand wenigstens einer der Kammern 17, 18 eine Sollbruchstelle (nicht dargestellt) aufweist.
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4 stellt in vier verschiedenen Ansichten A-D die Funktionsweise des Verbindungselements 10 aus 2 zur Herstellung einer Verbindung zwischen den zwei Strukturteilen 11 und 12 genauer dar. Die einzelnen Ansichten A-D der 4 werden nun ebenfalls in Verbindung mit 5 beschrieben, die ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Strukturverbindung zwischen den Strukturteilen 11 und 12 mittels des schäumbaren Materials 13 gemäß der Erfindung unter Verwendung des Verbindungselements 10 darstellt.
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In einem ersten Schritt 100 werden das erste und das zweite Strukturteil 11, 12 mit jeweils einer Stecköffnung 24 derart angeordnet, dass die jeweiligen Stecköffnungen 24 deckungsgleich übereinanderliegen, wie in 4A dargestellt ist. Dann wird in einem Schritt 101 das Steckteil 15 des Verbindungselements 10 in Steckrichtung 14 in die Stecköffnungen 24 der ersten und zweiten Strukturteile 11, 12 gesteckt, bis das Steckbegrenzungsteil 19 an einem der Strukturteile (vorliegend am ersten Strukturteil 11) anliegt, wie ebenfalls in 4A zu sehen ist. Dann wird in einem Schritt 102 dem Aufbrechmechanismus (vorliegend der Einstichnadel 21) des Verbindungselements 10 die Aufbrechkraft F zugeführt, um die Trennwand 16 zwischen den Kammern 17 und 18 derart zu schädigen (4B), dass die fluiddichte Trennung zwischen den die jeweiligen Reaktanten enthaltenden Kammern 17, 18 aufgehoben wird (4C) und die Aufschäumreaktion der sich infolgedessen mischenden Reaktanten herbeigeführt wird, um letztendlich das aufgeschäumte Material 13 zu bilden (4D). In einem Schritt 103 wird das sich infolge der Aufschäumreaktion bildende aufschäumende Material 13 radial über die Umfangsfläche 20 des Steckteils 15 hinaus nach außen und gegen das andere der beiden Strukturteile (vorliegend gegen das zweite Strukturteil 12) gelenkt, wie in 4D gut zu erkennen ist. Der Kragen 22 unterstützt diese Lenkwirkung der Strömungsrichtung während der Aufschäumreaktion zusätzlich. Nach dem Aushärten des aufgeschäumten Materials 13 sind die beiden Strukturteile 11 und 12 zwischen dem Steckbegrenzungsteil 19 einerseits und dem aufgeschäumten Material 13 andererseits zusammengedrückt. Das aufgeschäumte Material 13 stellt sowohl die strukturell stabile Verbindung als auch eine Versiegelung zwischen den Strukturteilen 11 und 12 her. Zu Herstellung dieser Strukturverbindung ist lediglich die Montage des Verbindungselements 10 von der Seite des ersten Strukturteils 11 in Steckrichtung 14 erforderlich. Die freie Seite des zweiten Strukturteils 12 kann für manuelle und/oder maschinelle Bearbeitungsvorgänge im Wesentlichen vollständig unzugänglich sein. Die Zugänglichkeit der Strukturteile 11, 12 kann somit erheblich eingeschränkt sein, und dennoch kann die Strukturverbindung/-verstärkung der Strukturteile 11, 12 mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement 10 erfolgen.
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4D stellt auch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 25 dar. Die Anordnung 25 weist das erste und zweite Strukturteil 11 und 12 sowie das Verbindungselement 10 auf, das die Strukturelemente 11, 12 miteinander verbindet und/oder die Verbindung dieser versiegelt. Wie bereits beschrieben, weisen die Strukturteile 11, 12 jeweils eine Stecköffnung 24 auf, die deckungsgleich übereinander angeordnet sind. In die Stecköffnungen 24 ist das Verbindungselement 10 gesteckt. Hierbei liegt das Steckbegrenzungsteil 19 an einem der Strukturteile (vorliegend am ersten Strukturteil 11) an. Das infolge der Aufschäumreaktion der Reaktanten der Kammern 17 und 18 nach der Schädigung der Trennwand 16 mittels des Aufbrechmechanismus (vorliegend die Einstichnadel 21) gebildete aufgeschäumte Material 13 erstreckt sich radial über die Umfangsfläche 20 des Steckteils 15 hinaus nach außen und liegt am anderen Strukturteil (vorliegend am zweiten Strukturteil 12) an.
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Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verbindungselement, das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verbindungsverfahren sowie die offenbarte Anordnung aus zwei Strukturteilen und einem erfindungsgemäßen Verbindungselement sind nicht auf die hierin jeweils offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale sowohl des Verfahrens als auch des Verbindungselements sowie der Anordnung ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung der vorliegenden Erfindung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform werden sowohl das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren als auch das erfindungsgemäße Verbindungselement zum Fügen von Strukturteilen eines Fahrzeugs, beispielsweise Strukturteile eines Fahrzeugaufbaus, verwendet, ohne jedoch hierauf zwingend beschränkt zu sein. Die erfindungsgemäße Anordnung aus zwei mit einem derartigen Verbindungselement verbundenen Strukturteilen wird vorzugsweise im Fahrzeugbau verwendet, ohne jedoch ausschließlich bzw. zwingend auf diesen Anwendungsbereich beschränkt zu sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füge-/Verstärkungsbereich
- 2
- Strukturteil
- 3
- Strukturteil
- 4
- Fahrzeugaufbau
- 5
- Aufgeschäumtes Material
- 10
- Verbindungselement
- 11
- Erstes Strukturteil
- 12
- Zweites Strukturteil
- 13
- Aufgeschäumtes Material
- 14
- Steckrichtung
- 15
- Steckteil
- 16
- Trennwand
- 17
- Erste Kammer
- 18
- Zweite Kammer
- 19
- Steckbegrenzungsteil
- 20
- Umfangsfläche
- 21
- Aufbrechmechanismus / Einstichnadel
- 22
- Kragen
- 23
- Konusförmiges Ende
- 24
- Stecköffnung
- 25
- Anordnung
- 100
- Anordnen des ersten und zweiten Strukturteils mit jeweils einer Stecköffnung, so dass die Stecköffnungen deckungsgleich übereinanderliegen
- 101
- Stecken des Steckteils in Steckrichtung in die Stecköffnungen, bis das Steckbegrenzungsteil an einem der Strukturteile anliegt
- 102
- Zuführen der Aufbrechkraft auf den Aufbrechmechanismus zum Schädigen der Trennwand und Herbeiführen der Aufschäumreaktion
- 103
- Lenken des aufschäumenden Materials radial über die Umfangsfläche des Steckteils hinaus nach außen und gegen das andere Strukturteil
- F
- Aufbrechkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011120518 A1 [0005]
- DE 102016203402 A1 [0006]
- US 7520560 B2 [0007]
