DE10250118A1 - Method for attaching an insert to a component made of a lightweight material - Google Patents
Method for attaching an insert to a component made of a lightweight materialInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Befstigen eines als Montageelement verwendbaren Einsatzes (6) an einem Bauteil (1) aus einem Leichtbau-Werkstoff, insbesondere einem metallisch-zellularen Werkstoff, beschrieben. Das Bauteil (1) wird dazu mit einer Aussparung (2) versehen, in die ein Körper (5) aus thermoplastischem Material eingebracht wird. Der Einsatz (6) wird zum Einführen in die Aussparung (2) an einer Sonotrode (9) befestigt, die zum Plastifizieren des thermoplastischen Materials und dadurch zur festen stoff- und/oder formschlüssigen Verbindung des Einsatzes (6) mit dem Bauteil (1) im Bereich der Aussparung (2) verwendet wird (Fig. 5).A method for fastening an insert (6) that can be used as a mounting element to a component (1) made of a lightweight material, in particular a metallic-cellular material, is described. For this purpose, the component (1) is provided with a recess (2) into which a body (5) made of thermoplastic material is introduced. The insert (6) is fastened to a sonotrode (9) for insertion into the recess (2), which is used for plasticizing the thermoplastic material and thereby for a firm material and / or positive connection of the insert (6) to the component (1). is used in the region of the recess (2) (Fig. 5).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. The invention relates to a method specified in the preamble of claim 1 Genus.
Bauelemente aus Leichtbau-Werkstoffen, insbesondere Metallschäumen und anderen (metallisch-) zellularen Werkstoffen, werden zunehmend im Fahrzeugbau genutzt, um bei hinreichender Festigkeit und Steifigkeit die Bauteilmasse zu verringern. Sie finden aber auch in weiten Bereichen des Maschinenbaus Anwendung und zeichnen durch die Auflösung der kompakten und massiven Struktur in eine offen- oder geschlossenporige zellulare Struktur aus. Für den industriellen (Groß-)Einsatz derartiger Werkstoffe oder mit diesen hergestellter Werkstoffverbunde ist es erforderlich, sie mit vorzugsweise ans Metall gefertigten Montageelementen wie z. B. Schrauben, Bolzen, Stiften od. dgl. zu versehen. Dazu werden geeignete Fügeverfahren benötigt, da die Montageelemente nicht ohne weiteres dauerhaft fest an den Bauteilen befestigt werden können. Components made of lightweight materials, especially metal foams and others (Metallic) cellular materials are increasingly used in vehicle construction to sufficient strength and rigidity to reduce the component mass. But you find also used in wide areas of mechanical engineering and are characterized by Dissolution of the compact and massive structure in an open or closed pore cellular structure. For the industrial (large) use of such materials or with these manufactured composite materials, it is necessary, preferably with ans Metal-made mounting elements such. B. screws, bolts, pins or the like Mistake. Suitable joining methods are required for this, since the assembly elements are not can easily be permanently attached to the components.
Als grundsätzlich geeignete Fügeverfahren haben sich das Kleben, Schrauben, Löten und spezielle Schweißverfahren erwiesen. Dies gilt allerdings nicht uneingeschränkt. Adhesive bonding, screwing, soldering and special welding processes proven. However, this does not apply without restriction.
Beim direkten Schweißen von Metallschäumen treten Probleme auf, welche schaumseitig auf die sehr geringe und vor allem ungleichmäßige Dicke der zu verschweißenden Bereiche zurückzuführen sind. Die relativ hohe Schweißtemperatur impliziert Eigenspannungen in der Wärmeeinflußzone und führt meistens zu Verzug. Problems arise with the direct welding of metal foams, which are on the foam side to the very small and above all uneven thickness of the welded Areas. The relatively high welding temperature implies Residual stress in the heat affected zone and usually leads to warpage.
Beim Löten von Schaumwerkstoffen können aufgrund des Eindringens von Lötflußmitteln in die poröse Schaumstruktur Korrosionsprobleme sowie Beeinflussungen der Eigenschaften des zellularen Werkstoffs im Kontaminationsbereich auftreten. Weiterhin ist die Festigkeit gelöteter Verbindungen oft erheblich geringer als die technische Streckgrenze des Schaumwerkstoffs bei gleicher Dichte. When soldering foam materials, due to the penetration of soldering flux in the porous foam structure corrosion problems as well as influencing the Properties of the cellular material occur in the contamination area. Furthermore, the The strength of soldered connections is often considerably lower than the technical yield point of the foam material with the same density.
Das ausschließlich kraftschlüssige Fügeverfahren "Schrauben" ist aufgrund unzureichender Festigkeit der Schaumstruktur kaum einsetzbar. The only non-positive joining process "screws" is due to insufficient Strength of the foam structure can hardly be used.
Ideal wäre ein flächen- bzw. volumenhaftes und stoffschlüssiges Fügeverfahren. Dieser Forderung entspricht das Kleben als Fügetechnik. Nahezu alle Werkstoffgruppen lassen sich miteinander verbinden, ohne daß die Werkstoffeigenschaften der Fügeteile unzulässig verändert werden. Das Kleben zählt zu den wärmearmen Fügeverfahren, bei dem keine lokale Schwächung der Fügezone sondern eine flächenhafte stoffschlüssige Verbindung der Fügeteile erfolgt. Deren Festigkeit ist in der Regel höher als die des zellularen Werkstoffs. Weiterhin kann das Fügeverfahren "Kleben" insbesondere bei Mischbauweise, d. h. bei Verwendung unterschiedlicher metallischer und/oder nichtmetallischer Werkstoffe multifunktionale Eigenschaften aufweisen und zusätzlich Aufgaben wie elektrochemische Isolation und Dichtfunktion übernehmen. Nachteilig bezüglich der Verfahrensgeschwindigkeit sind die bei Raumtemperatur oft mehrere Stunden dauernden Aushärtungszeiten geeigneter, insbesondere duroplastischer Reaktionsklebstoffe. Eine Verkürzung der Aushärtungszeiten wäre zwar durch eine Erhöhung der Aushärtungstemperatur möglich, erfordert aber weiteren apparativen Aufwand und finanziellen Einsatz. An areal or volume-like and materially joining process would be ideal. This Adhesion meets the requirements as a joining technique. Leave almost all material groups join together without impermissibility of the material properties of the parts to be joined to be changed. Gluing is one of the low-heat joining processes, in which none local weakening of the joining zone but a flat material connection of the Joined parts are made. Their strength is usually higher than that of the cellular one Material. Furthermore, the "gluing" joining method can be used in particular in the case of mixed construction, ie H. when using different metallic and / or non-metallic materials have multifunctional properties and additional tasks such as electrochemical Take over insulation and sealing function. Disadvantageous in terms of The process speed is the curing time, which often lasts several hours at room temperature suitable, in particular thermosetting reactive adhesives. A shortening of the Curing times would be possible by increasing the curing temperature, but requires additional equipment and financial effort.
Im Falle des Einbringens von Montageelementen in Form von Einsätzen, mit denen Schrauben, Stifte, Muttern od. dgl. fest verbunden werden könnten, erlauben metallisch zellulare Werkstoffe (z. B. Metallschäume) das Ein- oder Umschäumen dieser Einsätze direkt beim Herstellungsprozeß. Hierfür kommen jedoch nur Kompaktwerkstoffe in Frage, welche einen höheren Schmelzpunkt als die herrschenden Prozeßtemperaturen beim Schäumen aufweisen. Die Verwendung solcher Einsätze aus Kompaktwerkstoff erfordert wegen der erheblichen thermischen Belastung ein größeres Volumen und widerspricht damit dem Leichtbaugedanken, der hinter dem Einsatz von zellularen Werkstoffen steht. Andererseits ist durch das Umschäumen die Position des Befestigungselements eindeutig festgelegt, und etwaige Toleranzüberlagerungen können unter Umständen nicht mehr ausgeglichen werden. In the case of installation elements in the form of inserts with which Screws, pins, nuts or the like could be firmly connected, allow metallic cellular materials (e.g. metal foams) the foaming or foaming of these inserts directly in the manufacturing process. However, only compact materials are suitable for this, which has a higher melting point than the prevailing process temperatures at Have foams. The use of such inserts made of compact material requires because of the considerable thermal load a larger volume and contradicts thus the lightweight design concept behind the use of cellular materials. On the other hand, the position of the fastening element is unambiguous due to the foaming set, and any tolerance overlaps may no longer be possible be balanced.
Daneben ist es zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen einem Bauteil aus einem zellularen Material und einem Bauteil aus einem kompakten Material bekannt (DE 199 17 132 A1), die beiden Bauteile aneinander zu legen und dann durch Ultraschallschweißen miteinander zu verbinden. Zur Herstellung fester und dauerhafter Verbindungen sind allerdings verhältnismäßig große Kontaktflächen erforderlich, die nicht immer erwünscht sind und auch nicht immer zur Verfügung stehen. In addition, it is used to establish a firm connection between a component from a cellular material and a component made of a compact material known (DE 199 17 132 A1), to put the two components together and then by ultrasonic welding connect with each other. To make solid and permanent connections however, relatively large contact areas are required, which are not always desirable are and are not always available.
Zur Verbindung von plattenförmigen Bauteilen wäre es weiterhin möglich, die eine Platte mit einer Aussparung zu versehen, in diese einen hülsenförmigen Einsatz einzusetzen und dessen Boden dann durch Ultraschallschweißen mit der anderen Platte zu verbinden (DE 196 10 636 C2). Eine solche Befestigungsart setzt allerdings voraus, daß zumindest der Einsatz aus einem durch Ultraschallenergie schweißfähigen Material besteht, was aus Stabilitätsgründen nicht immer erwünscht ist. Außerdem steht bei einer solchen Verfahrensweise mit dem Boden des Einsatzes nur eine vergleichsweise kleine Kontaktfläche für die herzustellende, kraftschlüssige Verbindung zur Verfügung. To connect plate-shaped components, it would also be possible to use a plate to be provided with a recess, insert a sleeve-shaped insert into it and then connect its bottom to the other plate by ultrasonic welding (DE 196 10 636 C2). However, such a type of attachment requires that at least the insert consists of a material that can be welded by ultrasonic energy, which consists of Stability reasons is not always desirable. It also says Procedure with the bottom of the insert only a comparatively small contact area available for the non-positive connection to be established.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren (US-PS 4 817 264) werden mit Flanschen versehene, nietartige Einsätze verwendet, die in durchgehende Bohrungen der Bauteile eingesetzt und auf der von den Flanschen entfernten, aus den Bohrungen herausragenden Enden durch Ultraschallenergie plastifiziert und zu Nietköpfen verformt werden, wie dies 1 beim Ultraschallschweißen allgemein üblich ist. Die Fügung erfolgt hier ausschließlich durch Formschluß und setzt eine das Bauteil vollständig durchsetzende Aussparung voraus. Another known method (U.S. Patent 4,817,264) uses flanges Provided, rivet-like inserts used in through holes in the components used and on the protruding from the flanges, protruding from the holes Ends are plasticized by ultrasonic energy and deformed into rivet heads like this 1 is common in ultrasonic welding. The addition is made here exclusively by positive locking and requires a recess that completely penetrates the component.
Ist stattdessen eine Aussparung in Form einer Blindbohrung erwünscht, dann muß erst einmal ein Aufnahmekörper aus thermoplastischem Material in der Aussparung befestigt werden, was in einem besonderen Arbeitsgang durch Bildung einer Kleb- und Schnappverbindung verfolgt. Danach wird der eigentliche Einsatz durch Ultraschallenergie im Aufnahmekörper befestigt, so daß sich ein vergleichsweise aufwändiges und nur mit geeigneten, am Bauteil befestigten Deckschichten durchführbares Fügeverfahren ergibt. If a recess in the form of a blind hole is desired instead, then you must first once a receiving body made of thermoplastic material is fastened in the recess be what in a special operation by forming an adhesive and Snap connection tracked. Then the actual use by ultrasonic energy in the Attachment body attached, so that it is a comparatively complex and only with suitable joining processes, which are fastened to the component, can be carried out.
Schließlich ist ein Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung bekannt (DE 695 03 284 T2), bei dem ein plattenförmiges, aus Schaumstoff oder Wabenmaterial bestehendes Bauteil auf gegenüber liegenden Breitseiten mit Deckschichten oder thermoplastischem Material belegt und mit einer zur Aufnahme eines Einsatzes bestimmten Aussparung versehen wird. Der Einsatz besteht aus thermoplastischem Material und weist an seinen axialen Enden sogenannte Opferränder auf, die durch Ultraschallschwingungen plastifiziert und mit den an die Aussparung grenzenden Rändern der beiden Deckschichten verschmolzen werden. Dieses Verfahren ist daher nur anwendbar, wenn sowohl die Einsätze als auch die Deckschichten aus einem thermoplastischen Material bestehen oder die Einsätze in einem aufwendigen Verfahrensschritt mit thermoplastischen Opferrändern versehen werden. Finally, a method of the type described in the introduction is known (DE 695 03 284 T2), in which a plate-shaped, made of foam or honeycomb material Component on opposite broad sides with cover layers or thermoplastic Material occupied and with a recess intended to accommodate an insert is provided. The insert is made of thermoplastic material and points to it axial ends on so-called sacrificial edges, which are plasticized by ultrasonic vibrations and with the edges of the two cover layers bordering on the recess to be merged. This procedure is therefore only applicable when both the stakes as well as the cover layers made of a thermoplastic material or the Inserts in a complex process step with thermoplastic sacrificial edges be provided.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, das Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung so weiterzuentwickeln, daß es sich auch zur Verbindung von metallischen Einsätzen an Bauteilen aus metallisch-zellularen Werkstoffen oder daraus hergestellten Verbundwerkstoffen eignet, auf einfache Weise eine dauerhaft gute Befestigung der Einsätze in den Bauteilen ermöglicht und vom Prinzip her weder Deckschichten noch durchgehende Aussparungen für die Einsätze erfordert. Against this background, the invention is based on the technical problem that Develop the method of the type described in the introduction so that it also becomes Connection of metallic inserts on components made of metallic-cellular materials or composite materials made from it, is easy to use permanently good fastening of the inserts in the components and, in principle, neither Cover layers still require continuous recesses for the inserts.
Zur Lösung dieses Problems dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. The characteristic features of claim 1 serve to solve this problem.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß durch das zusätzliche Einbringen eines Körpers aus thermoplastischem Material ein aus Metall bestehender Einsatz durch Ultraschallenergie mit einem ebenfalls aus Metall bestehenden Bauteil verbunden werden kann. Die Verbindung muß dabei nicht flächig durch Kontaktierung des Einsatzes mit dem Bauteil an dafür vorgesehenen Breitseiten erfolgen, sondern kann vielmehr im wesentlichen volumenhaft in der Aussparung selbst mit Hilfe einer Zwischenschicht aus thermoplastischem Material vorgenommen werden. Wird ein Bauteil aus einem (metallisch-) zellularen Werkstoff verwendet, dann ergibt sich der weitere Vorteil, daß das thermoplastische Material tief in die Poren des Werkstoffs eindringen und dadurch eine formschlüssige Verbindung mit diesem eingehen kann. Dasselbe gilt auf der Seite des Einsatzes, wenn dieser an seiner in die Aussparung ragende Außenfläche mit zur Aufnahme des thermoplastischen Materials geeigneten Vertiefungen versehen wird. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren erfordert außerdem weder eine das Bauteil durchsetzende Aussparung noch irgendwelche Deckschichten und ist weitgehend unabhängig von den für das Bauteil und den Einsatz vorgesehenen Materialien durchführbar. The invention has the advantage that the additional introduction of a Body made of thermoplastic material through an insert made of metal Ultrasonic energy can be connected to a component that is also made of metal can. The connection does not have to be flat by contacting the insert with the Component take place on the broad sides provided, but can rather in substantial volume in the recess itself with the help of an intermediate layer thermoplastic material can be made. If a component is made from a (metallic) cellular material used, there is the further advantage that the Thermoplastic material penetrate deep into the pores of the material and thereby one can form-fit connection with this. The same applies on the side of the Use, if this with its in the recess protruding outer surface with the recording suitable recesses of the thermoplastic material is provided. The Joining method according to the invention also requires neither a penetrating component Recess still any top layers and is largely independent of that for that Component and the intended materials feasible.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous features of the invention emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be described in connection with the accompanying drawings Embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein mit einem Einsatz zu versehendes Bauteil in einer ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 1 shows a schematic section through an insert with a Being Trapped component in a first stage of the method;
Fig. 2 bis 4 der Fig. 1 entsprechende Ansichten von weiteren Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens; . Figs. 2 to 4 of Figure 1 are corresponding views of further stages of the method according to the invention;
Fig. 5 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht in Vergrößerung; und FIG. 5 shows a view corresponding to FIG. 2 on an enlarged scale; and
Fig. 6 und 7 der Fig. 1 entsprechende Ansichten bei Anwendung von alternativen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens. FIGS. 6 and 7 of Fig. 1 corresponding views with the use of alternative embodiments of the inventive method.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 4 ist ein Bauteil 1 mit einer z. B. zylindrischen Aussparung 2 vorgesehen, die von einer Breitseite 3 her eingearbeitet und nach Art einer Blindbohrung ausgebildet ist. Die Aussparung 2 weist eine Mittelachse 4 auf, die im Ausführungsbeispiel im wesentlichen senkrecht zur Breitseite 3 verläuft. In der Aussparung 2 ist ein Körper 5 aus einem thermoplastischen Material angeordnet, der im Ausführungsbeispiel als hülsenförmiger bzw. hohlzylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist und eine axiale Höhe besitzt, die zweckmäßig gleich der Tiefe der Aussparung 2 ist. Im eingesetzten Zustand nach Fig. 1 schließt der Körper 5 daher bündig mit der Breitseite 3 ab. In the embodiment of FIGS. 1 to 4, a component 1 with a z. B. cylindrical recess 2 is provided, which is incorporated from a broad side 3 and is designed in the manner of a blind bore. The recess 2 has a central axis 4 , which in the exemplary embodiment runs essentially perpendicular to the broad side 3 . A body 5 made of a thermoplastic material is arranged in the recess 2 , which in the exemplary embodiment is designed as a sleeve-shaped or hollow-cylindrical hollow body and has an axial height which is expediently equal to the depth of the recess 2 . In the inserted state of Fig. 1, the body 5 therefore closes flush with the broad side 3.
Ein Einsatz 6 ist dazu vorgesehen, in die Aussprung 2 eingebracht und fest mit dem Bauteil 1 verbunden zu werden. Der Einsatz 6 weist an seinem oberen Ende, wie insbesondere Fig. 4 zeigt, eine mit einem Innengewinde 7 versehene, axiale Bohrung 8 auf. In diese Bohrung 8 kann nach der Befestigung des Einsatzes 6 am Bauteil 1 eine Befestigungsschraube od. dgl. eingedreht werden, wodurch der Einsatz 6 ein Montageelement bildet, mittels dessen an sich beliebige weitere Bauteile fest mit dem Bauteil 1 verbunden werden können. An insert 6 is provided to be inserted into the recess 2 and to be firmly connected to the component 1 . The insert 6 has at its upper end, as shown in particular in FIG. 4, an axial bore 8 provided with an internal thread 7 . After the insert 6 has been fastened to the component 1, a fastening screw or the like can be screwed into this bore 8 , as a result of which the insert 6 forms a mounting element by means of which any other components per se can be firmly connected to the component 1 .
Die Bohrung 8 dient, wie Fig. 1 bis 3 zeigen, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens außerdem zur Aufnahme des freien Endes einer Sonotrode 9, das mit einem in das Innengewinde 7 passenden Außengewinde versehen ist und fest in die Bohrung 8 eingedreht werden kann. As shown in FIGS. 1 to 3, the bore 8 also serves to accommodate the free end of a sonotrode 9 when carrying out the joining method according to the invention, which is provided with an external thread that fits into the internal thread 7 and can be screwed firmly into the bore 8 .
Die Befestigung des Einsatzes 6 in der Aussparung 2 erfolgt erfindungsgemäß z. B. dadurch, daß zunächst der Körper 5 aus thermoplastischem Material in die Aussparung 2 eingebracht und dann der vorher an die Sonotrode 9 angeschraubte Einsatz 9 in Richtung des eingezeichneten Pfeils der Aussparung 2 koaxial zur Mittelachse 4 angenähert wird (Fig. 1). Sobald das untere Ende des Einsatzes 6 den Körper 5 erreicht hat (Fig. 2), wird die Sonotrode 9 so lange aktiviert bzw. in mechanische Ultraschallschwingungen versetzt, bis das thermoplastische Material des Körpers 5 weitgehend oder vollständig plastifiziert ist und sich dadurch dicht an die die Aussparung 2 umschließende Umfangswand des Bauteils 1 sowie die ihr gegenüber liegende äußere Mantelfläche des Einsatzes 6 anschmiegt. Natürlich kann die Sonotrode 9 je nach Bedarf auch kurz vor oder nach dem Inberührungbringen des Einsatzes 6 mit dem Körper 5 aktiviert werden. The attachment of the insert 6 in the recess 2 is carried out according to the invention, for. B. by first introducing the body 5 made of thermoplastic material into the recess 2 and then the insert 9 previously screwed to the sonotrode 9 is approximated coaxially to the central axis 4 in the direction of the arrow of the recess 2 ( FIG. 1). As soon as the lower end of the insert 6 has reached the body 5 ( FIG. 2), the sonotrode 9 is activated or set in mechanical ultrasonic vibrations until the thermoplastic material of the body 5 has been largely or completely plasticized and is therefore close to the the circumferential wall of the component 1 enclosing the recess 2 and the outer jacket surface of the insert 6 lying opposite it nestles. Of course, the sonotrode 9 can also be activated shortly before or after the insert 6 has been brought into contact with the body 5 , as required.
Der Einsatz 6 wird nach seinem Aufsetzen auf den Körper 5 kontinuierlich oder schrittweise mit einer Kraft F in Pfeilrichtung weiter vorgeschoben, bis er vorzugsweise auf dem Boden der Aussparung 2 aufliegt (Fig. 3) und das plastifizierte thermoplastische Material 10 des Körpers 5 (Fig. 3 und 4) vollständig in den Zwischenraum zwischen der Umfangswand der Aussparung 2 und der Mantelfläche des Einsatzes 6 eingetreten und gleichförmig in diesem verteilt ist. Anschließend wird die Sonotrode 9 aus der Bohrung 8 herausgedreht und entfernt (Fig. 4). Das erkaltete thermoplastische Material 10 stellt dann eine innige und feste Verbindung des Einsatzes 6 mit dem Bauteil 1 her. Das gesamte Fügeverfahren einschließlich des Erkaltens des thermoplastischen Materials dauert nur wenige Sekunden. After being placed on the body 5, the insert 6 is advanced continuously or stepwise with a force F in the direction of the arrow until it lies preferably on the bottom of the recess 2 ( FIG. 3) and the plasticized thermoplastic material 10 of the body 5 ( FIG. 3 and 4) completely in the space between the peripheral wall of the recess 2 and the outer surface of the insert 6 and is uniformly distributed in this. The sonotrode 9 is then unscrewed from the bore 8 and removed ( FIG. 4). The cooled thermoplastic material 10 then creates an intimate and firm connection between the insert 6 and the component 1 . The entire joining process, including the cooling of the thermoplastic material, only takes a few seconds.
Zur Einführung des Einsatzes 6 in die Aussparung 2 ist die Sonotrode 9 zweckmäßig an einem nicht dargestellten Konverter befestigt, der z. B. als piezoelektrischer Schwingungserzeuger ausgebildet und seinerseits mit einer motorisch, hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Vorschubeinheit gekoppelt ist. Hierfür geeignete Vorrichtungen sind z. B. bei Geräten zur Ultraschallschweißung allgemein bekannt. To insert the insert 6 into the recess 2 , the sonotrode 9 is expediently attached to a converter, not shown, which, for. B. designed as a piezoelectric vibration generator and in turn is coupled to a motor, hydraulic or pneumatic operated feed unit. Suitable devices are e.g. B. generally known in devices for ultrasonic welding.
Für die Durchführung des beschriebenen Fügeverfahrens ist es zweckmäßig, wenn der Körper 5 einen Außenquerschnitt Ka (Fig. 5) besitzt, der geringfügig kleiner als der Innenquerschnitt Ai der Aussparung 2 ist, und daher mit einem geringen Spaltmaß leicht in die Aussparung 2 eingeführt werden kann. Dagegen sollte der z. B. zylindrische Einsatz 6 einen Außenquerschnitt Ea aufweisen, der etwas größer als der Innenquerschnitt Ki des Körpers 5 ist. Dadurch wird erreicht, daß der zwischen dem Einsatz 6 und der Umfangswand der Aussparung 2 gebildete Hohlraum ein etwas kleineres Volumen als der Körper 5 aufweist und das thermoplastische Material daher beim Einführen des Einsatzes 6 und beim Schmelzen radial zur Mittelachse 4 verdrängt wird. Überschüssiges thermoplastisches Material kann daher insbesondere in offene Poren und sonstige in der Umfangswand der Aussparung 2 ausgebildete Kavitäten eintreten, wie sie insbesondere bei Anwendung von metallisch-zellularen Werkstoffen und anderen Leichtbau-Werkstoffen vorhanden sind, und auf diese Weise parallel zur Mittelachse 4 eine formschlüssige Verbindung mit der Umfangswand der Aussparung 2 eingehen. To carry out the joining method described, it is expedient if the body 5 has an outer cross section K a ( FIG. 5) which is slightly smaller than the inner cross section A i of the recess 2 and is therefore easily inserted into the recess 2 with a small gap dimension can be. In contrast, the z. B. cylindrical insert 6 have an outer cross section E a , which is slightly larger than the inner cross section K i of the body 5 . It is thereby achieved that the cavity formed between the insert 6 and the peripheral wall of the recess 2 has a somewhat smaller volume than the body 5 and the thermoplastic material is therefore displaced radially to the central axis 4 when inserting the insert 6 and during melting. Excess thermoplastic material can therefore enter, in particular, open pores and other cavities formed in the circumferential wall of the recess 2 , such as are present in particular when using metallic-cellular materials and other lightweight materials, and in this way a positive connection parallel to the central axis 4 enter with the peripheral wall of the recess 2 .
Der vorzugsweise aus einem harten, festen Metall bestehende Einsatz 6 ist bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an seiner äußeren, ursprünglich zylindrischen Mantelfläche mit wenigstens einer Vertiefung 11 (Fig. 5) versehen, die z. B. durch eine umlaufende, in die Mantelfläche eingearbeitete Kerbe, Rille, Nut oder sonstige. Ausnehmung gebildet ist und neben sich entsprechende Rippen 12 mit dem Maß Ea stehen läßt. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl derartiger Vertiefungen 11 vorgesehen. Dadurch kann das thermoplastische Material 10, wie Fig. 3 und 4 zeigen, beim Schmelzvorgang auch in die Vertiefungen 11 eindringen, um eine formschlüssige Verbindung mit der äußeren Mantelfläche des Einsatzes 6 einzugehen. Nach dem Erkalten bildet das thermoplastische Material 10 dann einen harten Pfropfen, der den Einsatz 6 nicht nur stoffschlüssig, sondern auch formschlüssig mit dem Bauteil 1 verbindet und daher in Richtung der Mittelachse 4 nur mit einer sehr hohen Abzugskraft wieder entfernt werden könnte. The insert 6 , which preferably consists of a hard, solid metal, is provided in a particularly preferred exemplary embodiment of the invention on its outer, originally cylindrical outer surface with at least one recess 11 ( FIG. 5), which, for. B. by a circumferential, incorporated into the lateral surface notch, groove, groove or other. Recess is formed and adjacent ribs 12 with the dimension E a can stand. A plurality of such depressions 11 are preferably provided. As a result, the thermoplastic material 10 , as shown in FIGS. 3 and 4, can also penetrate into the depressions 11 during the melting process in order to establish a positive connection with the outer lateral surface of the insert 6 . After cooling, the thermoplastic material 10 then forms a hard plug, which not only connects the insert 6 to the component 1 in a form-fitting manner but also in a form-fitting manner and therefore could only be removed again in the direction of the central axis 4 with a very high pull-off force.
Wie Fig. 5 weiter zeigt, ist der Einsatz 6 an seinem unteren Ende mit einer Fase 14 versehen, die bei seiner Einführung in die Aussparung 2 bzw. den Körper 5 als Einführungsschräge und Zentriermittel dienen und die radiale Verdrängung des plastifizierten Materials des Körpers 5 fördern kann. Außerdem ist es möglich, den Einsatz 6 an einem axialen Ende bzw. in einem Bereich, der oberhalb seines in der Aussparung 2 zu liegen kommenden Teilstücks angeordnet ist, mit einem umlaufenden Flansch 15 zu versehen, der einen größeren Außenquerschnitt besitzt, als dem Maß Ea in Fig. 5 entspricht, und sich beim Befestigungsvorgang auf die Breitseite 3 des Bauteils 1 auflegt. Dadurch kann die Dauerfestigkeit der Verbindung gegenüber Kippbewegungen quer zur Mittelachse 4 beim späteren Gebrauch verbessert werden. Außerdem kann der Flansch 15 den Verbindungsspalt abdecken und gegebenenfalls das seitliche Ausfließen von plastifiziertem Material vor der endgültigen Aushärtung verhindern. As FIG. 5 further shows, the insert 6 is provided at its lower end with a chamfer 14 which, when it is introduced into the recess 2 or the body 5, serves as an insertion bevel and centering means and promote the radial displacement of the plasticized material of the body 5 can. In addition, it is possible to provide the insert 6 with an encircling flange 15 at an axial end or in a region which is arranged above its part to be located in the recess 2 and which has a larger external cross section than the dimension E. a corresponds to FIG. 5, and lies on the broad side 3 of the component 1 during the fastening process. As a result, the fatigue strength of the connection against tilting movements transverse to the central axis 4 can be improved in later use. In addition, the flange 15 can cover the connecting gap and, if necessary, prevent the plastic material from flowing out laterally before the final curing.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Einsatz 16 an seinem oberen Ende einen mit einem Außengewindeabschnitt versehenen, axial vorstehenden Ansatz 17 aufweist, auf den eine mit einem entsprechenden Innengewinde versehene Sonotrode 18 aufgeschraubt wird. Nach dem Fügeverfahren und nach dem Entfernen der Sonotrode 18 bildet der Einsatz 16 daher ein Montageelement, an dessen Ansatz 17 z. B. eine Mutter oder ein mit einem entsprechenden Innengewinde versehenes weiteres Bauteil befestigt werden kann. Dabei ist klar, daß auch die Bohrung 8 und das Innengewinde 7 (Fig. 4) an einem über das Bauteil 1 vorstehenden Ansatz des Einsatzes 6 ausgebildet sein könnten. Im übrigen entsprechen die Anordnung und die Verfahrensweise beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 denen nach Fig. 1 bis 5. Fig. 6 shows an embodiment in which an insert 16 has at its upper end an axially projecting shoulder 17 provided with an externally threaded section, onto which a sonotrode 18 provided with a corresponding internally threaded thread is screwed. After the joining process and after the removal of the sonotrode 18 , the insert 16 therefore forms a mounting element, on the attachment 17 of which, B. a nut or another component provided with a corresponding internal thread can be attached. It is clear that the bore 8 and the internal thread 7 ( FIG. 4) could also be formed on an extension of the insert 6 projecting beyond the component 1 . Otherwise, the arrangement and the procedure in the exemplary embodiment according to FIG. 6 correspond to those according to FIGS. 1 to 5.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 besteht ein Unterschied zu Fig. 1 bis 5 darin, daß ein Bauteil 19 aus einer Verbundkonstruktion verwendet wird, bei dem z. B. ein metallisch-zellularer Werkstoff 20 beidseitig mit je einer Deckschicht 21 aus Metall oder einem anderen Material belegt ist. Im übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem nach Fig. 1 bis 5. In the embodiment according to FIG. 7, there is a difference from FIGS. 1 to 5 in that a component 19 made of a composite construction is used, in which, for. B. a metallic-cellular material 20 is coated on both sides with a cover layer 21 made of metal or another material. Otherwise, this embodiment corresponds to that of FIGS. 1 to 5.
Die Einsätze 6, 16 können alternativ anstelle eines Innen- oder Außengewindeabschnitts auch Innenbohrungen mit parallel zur Mittelachse 4 verlängerten Nuten zur Aufnahme von Federstiften oder nach Art von Stehbolzen mit zylindrischen Ansätzen versehen sein, die Querbohrungen zur Aufnahme von Paßstiften oder dgl. aufweisen. Die jeweilige Form des Einsatzes 6, 16 richtet sich nach den Bedürfnissen des Einzelfalls. Außerdem ist klar, daß die für das Fügeverfahren wichtigen, oben erläuterten Eigenschaften bzw. Merkmale des Einsatzes 6, 16 (z. B. Außenquerschnitt Ea in Fig. 5) nur das in die Aussparung 2 einzubringende bzw. in dieser zu liegen kommende Teilstück betreffen, während ein zusätzlicher, nach Beendigung des Fügeverfahrens aus der Aussparung 2 herausragender Abschnitt des Einsatzes 6 im wesentlichen frei gestaltet werden kann. Wie Fig. 4 zeigt, kann der Einsatz 6 allerdings auch so kurz sein, daß er völlig in der Aussparung 2 verschwindet, insbesondere wenn er keinen Flansch 15 aufweist. Instead of an internal or external thread section, the inserts 6 , 16 can alternatively also be provided with internal bores with grooves elongated parallel to the central axis 4 for receiving spring pins or, in the manner of stud bolts, with cylindrical projections which have cross bores for receiving dowel pins or the like. The particular form of the insert 6 , 16 depends on the needs of the individual case. In addition, it is clear that the properties or features of the insert 6 , 16 (e.g. outer cross section E a in FIG. 5) that are important for the joining method and explained above (only) the part to be introduced into the recess 2 or to come to lie therein relate, while an additional section of the insert 6 protruding from the recess 2 after the joining process has ended can be designed essentially freely. As shown in FIG. 4, the insert 6 can, however, also be so short that it completely disappears in the recess 2 , in particular if it does not have a flange 15 .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Aussparung 2 und/oder zumindest die äußere Mantelfläche des in der Aussparung 2 befindlichen Teilstücks des Einsatzes 6, 16 unrund (z. B. oval oder eckig) auszubilden, um dadurch gegenüber einer rotationssymmetrischen Formgebung eine erhöhte Verdrehsicherung zu erreichen. Außerdem könnte die Aussparung 2 das Bauteil 1 völlig durchsetzen, in welchem Fall das Bauteil 1 bei der Durchführung des Fügeverfahrens auf einer geeigneten Unterlage abgelegt werden müßte, die einen der Kraft F entgegengerichteten Gegendruck erzeugt. A further embodiment of the invention provides for the recess 2 and / or at least the outer circumferential surface of the section of the insert 6 , 16 located in the recess 2 to be non-circular (for example oval or angular), in order to thereby increase the rotationally symmetrical shape To achieve anti-rotation. In addition, the recess 2 could completely penetrate the component 1 , in which case the component 1 would have to be placed on a suitable surface when the joining process was carried out, which would generate a counterpressure counter to the force F.
Das Bauteil 1 und der Werkstoff 20 des Bauteils 19 können vor allem aus für Leichtbauten geeigneten Werkstoffen wie z. B. Aluminium-, Stahl- und Magnesiumschäumen und anderen Metallen mit großer Porigkeit hergestellt werden. Aber auch andere Materialien sind brauchbar, sofern diese durch die mit Ultraschallschwingungen auf sie einwirkenden Sonotroden 9, 18 nicht ungünstig beeinflußt werden. Dagegen werden für den Körper 5 vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe wie z. B. Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) oder Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) verwendet, die durch Ultraschallenergie leicht plastifizierbar sind. Die Einsätze 6, 16 sollten schließlich aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, obwohl auch andere, ausreichend harte und nicht thermoplastisch schmelzbare Kunststoffe geeignet wären. The component 1 and the material 20 of the component 19 can be made of materials suitable for lightweight structures such as. B. aluminum, steel and magnesium foams and other metals with high porosity. However, other materials can also be used, provided that they are not adversely affected by the sonotrodes 9 , 18 acting on them with ultrasonic vibrations. In contrast, for the body 5 preferably thermoplastic materials such. B. polyamide (PA), polycarbonate (PC) or acrylonitrile butadiene styrene (ABS) are used, which are easily plasticized by ultrasonic energy. The inserts 6 , 16 should finally consist of a metal or a metal alloy, although other, sufficiently hard and non-thermoplastic fusible plastics would also be suitable.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere für die beschriebenen Abmessungen und geometrischen Formen der verschiedenen Teile. Außerdem ist zu beachten, daß die Außenkontur des in die Aussparung 2 eingeführten Teilstücks des Einsatzes 6, 16 nicht mit der Innenkontur der die Aussparung 2 umgebenden Umfangswand identisch übereinstimmen muß. Es ist nur erforderlich, daß der Körper 5 ein ausreichend großes Volumen besitzt, um den Zwischenraum zwischen der Aussparungswand und der äußeren Mantelfläche des Einsatzes 6, 16 möglichst vollständig, d. h. volumenhaft auszufüllen. Dazu wäre es auch möglich, den Körper 5 im wesentlichen massiv auszubilden und stattdessen den Einsatz 6, 16 zumindest an seiner Unterseite .als Hohlkörper auszubilden, damit überschüssiges thermoplastisches Material in einem Hohlraum des Einsatzes aufgenommen werden kann. Außerdem könnte die axiale Höhe des Körpers 5 auch kleiner als die Tiefe der Aussparung 2 sein. Weiter wäre es möglich, den Körper 5 und den Einsatz 6, 16 gleichzeitig in die Aussparung 2 einzuführen, indem der Körper 5 z. B. als Hohlkörper ausgebildet und gegebenenfalls mit leichtem Preßsitz auf den Einsatz 6, 16 aufgeschoben wird, bis er z. B. von unten her gegen den Flansch 15(Fig. 5) anstößt. In diesem Fall wäre es sogar möglich, das Maß Ka (Fig. 5) geringfügig größer als das Maß Ai zu wählen. Auch Kombinationen dieser beiden Varianten sind möglich. Möglich wäre es natürlich auch, die axiale Länge des in der Aussparung zu liegen kommenden Teilstücks des Einsatzes 6 kürzer als die in axialer Richtung gemessene Tiefe der Aussparung 2 zu bemessen. Weiter könnte die Sonotrode 9, 18 mit anderen, als den beschriebenen Mitteln mit dem Einsatz 6, 16 gekoppelt werden. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen angewendet werden können. The invention is not limited to the exemplary embodiments described, which can be modified in many ways. This applies in particular to the dimensions and geometric shapes of the various parts described. It should also be noted that the outer contour of the section of the insert 6 , 16 inserted into the recess 2 does not have to be identical to the inner contour of the peripheral wall surrounding the recess 2 . It is only necessary that the body 5 has a sufficiently large volume in order to fill the space between the recess wall and the outer lateral surface of the insert 6 , 16 as completely as possible, ie in terms of volume. For this purpose it would also be possible to design the body 5 essentially solid and instead to design the insert 6 , 16 as a hollow body, at least on its underside, so that excess thermoplastic material can be accommodated in a cavity of the insert. In addition, the axial height of the body 5 could also be smaller than the depth of the recess 2 . Furthermore, it would be possible to insert the body 5 and the insert 6 , 16 into the recess 2 at the same time by the body 5 z. B. formed as a hollow body and optionally with a slight press fit on the insert 6 , 16 until it z. B. from below against the flange 15 ( Fig. 5). In this case it would even be possible to choose the dimension K a ( FIG. 5) slightly larger than the dimension A i . Combinations of these two variants are also possible. It would of course also be possible to dimension the axial length of the portion of the insert 6 coming into the recess to be shorter than the depth of the recess 2 measured in the axial direction. Furthermore, the sonotrode 9 , 18 could be coupled to the insert 6 , 16 by means other than those described. Finally, it goes without saying that the various features can also be used in combinations other than those shown and described.
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