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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Befestigungsanordnung und ein Verfahren zum Herstellen der Befestigungsanordnung und insbesondere auf ein Kragenzieh-Fügeelement für sogenannte Sandwichbleche.
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HINTERGRUND
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Sandwichbleche sind Verbundteile, bei denen zwei oder mehr gegenüberliegende Bleche durch ein Kunststoffkernmaterial miteinander verbunden sind. Im Allgemeinen berühren sich die Bleche aber nicht. Diese Sandwichbleche werden für vielfältige Anwendungen eingesetzt, da sie einerseits sehr leicht sind, trotzdem aber ein hohe Festigkeit aufweisen.
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So werden Sandwichstrukturen als Kernverbundelemente eingesetzt, wobei mindestens eine Kernschicht aus einem Material mit niedriger Rohdichte von dünnen Deckschichten umgeben ist. Die Zug-, Druck- bzw. Biegebelastungen der Sandwichstrukturen werden maßgeblich von den Deckblechen aufgenommen, während der Kern hauptsächlich auf Schub- bzw. Querdruck beansprucht wird. Um Kräfte zu übertragen, werden die einzelnen Schichten beispielsweise zugfest und schubfest miteinander verbunden.
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Ein Nachteil dieser Sandwichbleche besteht aber darin, dass es sehr schwer ist, dort Anbindungsstellen bereitzustellen, an denen andere Komponenten oder Bauteile befestigt werden können. Denn Sandwichbleche bilden aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften (die Bleche sind oft sehr dünn) keine stabile Grundlage für feste Verbindungen. Konventionelle Fügetechnologien sind daher für Sandwichbleche kaum anwendbar, so dass der industrielle Einsatz von Sandwichblechen bisher eher begrenzt ist.
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Daher wurden bisher für Sandwichbleche beispielsweise Klebeverbindungen genutzt, um daran andere Bauteile zu befestigen. Ebenso wurden Materialverdopplungen bzw. aufwendige Vorbehandlungen durchgeführt, um eine stabile Grundlage zum Befestigen weiterer Elemente zu schaffen. Beispielsweise waren im Kern eingebrachte Versteifungen vorgesehen, um an den so vorbestimmten Stellen Verbindungsteile zu befestigen. Prinzipbedingt, sind diese Vorkehrungen jedoch für marktübliche Sandwichhalbzeuge nicht geeignet. Außerdem wurden bisher konventionelle Nietverbindungen genutzt, wobei diese wiederum den Nachteil haben, dass aufgrund der Kriechneigung des Kunststoffkerns keine Versteifung an der Anbindungsstelle erreicht wurde. Weitere konventionelle Verbindungsverfahren sind thermische Fügeverfahren, die jedoch für Polymerkerne nur sehr eingeschränkt einsetzbar sind. Außerdem wurden bereits Nietmuttern für dicke Sandwichpanele genutzt, wobei diese jedoch nur eine einseitige Verankerung erlauben. Ebenso kamen Schraubverbindungen zum Einsatz, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass dort Vorspannkraftverluste unvermeidbar sind.
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Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Anordnungen, die es erlauben, an einer Sandwichstruktur andere Bauteile sicher zu befestigen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme werden durch eine Anordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur deren Herstellung nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Befestigen (Befestigungsanordnung), die Folgendes umfasst: ein Kernverbundblech und ein Fügeelement. Das Kernverbundblech umfasst einen Kern (oder eine Kernschicht), der zwischen zwei gegenüberliegenden Blechen ausgebildet ist. Das Kernverbundblech weist eine Öffnung mit einem Kragen auf. Das Fügeelement weist ein Verbindungselement und einen Greifabschnitt auf. Der Greifabschnitt umgreift zumindest teilweise den Kragen und das Verbindungselement stellt eine Befestigungsmöglichkeit für die Anordnung bereit.
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Optional ist das Fügeelement derart ausgebildet, dass das Verbindungselement und der Kragen in entgegengesetzte Richtungen zeigen.
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Optional ist die Öffnung mit dem Kragen radialsymmetrisch oder nicht radialsymmetrisch ausgebildet. Das Fügeelement kann mit dem Greifabschnitt den Kragen entlang eines gesamten Umfanges der Öffnung umgreifen. Die Öffnung kann beispielsweise kreisförmig oder oval oder als ein Vieleck ausgebildet sein (z.B. in Form eines Dreiecks, Vierecks, Fünfecks). Damit wird ein Verdrehen des Fügeelements relativ zum Kernverbundblech beim Ausbilden der Befestigung verhindert. Das Fügeelement kann daher durch die Öffnung rotationsfixiert an dem Kernverbundblech gehalten werden.
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Optional kann das Fügeelement zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet sein und/oder mehrere Zungen umfassen, um den Kragen entlang des gesamten Umfanges der Öffnung oder an verschiedenen (z.B. gegenüberliegenden) Stellen zu umgreifen.
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Optional umfasst das Verbindungselement zumindest eine der folgenden Befestigungen:
- - ein Außengewinde oder ein Innengewinde für eine Schraubverbindung,
- - ein Loch oder einen Haken für eine Haken-, Draht- oder Seilendverbindung,
- - eine Nietverbindung,
- - einen flachen Abschnitt zum Ausbilden ein Schweißverbindung oder Lötverbindung.
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Optional umfasst das Fügeelement weiter einen Anschlagabschnitt, der zwischen dem Verbindungselement und dem Greifabschnitt derart ausgebildet ist, dass der Greifabschnitt den Kragen von einer Seite umgreift und der Anschlagabschnitt das Kernverbundblech von einer gegenüberliegenden zweiten Seite abstützt. Damit wird ein fester Griff an dem Kernverbundblech erreicht, da ein Durchgleiten oder Herausziehen zuverlässig verhindert wird. Die Verbindung zwischen dem Fügeelement und dem Kernverbundblech kann daher kraftschlüssig und/oder formschlüssig sein (durch Deformationen). Die Kombination aus Anschlagelement und das Umgreifen des Greifabschnittes verhindert eine axiale Bewegung des Fügeelementes relativ zum Sandwichblech. Ein Verdrehen kann außerdem durch nicht-kreisförmige Öffnungen/Kragen verhindert werden.
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Optional weist der Kern ein Kunststoffmaterial auf. Die gegenüberliegenden Bleche können eine Dicke von beispielsweise 1 mm oder 0,5 mm oder 0,2 mm aufweisen. Sie können auch verschiedene Dicken aufweisen. Die gegenüberliegenden Bleche können sehr dünn ausgebildet werden, da die Stabilität über den Verbund erreicht wird. Die Bleche haben beispielsweise ein Dicke zwischen 0,25 mm bis 0,4 mm oder noch dünner und das Kernverbundblech kann eine Gesamtdicke von 0,5 mm bis 5 mm oder zwischen 1 mm und 3 mm aufweisen.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Befestigungsanordnung. Das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellen eines Kernverbundblech mit einem Kern, der zwischen zwei gegenüberliegenden Blechen ausgebildet ist, wobei das Kernverbundblech eine Öffnung umfasst;
- - Ausbilden eines Kragens um die Öffnung herum;
- - Einsetzen eines Fügeelements mit einem Verbindungselement und einem Greifabschnitt in die Öffnung; und
- - Stauchen des Greifabschnittes, sodass der Greifabschnitt zumindest teilweise den Kragen umgreift, um eine Klemmverbindung zwischen dem Fügeelement und dem Kernverbundblech auszubilden.
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Optional umfasst das Ausbilden des Kragens einen Kragenziehprozess und das Stauchen des Greifabschnittes wird derart ausgeführt, dass eine elastische Vorspannung zwischen dem Fügeelement und dem Kragen erzeugt wird, um das Fügeelement an dem Kragen durch eine Klemmkraft zu halten.
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Ausführungsbeispiele lösen die obengenannten Probleme dadurch, dass beispielsweise eine Kombination eines Kragenziehprozesses zur Versteifung der Anbindungsstelle und einer lokalen Kompensation des Einflusses des Kunststoffkerns mit dem Einbringen eines Fügeelementes genutzt wird, um eine Krafteinleitung mit einer hohen Stabilität zu ermöglichen.
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Vorteile von Ausführungsbeispielen sind unter anderem in Folgendem zu sehen:
- - in der Prozessintegrierbarkeit,
- - in der wirtschaftlichen und umformtechnischen Herstellung von Anbindungsstellen,
- - Steigerung der Anwendungsgebiete für Sandwichbleche.
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Daher können Ausführungsbeispiele beispielsweise im Leichtbau eingesetzt werden aber auch beispielsweise in Verkleidungsteilen für Maschinen und Anlagen Anwendung finden. Ebenso können Ausführungsbeispiele genutzt werden, um Fassadenelemente und Dämmelemente fest an einer Struktur zu befestigen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt eine Anordnung zur Befestigung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2A-2D veranschaulichen den Herstellungsprozess der Befestigungsanordnung gemäß Ausführungsbeispielen.
- 3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung der Befestigungsanordnung gemäß Ausführungsbeispielen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt eine Querschnittsansicht der Anordnung zur Befestigung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Befestigungsanordnung ist ausgebildet, um eine Verbindungsmöglichkeit zum Verbinden weiterer Elemente bereitzustellen.
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Die Anordnung umfasst ein Kernverbundblech 110 mit einem Kern 113. Der Kern 113 ist zwischen zwei gegenüberliegenden Blechen 111, 112 ausgebildet. Das Kernverbundblech 110 umfasst außerdem eine Öffnung 114 mit einem Kragen 115. Die Anordnung umfasst weiter ein Fügeelement 120 mit einem Verbindungselement 122 und einem Greifabschnitt 124. Der Greifabschnitt 124 umgreift zumindest teilweise den Kragen 115, um eine kraftschlüssige bzw. formschlüssige Verbindung herzustellen. Das Verbindungselement 122 dient der Befestigung von anderen Komponenten oder Bauteilen an dem Kernverbundblech 110. Das Kernverbundblech 110 ist ein sogenanntes Sandwichblech.
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Außerdem ist im Ausführungsbeispiel der 1 das Fügeelement 120 derart ausgebildet, dass das Verbindungselement 122 sich gegenüberliegend zu dem Greifabschnitt 124 befindet, so dass der Kragen 115 von dem Verbindungselement 122 weg zeigt. Außerdem umfasst das Fügeelement 120 einen Anschlagabschnitt 127, der zusammen mit dem Greifabschnitt 124 den Kragen 115 beidseitig umgreift, um dadurch eine feste Halterung zu erreichen. Außerdem bietet der Anschlagabschnitt 127 den Vorteil, dass in dem Herstellungsprozess beim Umgreifen durch den Greifabschnitt 124 eine Stauchkraft ausgeübt werden kann, um eine feste Klemmverbindung zwischen dem Fügeelement 120 und dem Kernverbundblech 110 herzustellen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen werden die gegenüberliegenden Bleche 111, 112 (nur) von dem Kern 113 auf Abstand gehalten, d.h. die berühren sich nicht bzw. berühren sich höchsten am Rand des Kragens 115 (als Folge des Stauchens) - nicht aber in einem inneren Punkt. Es brauchen keine weiteren Verstärkungen oder zusätzliche Abstandshalter zwischen den gegenüberliegenden Blechen 111, 112 ausgebildet werden. Der Kern 113 oder die Kernschicht kann ein Kunststoffmaterial aufweisen und die beiden Bleche 111, 112 können ein Metall aufweisen.
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Bei Bedarf kann in das Kernverbundblech 110 auch eine Insel um die Öffnung 114 eingeprägt werden. Dadurch kann die Oberseite des Anschlagabschnitts rund um die Öffnung 114 abgesenkt werden. Dies ermöglicht beispielsweise eine bündige Ausführung von Oberseite des Kernverbundblechs (außerhalb der Einprägung) und Oberseite des Anschlagabschnitts 127.
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Das Verbindungselement 122 kann beispielsweise ein Gewinde aufweisen, welches ein Außengewinde oder ein Innengewinde sein kann, um daran einen Bolzen oder eine Mutter oder eine andere Schraubverbindung auszubilden. Die Öffnung 114 kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein (mit kreisförmigen Rand), wobei der Mittelpunkt in der Öffnung 114 in der 1 die Rotationsachse darstellen würde.
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Die Öffnung 114 kann aber auch nicht rotationssymmetrisch oder nicht radialsymmetrisch sein (z.B. oval geformt oder eine Vieleck bilden). Dies hätte den Vorteil, dass beim Ausbilden einer Schraubverbindung an dem Verbindungselement 122 (nach dem Einfügen des Fügeelements 120) ein wirkendes Drehmoment durch die fehlende Rotationssymmetrie der Öffnung 114 aufgenommen werden kann, da das Fügelement 120 nach dem Einfügen nicht drehbar ist. Dies bedeutet, dass das Fügeelement 120 nicht in einer beliebigen Position in die Öffnung 114 einführt werden kann, sondern nur für bestimmte, diskrete Winkelpositionen einsetzbar ist und danach rotationsfest in der Öffnung 114 verankert ist.
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Das Fügelement 120 kann teilweise oder ganz zylinderförmig gebildet sein, wobei die Greifabschnitte 124 als Zungen ausgebildet sein können, sodass sie um den Kragen herumgebogen werden können. Insbesondere im Bereich des Verbindungselements 122 kann Fügeelement 120 auch als Bolzen ausgebildet sein.
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2A-2D veranschaulichen einen Herstellungsprozess der Anordnung aus der 1. Wenn die Befestigungsanordnung rotationssymmetrisch ist, dann wäre R die Symmetrieachse. Die vollständige Anordnung wäre dann rotationssymmetrisch in Bezug auf die Achse R, sodass die Öffnung 114 ein Kreis ist. Das ist aber nicht zwingend so. Die Öffnung 114 kann auch oval oder eine andere nicht-rotationssymmetrische Form aufweisen.
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2A zeigt zunächst, wie das Fügeelement 120 von einem ersten Stempel 210 aufgenommen bzw. durch diesen geführt wird. Das Fügeelement 120 umfasst das Verbindungselement 122 und den Greifabschnitt 124, zwischen denen ein Anschlagelement 127 ausgebildet ist. Der Stempel 210 kann z.B. in eine zentrale Öffnung des Fügeelements 120 eingesetzt werden (z.B. wenn sie zylinderförmig ausgebildet ist).
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Beim Herstellen wird der Stempel 210 in die Öffnung 114 hineingepresst, wobei der Greifabschnitt 124 radial nach innen gebogen ist und so einen Anschlag bildet und ein Hindurchgleiten verhindern. Der Greifabschnitt 124 kann z.B. als eine hervorstehende Zunge gebildet sein. Das Fügeelement 120 wird dann mit dem Greifabschnitt 124 durch das Kernverbundblech 110 in der 2A nach unten gedrückt. Dadurch bildet sich der Kragen 115 aus. Dies ist ein Kragenziehprozess. Das Kernverbundblech 110 wird dabei zwischen einem Niederhalter 220 und einem Ziehring 230 gehalten. Dadurch ist das Kernverbundblech 110 bei diesem Kragenziehprozess fixiert. Bei ausreichender Stabilität des Kernverbundblechs kann auch auf den Niederhalter 220 verzichtet werden.
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2B zeigt den Zustand, wenn das Anschlagelement 127 an das Kernverbundblech 110 anstößt und dadurch ein weiteres Absenken des Fügeelementes 120 blockiert wird. Da der Stempel 210 weiter in die Öffnung 114 drückt, kommt es zu einem Aufweiten des Greifabschnittes 124 des Fügeelementes 120. Gleichzeitig wird der Kragen 115 ausgebildet und der Greifabschnitt 124 ist axial so lang ausgebildet, dass er über den Kragen 115 hinausragt.
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2C zeigt den nächsten Verfahrensschritt, bei dem ein Stauchen des Fügeelementes 120 erfolgt. Hierzu wird ein Gegenstempel 240 von der Unterseite in die Öffnung zwischen Stempel 210 und Ziehring 230 eingeführt. Z.B. kann der Gegenstempel 240 ringförmig ausgebildet sein, um zwischen dem Stempel 210 und dem Ziehring 230 in die Öffnung 114 eingeführt zu werden. Durch ein Ausüben einer Kraft F auf den Gegenstempel 240 wird der Greifabschnitt 124 umgebogen und umgreift den Kragen 115. Das Fügeelement 120 ist dann mit dem Kragen 115 verbunden. Die Gegenkraft F kann durch den Niederhalter 220 aufgebracht bzw. aufgenommen werden.
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Optional kann bei diesem Prozess ein gezieltes Stauchen vorgesehen sein, bei dem die Kraft F auf den Gegenstempel 240 so weit erhöht wird, dass eine elastische Vorspannung zwischen dem Kragen 115 und dem Greifabschnitt 124 ausgebildet wird, die dazu führt, dass das Fügeelement 120 und der Kragen 115 durch eine Klemmverbindung fest miteinander verbunden sind. Als Folge des Stauchens kann der Kragen 115 eine Wulst ausbilden, die von dem Greifabschnitt 124 umgriffen wird. Dadurch wird die Festigkeit weiter erhöht.
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2D zeigt das Prozessende, bei dem der Stempel 210 und der Gegenstempel 240 entfernt wurden. Nach dem Herausnehmen der fertigen Befestigungsanordnung aus dem Herstellungswerkzeug entsteht so die Anordnung aus der 1.
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Der Prozess kann somit in vier Phasen eingeteilt werden:
- (i) In einer ersten Phase wird zunächst mittels eines Kragenziehens ein vorgelochtes Sandwichblech 110 umgeformt. Das Fügeelement 120 befindet sich in dieser Phase an der Stempelspitze des Stempels 210.
- (ii) In einer zweiten Phase stützt sich das Fügeelement 120 auf dem Sandwichblech 110 ab und wird an der Unterseite durch ein weiteres Einführen des Stempels 210 aufgeweitet.
- (iii) In einer dritten Phase wird anschließend das Fügeelement 120 durch den Gegenstempel 240 um den Kragenrand 115 herumgebogen und kann so weit gestaucht werden, dass an der Fügestelle eine elastische Vorspannung ausgebildet wird.
- (iv) In einer letzten Phase kann eine Entlastung erfolgen, wenn das Umstauchen soweit ausgeführt wurde, dass auch nach der Entlastung eine Klemmkraft zwischen dem Fügeelement 120 und dem Sandwichblech 110 verbleibt.
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3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung der Befestigungsanordnung. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte:
- - Bereitstellen S110 eines Kernverbundblech 110, wobei das Kernverbundblech 110 eine Öffnung 114 umfasst;
- - Ausbilden S120 eines Kragens 115 um die Öffnung 114 herum;
- - Einsetzen S130 eines Fügeelement 120 mit einem Verbindungselement 122 und einem Greifabschnitt 124 in die Öffnung 114; und
- - Stauchen S140 des Greifabschnittes 124, sodass der Greifabschnitt 124 zumindest teilweise den Kragen 115 umgreift.
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Vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:
- Es wird gezielt ein Kragen an dem Kernverbundblech 110 ausgebildet, um einen positiven Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit bei sogenannten Sandwichblechen zu haben. Eine Anzugskraft von Direktverschraubungen kann um 68 bis 90% gesteigert werden, wobei zumindest eine der folgenden Größen dazu gezielt vergrößert werden können: ein Kragendurchmesser, ein Aufweitverhältnis, eine Kragenhöhe, eine Verbunddicke. Ebenso verbessert sich das Kriechverhalten unter einer Dauerbelastung um bis zu 78%, wobei diese Festigkeit von der Deckschichtdicke (Dicke der ersten Schicht 111) abhängt. Beispielsweise kann eine dickere erste Schicht 111 die Festigkeit erhöhen.
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Ausführungsbeispiele nutzen diese Effekte, um werkstoffgerechte, versteifte Anbindungsstellen zu schaffen, wobei spezielle Fügeelemente 120 als „verlorene“ Stempel zum Kragenziehen verwendet werden, die nach dem Umformvorgang durch Form- bzw. Kraftschluss im Bauteil verbleiben.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 110
- Kernverbundblech
- 111,112
- Bleche (z.B. aus einem Metall)
- 113
- Kern
- 114
- Öffnung
- 115
- Kragen
- 120
- Fügeelement
- 122
- Verbindungselement
- 124
- Greifabschnitt
- 127
- Anschlagabschnitt
- 210
- Stempel
- 220
- Niederhalter
- 230
- Ziehring
- 240
- Gegenstempel
