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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeelement und eine Verbundstruktur.
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Insbesondere
findet die vorliegende Erfindung Einsatz beim Fügen von metallischen oder nichtmetallischen,
homogenen oder schicht- bzw. faserverstärkten Werkstoffen. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf Bereiche der mechanischen Fügetechnik,
bei denen ein Hilfsfügeteil
benötigt wird,
das entweder ohne Vorloch oder mit einem Vorloch gesetzt werden
kann. Vor allem in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrtindustrie
sowie im Schiffsbau werden diese preiswerten Fügeverfahren in der Serien-
und Massenfertigung eingesetzt.
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Bevorzugt
kommen mechanische Nietverfahren zum Verbinden von sich überlappenden
Bauteilen, insbesondere von metallischen Blechbauteilen, zum Einsatz.
Beispielsweise wird beim Vollstanznieten ein zylindrisches Fügeelement
im Überlappungsbereich
zweier Bauteile zwischen einem Stempel und einer Matrize mit einer
bestimmten Kraft durchgedrückt.
Die Matrize ist dabei so ausgebildet, dass sich dem Stanzvorgang
ein Fließpressvorgang anschließt, in dem
sich eine Hinterschneidung am Fügeelement
herausbildet.
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Ein
Nachteil bisheriger stanzender Nietverfahren ist die eingeschränkte Anwendbarkeit
für Multimaterialkonzepte
wie sie vor allem im strukturellen Leichtbau Anwendung finden. Bei
metallischen Fügeelementen
wirken sich im Mischbau besonders nachteilig die verschiedenen elektrochemischen
Potentiale zwischen den Werkstoffen auf die Korrosionsbeständigkeit
der Verbindungsstelle aus. Bisher übliche Nietverfahren führen in
der Regel bei faserverstärkten
Werkstoffen zum Brechen der Fasern im Fügestellenbereich, was eine
Unterbrechung in der Krafteinleitung in den Fügepartner, und ein zusätzliches
Korrosionspotential hervorruft.
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Aufgrund
der teilweise ungünstigen
Zugspannungsverhältnisse
durch den Setzvorgang, erhöht
sich in der Regel bei den bisherigen zylindrischen Niettypen im
Bereich der Fügestelle
das Rissstartpotential, wodurch ein Schwinganriss hervorgerufen
werden kann, der zur Reduzierung des dynamischen Tragverhaltens
führt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fügeelement und eine Verbundstruktur
anzugeben, durch die die Rissanfälligkeit
im Bereich der Verbindungsstelle reduziert werden kann. Insbesondere ist
ein Fügeelement
anzugeben, durch das geschichtete sowie ungeschichtete Fügepartner,
sowie die Kombinationen aus beiden gefügt werden können, wobei Schichtwerkstoffe
als inhomogen und ungeschichtete als homogen über den Fügequerschnitt aufgefasst werden.
Das Fügeelement
ist des Weiteren insbesondere geeignet Halbzeuge aus Faserverbunden
jeweils mit sich selbst, bzw. mit oben bereits benannten Produkten
zu verbinden.
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Erfindungsgemäß gelost
wird diese Aufgabe durch ein Fügeelement
zum Verbinden von Bauteilen, insbesondere zum Fügen materialverschiedener Bauteile,
von Schichtverbundbauteilen und/oder faserverstärkten Bauteilen und/oder homogenen
Bauteilen, wie Blechen, Platten oder Profilen, mit einem Fügeabschnitt,
der sich in axialer Richtung des Fügeelementes erstreckt und der
eine kegelstumpfförmige Gestalt
aufweist, wobei auf einem Außenumfang
des kegelstumpfförmigen
Fügeabschnittes
Ringnuten angeordnet sind, in deren in radialer Richtung umlaufende
Rillenabschnitte verdrängtes
Material der Bauteile aufnehmbar ist.
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Aufgrund
des kegelstumpfförmigen
Fügeabschnittes
reduziert das besagte Fügeelement
die Rissanfälligkeit
im Bereich der Verbindungsstelle des Bauteils, in das es eingesetzt
wird. Material des zu fügenden
Bauteils wird sukzessive radial verdrängt. Darüber hinaus führt der
kegelstumpfförmige
Fügeabschnitt
zu einer Verbesserung der Abdichtung der Verbindungsstelle. Durch
die Ringnuten kann das im Setzvorgang elastisch und/oder plastisch
verdrängte Material
des Bauteils in die radial umlaufenden Rillenabschnitte gleichmäßig eindringen,
wodurch sich die Dichtwirkung und die Kopfzugbeanspruchbarkeit des
Fügeelementes
weiter verbessert. Aufgrund der kegelstumpfförmigen Gestalt ist das Fügeelement
für unterschiedliche
Materialkombinationen, insbesondere für mehrlagige Bauteile oder
Mischbauteile wie Schicht- und/oder Faserverbundwerkstoffe einsetzbar.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein sich verjüngender
Querschnitt des Fügeabschnittes
spiegelsymmetrisch zu zumindest einer Ebene, die sich in axialer
Richtung erstreckt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein sich verjüngende
Querschnitt des Fügeabschnittes
rotationssymmetrisch um eine Zentralachse des Fügeelementes, die sich in axialer Richtung
erstreckt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind axiale Abstände
zwischen benachbarten Ringnuten unterschiedlich groß. Hierdurch
ist es möglich,
das Fügeelement
auf unterschiedliche Bauteile, insbesondere Bauteile aus Schichtwerkstoffen
mit unterschiedlichen Schichtdicken, abzustimmen.
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Vorzugsweise
weist jeder Rillenabschnitt einen Rillengrund und eine Lastflanke
auf, durch die Material eines Wandabschnittes des in Anlage bringbaren
Bauteiles in den Rillengrund pressbar ist.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
verjüngt
sich der Außenumfang
des Fügeabschnittes
in Fügerichtung
und ist bezüglich
einer Zentralachse des Fügeelementes
um einen ersten spitzen Winkel geneigt, und die Lastflanke weist eine
Vorderseite auf, die in die Fügerichtung
weist und bezüglich
der Zentralachse des Fügeelementes um
einen zweiten spitzen Winkel geneigt ist, wobei der zweite spitze
Winkel gleich oder größer als
der erste spitze Winkel ist. Durch diese Merkmale ist ein einfaches
Einpressen des bevorzugten Fügeelementes
in das zu fügende
Bauteil, bzw. in ein Vorloch des zu fügenden Bauteiles möglich.
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Weiterhin
vorzugsweise weist die Lastflanke eine Rückseite auf, die entgegen der
Fügerichtung weist
und im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Zentralachse des Fügeelementes
verläuft.
Durch diese Gestaltung der Rückseite
wird die Kopfzugbeanspruchbarkeit des Fügeelementes in der Verbindung weiter
erhöht.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein Kopfabschnitt vorgesehen, der in Fügerichtung in den Fügeabschnitt übergeht.
Im Bereich dieses Kopfabschnittes lassen sich weitere funktionale
Elemente vorsehen.
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Vorzugsweise
weist der Kopfabschnitt einen Aufnahmebereich mit einer definierten
Innen- und/oder
Außenkontur
auf, und der Aufnahmebereich ist zumindest temporär mit einem
weiteren Element in Eingriff bringbar. Beispielsweise lassen sich hier
Innengewinde oder Bolzen mit Außengewinden vorsehen,
bzw. montieren.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein Querschnitt des Kopfabschnittes breiter als eine breiteste
Stelle des kegelstumpfförmigen
Fügeabschnittes.
Durch einen so gestalteten Kopfabschnitt erhöht sich die Dichtwirkung des
bevorzugten Fügeelementes.
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Weiterhin
vorzugsweise weist der Kopfabschnitt im Übergang zum Fügeabschnitt
eine Anfasung auf. Diese Anfasung führt zu einem verbesserten Materialfluss
des Bauteils im Kopfbereich der Fügestelle, wodurch die Rissanfälligkeit
des Bauteiles weiter verringert wird.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
geht der Fügeabschnitt
in Fügerichtung in
einen Fußabschnitt über, der
eine Schnittkante aufweist. Hierdurch ist es möglich, das bevorzugte Fügeelement
in ein Bauteil ohne Vorloch einzupressen und den Aufwand zur Herstellung
der Verbindung zu reduzieren.
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Vorzugsweise
geht der Fügeabschnitt
in Fügerichtung
in einen Fußabschnitt über, der
eine Zentrierfase aufweist. Durch diese Zentrierfase erfolgt eine
axialsymmetrische Positionierung des Fügeelementes in einem vorgelochten
Bauteil, wodurch ein Verkanten verhindert wird.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht das Fügeelement
aus einem Verbundwerkstoff. Der Verbundwerkstoff eröffnet Möglichkeiten
zur Gewichtsreduzierung und zum Leichtbau des Fügeelementes.
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Weiterhin
vorzugsweise besteht das Fügeelement
aus einem keramischen Werkstoff. Durch die isolierenden Eigenschaften
des keramischen Werkstoffes wird verhindert, dass sich bei spielsweise
ein elektrochemisches Potential zwischen dem Fügeelement und dem damit verbundenen
Bauteil aufbaut.
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Vorzugsweise
sind in den keramischen Werkstoffen Langfasern und/oder Kurzfasern und/oder
Multifilamentfasern und/oder Whisker eingebettet. Durch die Fasern
erhöht
sich insbesondere die Kopfzugbeanspruchbarkeit des Fügeelementes und
damit die Beanspruchbarkeit der Verbindungsstelle.
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Weiterhin
vorzugsweise weisen die eingebetteten Langfasern, Kurzfasern, Multifilamentfasern und/oder
Whisker Verbindungen aus Asbest und/oder Zirkoniumoxid und/oder
Aluminiumoxid-verstärktem
Zirkoniumoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder
Aluminiumoxid und/oder Kohlenstoff und/oder Tantal und/oder Hafnium
und/oder Titan und/oder Wolfram und/oder Thorium und/oder Molybdän auf.
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Weiterhin
vorzugsweise weist der keramische Werkstoff partikel- oder plättchenförmige Komponenten
auf Carbid-, Nitrid-, Bond- und/oder Oxid-Basis auf.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch
eine Verbundstruktur, aufweisend zumindest ein Fügeelement nach zumindest einem
der vorangegangenen Ausführungsbeispiele und
zumindest ein Bauteil mit einem Loch, mit dessen Wandabschnitt sich
der kegelstumpfförmige
Fügeabschnitt
des Fügeelementes
in Anlage befindet und Material des Bauteiles verdrängt. Zum
Einen ist in einer derartigen Verbundstruktur die Rissanfälligkeit
der Verbindungsstelle verringert und zum anderen wird durch den
Verdrängungseffekt
der Setzvorgang nach Einbringen des Fügeelementes begünstigt.
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Vorzugsweise
besteht das Bauteil zumindest aus einem Schicht- und/oder Faserverbundwerkstoff. Durch
diese Werkstoffwahl wird eine leichtgewichtige und zugleich hoch
beanspruchbare Verbundstruktur erreicht.
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Weiterhin
vorzugsweise entspricht eine Breite der Ringnut des Fügeelementes
im Wesentlichen einer Schichtdicke des Schichtstoffes. Wenn die
entsprechend dicke Werkstoffschicht in die Ringnut eindringt, wird
die Abdichtwirkung und die Kopfzugbeanspruchbarkeit der gesamten
Verbundstruktur weiter erhöht.
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Weiterhin
vorzugsweise sind zumindest zwei Bauteile, die eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen,
mit dem Fügeelement
gefügt,
und der Fügeabschnitt
des Fügeelementes
im Bereich der gemeinsamen Kontaktfläche der zwei Bauteile weist
einen stegförmigen
Abschnitt auf, der benachbarte Ringnuten voneinander trennt. Im
Bereich der gemeinsamen Kontaktfläche der benachbarten, gefügten Bauteile wird
die Scherzugfestigkeit der Verbundstruktur erhöht und die Kerbempfindlichkeit
des Fügeelementes im
Bereich der gemeinsamen Kontaktflächen der zwei Bauteile verringert.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den zugehörigen
Figuren näher
erläutert.
In diesen zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines Fügeelementes,
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2 eine
Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des Fügeelementes
mit einem Kopfabschnitt,
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3 eine
Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispieles des Fügeelementes
mit einem Aufnahmebereich mit definierter Innenkontur,
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4 eine
Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispieles eines Fügeelementes
mit einem Aufnahmebereich mit definierter Außenkontur,
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5 eine
Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles,
in dem das Fügeelement
mit einem Fügestempel
eingepresst wird, und
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6 eine
Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles,
in dem das Fügeelement
mit einem Bauteil aus Schichtwerkstoffen in Eingriff ist.
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Im
Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele des Fügeelementes
beschrieben, wobei die jeweiligen Merkmale, soweit nicht anders
erläutert,
in sämtlichen
Ausführungsbeispielen
vorgesehen sein können,
bzw. vorzugsweise vorgesehen sind. Verwendete relative Orts- und
Richtungsangaben wie beispielsweise oben, unten, rechts, links beziehen
sich auf die Darstellung in den Figuren.
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In 1 ist
eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines Fügeelementes 3 gezeigt.
Das Fügeelement 3 verbindet
ein oberes Bauteil 1a mit einem unteren Bauteil 1b.
Jedoch ist es auch denkbar, dass das Fügeelement 3 nur mit
einem Bauteil 2 verbunden ist, wie dies in 6 gezeigt
ist. Insgesamt ist es möglich,
dass eine Verbundstruktur nur aus dem Fügeelement 3 und dem Bauteil
besteht oder zwei oder mehr Bauteile aufweist, die durch das Fügeelement 3 miteinander
verbunden werden.
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Bei
den besagten Bauteilen 1a, 1b, 2 kann es
sich um Mischbauteile, d. h. um geschichtete oder ungeschichtete
Fügepartner
handeln, sowie um Kombinationen aus geschichteten und ungeschichteten
Fügepartnern.
Schichtwerkstoffe werden als inhomogen über ihren Fügequerschnitt aufgefasst, während ungeschichtete
Werkstoffe eine homogene Struktur haben. Ebenso können die
Fügepartner
aus Faserverbundwerkstoffen bestehen, die mit sich selbst, bzw.
mit zuvor benannten Werkstoffen durch das Fügeelement 3 verbunden
werden. Generell kann es sich bei den Fügepartnern auch um Bleche, Platten
und Profile handeln, sowie um Kombinationen mit zuvor genannten
Fügepartnern.
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Das
Fügeelement 3 weist
einen Fügeabschnitt 4 auf,
der sich in einer axialen Richtung des Fügeelementes 3 erstreckt.
Wie in 1 gezeigt, befindet sich in der Verbundstruktur
eine Oberfläche des
Fügeabschnittes 4 in
Anlage mit entsprechenden Wandabschnitten der zwei Bauteile 1a, 1b,
wobei Material der Bauteile 1a, 1b verdrängt wird.
Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Fügerichtung, in der sich ein
Querschnitt des Fügeabschnittes 4 über die gesamte
Länge des
Fügeabschnittes 4 verjüngt. Die Fügerichtung 5 des
Fügeelementes 3 verläuft in axialer
Richtung desselben. Beim Einpressen des Fügeelementes 3 entlang
dieser Richtung entsteht die Verbundstruktur, bestehend aus dem
Fügeelement 3 und
den beiden Bauteilen 1a, 1b.
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Das
Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Zentralachse des Fügeelementes 3,
die die axiale Richtung desselben definiert. Vorzugsweise ist der
sich verjüngende
Querschnitt des Fügeabschnittes 4 spiegelsymmetrisch
zu einer Ebene, beispielsweise der Zeichenebene der dargestellten
Figuren, wobei die Zentralachse 6 über ihre gesamte Länge in der besagten
Ebene liegt. Weiterhin vorzugsweise ist der sich verjüngende Querschnitt
rotationssymmetrisch um die Zentralachse 6 des Fügeelementes 3.
Die zuvor beschriebenen Symmetrien mögen nur für den Fügeabschnitt 4 gelten,
beziehen sich vorzugsweise aber auf das gesamte Fügeelement 3.
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Bezogen
auf die Zentralachse 6 hat das gesamte Fügeelement 3 des
Ausführungsbeispieles, vorzugsweise
zumindest jedoch der Fügeabschnitt 4, in
radialer Richtung einen runden Querschnitt. Der Fügeabschnitt 4 hat
eine konische, vorzugsweise kegelstumpfförmige Form, so dass der Querschnitt
die Form eines Trapezes hat. In Abhängigkeit von der konkreten
Fügesituation
ist es jedoch auch vorteilhaft, dass sich der Fügeabschnitt 4 in axialer
Richtung unterschiedlich stark und mit unterschiedlichen Winkeln
bezüglich
der Zentralachse 6 verjüngt.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
im Bereich des sich verjüngenden
Querschnittes mehrere Rillenabschnitte 7 vorgesehen, die
entlang der Oberfläche
des Fügeabschnittes 4,
vorzugsweise in radialer Richtung des Fügeelementes 3 verlaufen. Wenn
die Rillenabschnitte 7 in radialer Richtung des Fügeelementes 3 komplett
umlaufen, bilden sie Ringnuten 8, die für eine gleichmäßige Verteilung
der auftretenden Kräfte über die
gesamte Mantelfläche
des Fügeabschnittes 4 sorgen.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl
Rillen- bzw. Nuttiefen, als auch Abstände zwischen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw.
benachbarten Ringnuten 8 gleich groß. Jedoch ist es denkbar, Rillen-
bzw. Nuttiefen und/oder die Abstände
zwischen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw. Ringnuten 8 variabel
zu gestalten. Auch ist es denkbar, dass sich die Geometrie der Querschnitte
der Rillenabschnitte 7 bzw. der Ringnuten 8 in
axialer Richtung des Fügeabschnittes 4,
d. h. in Richtung der Verjüngung
desselben verändert.
Zwar zeigen die dargestellten Ausführungsbeispiele einen sich
kontinuierlich verjüngenden
Querschnitt des Fügeabschnittes 4.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel des
Fügeelementes 3 in
einer Schnittdarstellung gezeigt. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist das Fügeelement 3 einen speziell
ausgebildeten Kopfabschnitt 12 auf. Der Kopfabschnitt 12 geht
in axialer Richtung in den Fügeabschnitt 4 über. Vorzugsweise
ist ein Querschnitt des Kopfabschnitts 12 breiter als eine
breiteste Stelle des sich verjüngenden
Fügeabschnittes 4.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn der Kopfabschnitt 12 im Übergang
zum Fügeabschnitt 4 eine
Anfasung 14 aufweist, wodurch der Materialfluss des oberen
Bauteils 1a im Über gangsbereich zwischen
dem Fügeabschnitt 4 und
dem Kopfabschnitt 12 begünstigt wird. Hierdurch wird
die Rissanfälligkeit
in diesem Bereich verringert. Verschiedene Außenkonturen des Kopfabschnittes
sind denkbar, beispielsweise trapezoide, kegelförmige, zylinderförmige oder
pilzförmige
Oberflächen.
Durch den Kopfabschnitt 12 wird die Abdichtwirkung des
Fügeelementes 3 weiter
verbessert. Jedoch ist es ebenso denkbar, dass das Fügeelement 3 keinen
speziell ausgebildeten Kopfabschnitt 12 aufweist.
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Des
Weiteren unterscheidet sich das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel
von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
durch einen stegförmigen
Abschnitt 11, der sich als Zwischensteg zwischen zwei benachbarten
Rillenabschnitten 7, bzw. Ringnuten 8 befindet.
Generell bezeichnet das Merkmal des stegförmigen Abschnittes 11 einen
Abstand zwischen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw.
Ringnuten 8, der größer ist
als die übrigen
Abstände
zwischen den anderen benachbarten Rillenabschnitten 7 bzw.
Ringnuten 8. Der Abschnitt zwischen den Rillenabschnitten 7 bzw.
den Ringnuten 8 ist in 2 variabel
und den zu verbindenden Bauteilen 1a, 1b angepasst.
Diese Bauteile 1a, 1b weisen eine gemeinsame Kontaktfläche auf.
Idealerweise umläuft
der stegförmige
Abschnitt 11 die gesamte Mantelfläche des Fügeabschnittes 4.
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In
der dargestellten Verbundstruktur befindet sich im Bereich der gemeinsamen
Kontaktfläche
der beiden Bauteile 1a, 1b der besagte stegförmige Abschnitt 11 des
Fügeelementes 3.
Durch den stegförmigen
Abschnitt 11 erhöht
sich die Scherzugfestigkeit der Verbundstruktur, indem die Kerbempfindlichkeit
des Fügeelementes 3 im
Bereich der Kontaktfläche
der beiden Bauteile 1a, 1b verringert wird. Vorzugsweise
wird der stegförmige
Abschnitt 11 durch das Weglassen eines Rillenabschnittes 7 bzw.
einer Ringnut 8 gebildet. Es ist jedoch auch denkbar, in
diesem Bereich zusätzlich
Material auf die Mantelfläche des
Fügeabschnittes 4 aufzutragen.
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Vorzugsweise
entspricht der Abstand von der Mitte des stegförmigen Abschnittes 11 zum
jeweiligen Ende des Fügeabschnittes 4,
beispielsweise zum Kopfabschnitt 12 oder zum Fußabschnitt 15,
auf den gesondert eingegangen wird, jeweils der Dicke des gefügten bzw.
zu fügenden
Bauteils 1a, 1b, 2. Wenn mehr als zwei
Bauteile verbunden werden sollen, entspricht die Bauteildicke von
Bauteilen, die zwischen den äußeren Bauteilen
liegen, vorzugsweise den Abständen
zwischen benachbarten stegförmigen
Abschnitten 11. Die Struk tur der Rillenabschnitte 7 bzw.
der Ringnuten 8 wird dementsprechend auf verschiedene Bauteildicken
in der Verbundstruktur angepasst.
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In
den 3 und 4 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele
von Fügeelementen 3 gezeigt. Beide
weisen ebenfalls stegförmige
Abschnitte 11 auf. Jedoch ist es auch denkbar, dass die
Abstände aller
benachbarten Rillenabschnitte 7 bzw. Ringnuten 8 gleichmäßig sind.
In 3 weist der Kopfabschnitt 12 des Fügeelementes 3 einen
Aufnahmebereich 13 mit einer definierten Innenkontur auf.
Dieses Aufnahmeelement 12 erfüllt die Aufgabe eines Lasteinleitungs-
oder Funktionselementes und weist hierzu beispielsweise ein Innengewinde
auf, um weitere Elemente zumindest temporär mit dem Fügeelement 3 zu verbinden.
Ebenso ist es möglich,
dass der Aufnahmebereich 13 eine definierte Außenkontur
aufweist, beispielsweise als Bolzen mit einem Außengewinde, wie dies in 4 gezeigt
ist.
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In 5 ist
eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles gezeigt, in
dem das Fügeelement 3 mit
einem Fügestempel 17 in
die Bauteile 1a, 1b eingepresst wird. Die dargestellte
Fügevorrichtung
weist hierzu neben dem Fügestempel 17 auch einen
Niederhalter 18 auf, um das obere Bauteil 1a während des
Fügevorganges
auf das untere Bauteil 1b zu drücken. Durch eine Vorschubbewegung
des Fügestempels 17 wird
das Fügeelement 3 bzw.
der Fügeabschnitt 4 in
die Bauteile 1a, 1b eingepresst, wobei Material
der Bauiteile/des Bauteils elastisch und/oder plastisch radial verdrängt wird.
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Zur
Vorbereitung des Fügevorganges
ist es denkbar, zumindest eines der Bauteile mit einem Vorloch zu
versehen, dessen Durchmesser deutlich geringer ist, als ein Außendurchmesser
des Fügeabschnittes 4 in
dem betreffenden Bereich nach Abschluss des Fügevorganges. Hierbei ist es
insbesondere vorteilhaft, wenn ein Fußabschnitt 15, in
den der Fügeabschnitt 4 in
Fügerichtung 5 übergeht,
eine Zentrierfase (nicht gezeigt) aufweist, um das Fügeelement 3 in
dem Vorloch zu zentrieren. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn
alle zu fügenden
Bauteile vorgelocht werden.
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Jedoch
ist es ebenso denkbar, dass keines der Bauteile ein Vorloch aufweist.
Hierbei ist es dann insbesondere vorteilhaft, wenn der Fußabschnitt 15 eine
Schnittkante 16 besitzt, mit der sich das Fügeelement 3 unter
Druckbeaufschlagung durch den Fügestempel 17 durch
die Bauteile schneidet.
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Darüber hinaus
weist die Fügevorrichtung eine
optionale Matrize 19 mit einer Aussparung, durch die der
Fußabschnitt 15 beim
Fügevorgang hindurchtritt,
auf. Jedoch ist es auch denkbar, einen flächigen und aussparungsfreien
Gegenhalter, bzw. eine Matrize ohne Konturierung zu verwenden. Hierdurch
werden Abdrücke
auf der Unterseite des mit der Matrize in Anlage befindlichen, zu
fügenden
Bauteiles 1b vermieden und die Oberflächenqualität gesteigert.
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Ein
flächiger
und aussparungsfreier Gegenhalter bietet sich an, wenn das oder
die zu fügenden Bauteile
ein Vorloch aufweisen, da in diesem Fall keine Stanzbutze durch
die Aussparung der Matrize 19 abgeführt werden muss. Deshalb ist
letztgenanntes Verfahren mit einer flächigen und aussparungsfreien Matrize
sowie vorgelochten Bauteilen besonders geeignet, hochwertige Verbindungen
beispielsweise für die
Luftfahrtindustrie herzustellen. Durch die nicht dargestellte Zentrierfase
erfolgt eine axialsymmetrische Positionierung des Fügeelementes 3 im
vorgelochten Bauteil 1a, 1b, 2. Hierzu
kann die Zentrierfase beispielsweise abgerundet ausgeführt sein.
Jedoch sind auch Zentrierkanten denkbar, die allerdings weniger
scharf als entsprechende Schnittkanten ausgebildet sind.
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In 6 ist
ein Ausführungsbeispiel
gezeigt, in dem das Fügeelement 3 mit
einem Bauteil 2 aus Schichtwerkstoffen 20, 21 in
Eingriff ist. Hierbei kann es sich jedoch auch um eine Detaildarstellung
vorhergenannter Ausführungsbeispiele
handeln. Der Rillenabschnitt 7, bzw. analog dazu die Ringnut 8, weist
einen Rillengrund 9 auf, der in eine Lastflanke 10 übergeht.
Durch die Lastflanke 10 wird Material des Wandabschnittes
des in Anlage befindlichen Bauteils 1a, 1b, 2 in
den Rillengrund 9 gepresst.
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Der
sich verjüngende
Querschnitt des Fügeabschnittes 4 weist
eine Kante auf, die bezüglich
der Zentralachse 6 des Fügeelementes 3 um einen
ersten spitzen Winkel geneigt ist. Die Lastflanke 10 weist eine
Vorderseite 10a auf, die in die Fügerichtung 5 weist
und bezüglich
der Zentralachse 6 des Fügeelementes 3 um einen
zweiten spitzen Winkel geneigt ist. Vorzugsweise ist der zweite
spitze Winkel gleich oder größer als
der erste spitze Winkel. Die Lastflanke 10 weist ferner
eine Rückseite 10b auf,
die entgegen der Fügerichtung 5 weist
und vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig zu der Zentralachse 6 des Fügeelementes 3 verläuft. Hierdurch
werden die Kopfzugeigenschaften des Fügeelementes 3 verbessert.
Bei Zugbeanspruchung der Verbundstruktur erfolgt ein zusätzliches
Verhaken und Verpressen der Lastflanken 10 mit den angrenzenden
Bauteilen 1a, 1b, 2, wodurch die Verbundstruktur
nicht nur formschlüssige,
sondern auch kraftschlüssige
Verbindungseigenschaften aufweist.
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Insbesondere
fließt
während
des Setzvorganges Material des Bauteiles 1a, 1b, 2 in
den Rillengrund 9 ein. Bei der Verbundstruktur ist es daher
vorteilhaft, wenn eine Breite des jeweiligen Rillenabschnittes 7 bzw.
der Ringnut 8 im Wesentlichen einer Schichtdicke des Schichtwerkstoffes 20, 21 entspricht.
Bei dem ersten Schichtwerkstoff 20 kann es sich beispielsweise
um eine Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung handeln.
Bei dem zweiten Schichtwerkstoff 21 kann es sich beispielsweise
um eine Glasfaser- oder Kohlefaserschicht handeln.
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Generell
kann das Fügeelement 3 durch
urformende oder umformende Verfahren hergestellt werden. Ebenso
besteht die Möglichkeit
zur spanenden Herstellung desselben. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn das Fügeelement 3 durch
ein Sinterverfahren oder ein sinterähnliches Verfahren hergestellt wird.
Durch vor- und/oder nachgelagerte Wärmebehandlungs- und/oder Beschichtungsverfahren
wird die Festigkeit und/oder die Korosionsbeständigkeit des Fügeelementes 3 vorzugsweise
verbessert. Generell kann die Form des Fügeelementes 3 die
Form eines konusförmigen
Nagels, Stiftes, Schließringbolzens
oder auch eines Stanz- bzw. Blindniets aufweisen.
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Neben
der Herstellung des Fügeelementes 3 aus
metallischen Werkstoffen ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das
Fügeelement 3 aus
einem Verbundwerkstoff bzw. einem keramischen Werkstoff besteht.
Der Aufbau kann sowohl homogen als auch inhomogen sein. Beispielsweise
werden in den keramischen Werkstoff Langfasern und/oder Kurzfasern und/oder
Multifilamentfasern und/oder Whisker eingebettet. Vorzugsweise bestehen
die eingebetteten Fasern aus Asbest und/oder Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxidverstärktem Zirkoniumoxid
und/oder Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder Aluminiumoxid
und/oder Kohlenstoff und/oder Tantal und/oder Hafnium und/oder Titan
und/oder Wolfram und/oder Thorium und/oder Molybdän bzw. aus
Verbindungen, die diese Bestandteile aufweisen. Darüber hinaus
ist es ebenso vorteilhaft, wenn der keramische Werkstoff partikel-
oder plättchenförmige Komponenten
auf Carbid-, Nitrid-, Bond-, und/oder Oxid-Basis aufweist.
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Die
konische Form des Fügeabschnittes 4 in den
beschriebenen Ausführungsbeispielen
bewirkt während
des Setzvorganges ein sukzessives radiales Verdrängen des Materials der zu fügenden Bauteile 1a, 1b, 2 bei
gleichzeitiger Erhöhung
der radialen Flächenpressung
in diesen Bereichen. Diese Verpressung verbessert insbesondere auch
die Abdichtwirkung des Fügeelementes 3 gegenüber den
besagten Bauteilen 1a, 1b, 2.
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Ebenso
bewirkt die radiale Verpressung des Fügeelementes 3 eine
entsprechend hohe Selbsthemmung des Fügeelementes 3 gegenüber den
gefügten
Bauteilen 1a, 1b, 2, wodurch die Kopfzugbeanspruchbarkeit
der gesamten Verbundstruktur erhöht
wird. Die zusätzliche
radiale Kraftkomponente führt
durch Erhöhung
der Druckkräfte
auf die gefügten
Bauteile 1a, 1b, 2 zur Reduzierung der
Rissanfälligkeit,
speziell bei Schicht- und/oder Faserverbundwerkstoffen im Bereich
der Fügestelle.
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Zusammenfassend
sind die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele des Fügeelementes 3 aufgrund
ihrer konischen Form besonders geeignet, um Mehrschichtverbunde
und faserverstärkte
Werkstoffe zu fügen/verbinden.
Durch Rillenabschnitte 7, die speziell auf die einzelnen
Schichten der Schicht- und Faserverbundwerkstoffe abgestimmt sind,
kann das verdrängte
Material aufgenommen werden. Vorzugsweise nehmen die Rillenabschnitte 7 zum
Kopfabschnitt 12 hin ab, da auch die Werkstoffspannungen
nach „oben" abnehmen.
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Das
Fügeelement 3 kann
sowohl als Funktionselement als auch als Krafteinleitungselement
fungieren. Es kann mit oder ohne Vorloch im Fügepartner/in den Fügepartnern
verwendet werden. Vorzugsweise ist das Fügeelement 3 aus Keramik
zur Vermeidung von Korrosion, und zur Steigerung der Festigkeit
des Fügeelementes 3 kann
es auch mit verschiedenen Fasern verstärkt werden. Durch einen stegförmigen Abschnitt 11/Zwischensteg
können
auftretende Scherzugbeanspruchung abgefangen werden.
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Die
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele
betreffen ein Fügeelement,
insbesondere zum Fügen
von mehrlagigen Bauteilen, aufweisend einen Fügeabschnitt 4, der
sich in axialer Richtung des Fügeelementes 3 erstreckt
und mit einem Wandabschnitt zumindest eines Bauteils 1a, 1b, 2 in materialverdrängende Anlage
bringbar ist, wobei der Fügeabschnitt 4 einen
sich in Fügerichtung 5 verjüngenden
Querschnitt aufweist, der sich in axialer Richtung über eine
gesamte Länge
des Fügeabschnittes 4 erstreckt.
Ebenso betreffen die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Verbundstruktur
und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbundstruktur.