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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Befestigungsvorrichtung zum Zusammenfügen eines Verbundmaterials mit einem Metallmaterial durch Widerstandstumpfschweißen der Befestigungsvorrichtung an dem Metallmaterial. Es bezieht sich ganz besonders auf den Automobilsektor.
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ALLGEMEINER TECHNOLOGISCHER STAND DER TECHNIK
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Es ist ganz besonders im Bereich des Land- oder Lufttransports bekannt, Multimaterial-Anordnungen zu verwenden, die sowohl Metallbauteile als auch Stahl-, Aluminium-, Magnesium- und Verbundmaterial-Bauteile, wie z. B. als Matrix und Verstärkung, wie z. B. mit Carbonfasern oder Glasfasern verstärkte Polymere, enthalten. Diese Multimaterial-Anordnungen lösen Probleme mit der Reduzierung des Fahrzeuggewichts durch den Ersatz von Metallteilen durch leichtere Verbundmaterialien, um den Energieverbrauch zu senken oder die Fahrzeugdynamik zu verbessern. Diese Anordnungen sind jedoch aufgrund der unterschiedlichen Art der zusammengesetzten Materialien vergleichsweise schwierig umzusetzen.
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Die Patentschrift
FR3065895 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Befestigen eines Verbundmaterials an einem Metallmaterial durch Widerstandstumpfschweißen. Die Befestigungsvorrichtung besteht aus einem Metalleinsatz, der in einer Öffnung angeordnet ist, die zuvor in dem Verbundmaterial geformt wurde, sodass er sie vollständig durchquert, um mit dem Metallmaterial in Kontakt zu kommen. Dann wird eine Schweißelektrode auf den Metalleinsatz angewendet, um zwischen dem Einsatz und dem Metallmaterial an ihrem Kontaktpunkt zu schweißen.
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ZWECK DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in dem Bereitstellen einer alternativen Lösung zu den Lösungen des Standes der Technik. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zum Befestigen eines Verbundmaterial-Teils an einem Metallmaterial-Teil, wobei das Befestigen durch Widerstandstumpfschweißen der Befestigungsvorrichtung an dem Metallmaterial-Teil durchgeführt ist. Diese Vorrichtung erlaubt ein vereinfachtes, wirtschaftliches und stabiles Befestigen der Teile miteinander.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt der Gegenstand der Erfindung eine Befestigungsvorrichtung mit einer oberen Seite und einer unteren Seite vor, die eine geprägte Metallplatte umfasst, die zwei Bereiche aufweist: einen ersten Bereich mit mehreren Klauen auf der oberen Seite und der unteren Seite der Befestigungsvorrichtung und einen zweiten Bereich, der ein Becken umfasst, wobei das Becken eine flache Basis und wenigstens eine Seitenwand aufweist.
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Die Befestigungsvorrichtung ist dazu bestimmt, ein erstes Verbundmaterial mit einem zweiten Metallmaterial-Teil zusammenzufügen, wenn der erste Bereich in dem ersten Teil enthalten ist, und wenn die flache Basis des Beckens an dem zweiten Teil auf der unteren Seite der Befestigungsvorrichtung verschweißt ist.
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Nach weiteren vorteilhaften und nicht einschränkenden Merkmalen der Erfindung entweder gesondert oder in jeder technisch durchführbaren Kombination:
- - weist das Becken eine spitz zulaufende Form auf;
- - ist der zweite Bereich an einem Ende der geprägten Metallplatte angeordnet;
- - Die Platte umfasst wenigstens eine Verstärkungsrippe, die eine Abgrenzung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich überlappt.
- - weist der zweite Bereich eine kleinere Oberflächenzone auf als der erste Bereich;
- - sind die Klauen durch Stanzen der geprägten Metallplatte geformt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung schlägt die Erfindung eine Anordnung vor, die aus einem ersten Verbundmaterial-Teil, einem zweiten Verbundmaterial-Teil und einer Befestigungsvorrichtung wie oben gebildet ist, in der: der erste Bereich in dem ersten Teil enthalten ist; die flache Basis an dem zweiten Teil auf der unteren Seite der Befestigungsvorrichtung verschweißt ist.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich, in denen:
- [1a] 1a eine Übersicht der oberen Seite A einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung ist;
- [1b] 1b eine Übersicht der oberen Seite A einer weiteren erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung zeigt;
- [2a] 2a eine Übersicht über die erfindungsgemäße Anordnung gemäß der oberen Seite der Befestigungsvorrichtung nach dem ersten Schritt des Formens der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt;
- [2b] 2b eine Querschnitts-Übersicht über eine weitere erfindungsgemäße Anordnung der Befestigungsvorrichtung nach dem ersten Schritt des Formens der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt;
- [3] 3 eine Querschnitts-Ansicht einer Anordnung ist, die eine erfindungsgemüäße Befestigungsvorrichtung verwendet;
- [4] 4 das zweite Bildungsstadium der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zwecks Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung werden für Elemente, die identisch sind oder dieselbe Funktion erfüllen, dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Figuren sind schematische Darstellungen, die zur Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
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Allgemeine Darstellung der Befestigungsvorrichtung
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Der Zweck der Befestigungsvorrichtung 1 besteht im Zusammenfügen eines ersten Teils 4 aus Verbundmaterial, wie z. B. mit Carbonfaser oder Glasfaser verstärktem Polymer, mit einem zweiten Teil 5 aus Metallmaterial durch Widerstandstumpfschweißen. Die Befestigungsvorrichtung 1 weist eine obere Seite A und eine untere Seite B auf.
Die Befestigungsvorrichtung 1 aus aus einer geprägten Metallplatte aus einem Stück geformt. „Geprägte Metallplatte aus einem Stück“ steht für eine Metallplatte aus einem Stück, die einem oder mehreren Prägeschritt(en), d. h. Kaltformschritten der Metallplatte, unterzogen wurde. Diese Platte kann ebenfalls einem oder mehreren Schneid- und/oder Biegeschritt(en) unterzogen worden sein.
In der nachfolgenden Beschreibung können „geprägte Metallplatte aus einem Stück“, „Platte“ und „Befestigungsvorrichtung“ auf äquivalente Weise verwendet sein.
Die geprägte Metallplatte aus einem Stück 1 weist eine Dicke zwischen 0,5 mm und 2,5 mm, bevorzugt zwischen 1 und 2 mm, auf und ist im Wesentlichen über ihre gesamte Oberfläche konstant. Diese Dicke entspricht der Dicke der ursprünglichen Metallplatte vor dem Prägen. Die Dicke der geprägten Teile kann in den Zonen, die durch das Prägen verformt sind, leicht abnehmen.
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Das für die Metallplatte aus einem Stück gewählte Metall kann aus eisenhaltigen Metallen und Stählen gewählt sein.
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Die 1a und 1b zeigen eine Übersicht von zwei beispielhaften erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtungen 1.
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Die Befestigungsvorrichtung 1 weist zwei Bereiche auf. Die Abgrenzung zwischen den zwei Bereichen ist durch gestrichelte Linien in den 1a und 1b dargestellt. Der erste Bereich 2 weist mehrere Klauen 20 auf der oberen Seite A und der unteren Seite B der Befestigungsvorrichtung 1 auf. Der zweite Bereich 3 enthält ein Becken 30 mit einer flachen Basis 31 und einer Seitenwand 32. Die Seitenwand 32 des Beckens 30 läuft vorteilhaft spitz zu.
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Der erste Bereich 2 soll gewährleisten, dass die Befestigungsvorrichtung 1 mittels der Klauen 20 an dem ersten Teil 4 anhaftet. Er soll mit dem ersten Teil 4 auf der oberen Seite A und der unteren Seite B der Befestigungsvorrichtung 1 in Kontakt sein. Um dies zu erreichen, kann ein erster Teil 4 z. B. aus einem Stapel von Schichten mit ähnlichen Eigenschaften zusammengesetzt sein und die Befestigungsvorrichtung 1 ist zwischen zwei Schichten angeordnet, um sie in dem ersten Teil 4 zu enthalten. Dies wird in weiteren Einzelheiten später beschrieben werden.
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Der Zweck der Klauen 20 besteht in dem Sichern der Befestigungsvorrichtung 1 an dem ersten Teil 4. Die Klauen 20 bilden in Bezug auf die Platte 1 einen Winkel zwischen 20 und 60°, bevorzugt 45°. Von den Klauen 20 erstrecken sich einige Klauen 20 über die untere Seite B der Befestigungsvorrichtung 1 hinaus, und die anderen Klauen 20 erstrecken sich über die obere Seite A der Befestigungsvorrichtung 1 derart hinaus, dass sie wenigstens teilweise durch den ersten Teil 4 hindurchtreten können, der den ersten Bereich 2 der Befestigungsvorrichtung 1 enthält. Die Oberfläche, auf der die Klauen 20 platziert sind, ihre Menge und Ausrichtung sind gemäß der erforderlichen mechanischen Leistung optimiert.
Die Klauen 20 sind vorteilhaft durch Stanzen der Platte 1 geformt. Die somit erhaltenen Klauen 20 formen eine geneigte Ebene, die bevorzugt dreieckig geformt und an die Platte 1 nur durch eine Seite angeschlossen ist. Die Bildung der Klauen 20 durch Stanzen schafft Öffnungen 21 in der Ebene der Platte 1 an den Klauen 20. Diese Öffnungen 21 ermöglichen das Verbessern der Sicherung der Vorrichtung 1 an dem ersten Teil 4, wie nachstehend beschrieben.
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Der zweite Bereich 3 soll gewährleisten, dass die Befestigungsvorrichtung 1 über das Becken 30 an dem zweiten Teil 5 anhaftet. Der zweite Bereich 3 enthält wenigstens das Becken 30 (1b und 2b). Der zweite Bereich 3 soll an den zweiten Teil 5 an seiner unteren Seite B auf der Höhe der flachen Basis 31 des Beckens 30 geschweißt sein. Der zweite Bereich 3 sollte bevorzugt frei von einem Kontakt mit dem ersten Teil 4 auf der unteren Oberflächenseite B und der oberen Oberflächenseite A der Befestigungsvorrichtung 1 bleiben, um in der Lage zu sein, das Schweißen mit dem zweiten Teil 5 später mit einer flachen und sauberen Schweißzone durchzuführen.
Der zweite Bereich 3 ist vorteilhaft an einem Ende der Platte angeordnet, um z. B. den Bereich 3 über die Kante des ersten Teils 4 wie in 2a gezeigt zu verlängern. Weitere Einzelheiten werden in der nachfolgenden Beschreibung bereitgestellt.
Ebenfalls vorteilhaft weist der zweite Bereich 3 eine kleinere Oberflächenzone auf als der erste Bereich 2. Einer der Hauptvorteile davon ist das Platzieren des Schweißpunktes, bestehend aus der flachen Basis 31 des Beckens 30, so nahe wie möglich an der Kannte des ersten Teils 4 bei gleichzeitigem Festhalten einer guten mechanischen Stärke der Befestigungsvorrichtung 1 dank des ersten Bereichs 2.
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Die Tiefe des Beckens 30 ist derart bestimmt, dass die flache Basis 31 mit dem zweiten Teil 5 in Kontakt sein kann, wenn der erste Teil 4 und der zweite Teil 5 mittels der Befestigungsvorrichtung 1 zusammengefügt sind. Die Tiefe des Beckens 30 ist daher größer als oder gleich der Dicke des Abschnitts des ersten Teils 4, der zwischen der unteren Seite B der Vorrichtung 1 und dem zweiten Teil 5 angeordnet ist.
Die inneren Abmessungen des Beckens 30 sind bevorzugt derart ausgewählt, dass sie ausreichend Freiraum zu den seitlichen Abmessungen oder dem Durchmesser der Elektrode 6a lassen, die zum Schweißen verwendet ist. Dies bewirkt eine Minderung möglicher Kurzschluss-Risiken durch Verhindern, dass die Elektrode 6a mit der Seitenwand 32 in Kontakt kommt, insbesondere, wenn die genannte Elektrode 6a in dem Becken 30 positioniert ist.
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Die Platte 1 umfasst vorteilhaft wenigstens eine Verstärkungsrippe 33, die eine Abgrenzung zwischen dem ersten Bereich 2 und dem zweiten Bereich 3 überlappt. Der Zweck dieser Verstärkungsrippe 33 besteht im Verbessern des Verformungswiderstandes, insbesondere des Biegewiderstandes, der Befestigungsvorrichtung 1 in einer zur Oberfläche der Platte 1 lotrechten Richtung. Dies ist insbesondere in dem in 2a dargestellten Fall sinnvoll, um den der zweite Bereich 3 aus dem ersten Teil 4 hervorsteht, um die Biegegefahr am Übergang zum ersten Teil 4 an der Abgrenzung zwischen dem ersten Bereich 2 und dem zweiten Bereich 3 zu begrenzen. Das Vorhandensein dieser Verstärkungsrippe 33 ermöglicht es daher, unterschiedliche Geometrien des zweiten Bereichs 3 insbesondere in Bezug auf seine Breite und Länge in Betracht zu ziehen und dabei gleichzeitig die Verformungsgefahr zu verhindern.
Die Verstärkungsrippen 33 sind vorteilhaft durch Prägen geformt. Ebenfalls vorteilhaft sind die Verstärkungsrippen 33 auf jeder Seite des Beckens 30 wie in 1a gezeigt paarweise angeordnet.
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Anordnung, die eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung verwendet.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Anordnung, umfassend eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 1 und umfassend einen ersten Teil 4 und einen zweiten Teil 5. Zum Herstellen dieser Anordnung sind mehrere Schritte notwendig. In einem ersten Schritt Sichern der Befestigungsvorrichtung 1 an dem ersten Teil 4, die kann in Abhängigkeit von der verwendeten Technik in einem oder mehreren Teilschritt(en) erfolgen. In einem zweiten Schritt wird die Befestigungsvorrichtung 1 dann an dem zweiten Teil 5 gesichert.
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Ursprünglich ist der erste Teil 4 kein Verbund, er ist nur aus Fasern, ganz besonders einem Stapel aus wenigstens zwei Faserschichten, wie z. B. Carbon- oder Glasfasern, zusammengesetzt und wird als der erste einleitende Teil bezeichnet. Der erste einleitende Teil wird später durch Einspritzen einer Matrix während des ersten Schritts zu dem ersten Verbundteil 4 werden.
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Der durch eine Einspritzabform-Technik, wie z. B. ein Niedrigdruck-Einspritzabformen, bekannt als „RTM“ (für „Resin Transfer Molding“ - Harzübertragungsabformen) oder ein Harzeinspritzen und ein Infusionsabformen, bekannt als „LCM“ (für „Liquid Compression Molding“ - Flüssig-Kompressionsverfahren) durchgeführte erste Schritt.
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Ein erster Teilschritt soll den ersten Bereich 2 der Befestigungsvorrichtung 1 in den ersten Teil 4 aufnehmen. Diese Aufnahme erfolgt auf der unteren Seite B und auf der oberen Seite A der Befestigungsvorrichtung 1.
Die Befestigungsvorrichtung 1 ist zwischen wenigstens zwei Schichten der Fasern angeordnet, die den ersten einleitenden Teil formen, sodass nur der erste Bereich 2 abgedeckt ist. Es gibt verschiedene Wege, dies zu tun.
Z. B. kann die Befestigungsvorrichtung 1 durch Anpassen angeordnet sein, um sich über den zweiten Bereich 3 des ersten Teils 4 zu erstrecken, falls erforderlich, durch Schneiden der Form der Kanten des ersten Verbundteils, um zu vermeiden, dass er den zweiten Bereich 3 wie in 2a gezeigt enthält.
Es kann ebenfalls in Betracht gezogen werden, dass der zweite Bereich 3 auf der Kante des ersten Verbundteils 4 angeordnet sein wird und sich wie in 2b gezeigt nicht darüber hinaus erstreckt. In diesem Beispiel besteht der zweite Bereich 3 nur aus dem Becken 30 und in den Faserschichten des ersten einleitenden Teils müssen Öffnungen geformt sein, bevor die Befestigungsvorrichtung 1 zwischen den Faserschichten platziert wird, sodass der zweite Bereich 3 an der unteren Seite B und der oberen Seite A der Befestigungsvorrichtung 1 freigelegt ist. Das Vorhandensein von Verstärkungsrippen 33 ist nicht notwendig, weil die Befestigungsvorrichtung 1 sich nicht über den ersten einleitenden Teil erstreckt und daher gibt es keine für das Biegen verantwortliche Zone.
Diese Bereitstellungen weisen den Vorteil auf, die Gesamtkompaktheit der Anordnung zu verbessern sowie die Menge des verwendeten Materials zu reduzieren, was das Gewicht der Anordnung, insbesondere durch Reduzieren der Menge an erforderlichem Verbundmaterial mindert.
In dem ersten Teilschritt kann eine Kompressionskraft angewendet sein, um die Faserschichten des ersten Verbundteils des ersten Bereichs 2 der Befestigungsvorrichtung 1 enger zusammenzubringen, um die Klauen 20 in die Faserschichten eindringen zu lassen, um die Aufnahme einzuleiten.
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In einem zweiten Teilschritt wird eine Matrix, die sich bevorzugt aus einem wärmehärtenden Material, wie z. B. Epoxid, zusammensetzt, in die Faserschichten des ersten einleitenden Teils eingespritzt, um den ersten Verbundmaterial-Teil 4 durch Ausfüllen der Lücken zwischen den Fasern zu formen, um ihre Kohäsion zu gewährleisten. Auch wird es die Öffnungen 21 auf der Höhe der Klauen 20 füllen und somit der Befestigungsvorrichtung 1 das Sichern an dem ersten Teil 4 ermöglichen. Der zweite Bereich 3 bleibt frei von jeglicher Matrix auf der oberen Seite A und der unteren Seite B der Befestigungsvorrichtung 1. Dies wird z. B. durch Platzieren der Versiegelungselemente (Siegel) in der zum Einspritzen in die Matrix verwendeten Form erreicht, um ein Matrixeinsickern in den Zonen zu verhindern, die frei gelassen werden sollen.
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In einem zweiten Schritt, der in 4 gezeigt ist, ist der zweite Bereich 3 der Befestigungsvorrichtung 1 an der flachen Basis 31 des Beckens 30 an dem zweiten Teil 5 verschweißt.
Zu diesem Zweck ist der erste Teil 4, der mit der Befestigungsvorrichtung 1 versehen ist, auf dem zweiten Teil 5 derart aufgebracht, dass die flache Basis mit dem zweiten Teil 5 auf der unteren Seite B der Befestigungsvorrichtung 1 in Kontakt ist. Dann wird eine erste Elektrode 6a in dem Becken 30 auf der oberen Seite A der Vorrichtung 1 mit der flachen Basis 31 in Kontakt platziert. Eine zweite Elektrode 6b wird gegen den zweiten Teil 5 gegenüber der ersten Elektrode 6a derart platziert, dass die flache Basis 31 und der zweite Teil 5 zwischen den zwei Elektroden 6a und 6b sind. Zwischen der ersten Elektrode 6a und der zweiten Elektrode 6b ist ein elektrischer Strom angewendet, um ohmig die flache Basis 31 mit dem zweiten Teil 5 zu verschmelzen. Auch wird eine Kraft angewendet, um die zwei Elektroden einander anzunähern und somit die flache Basis 31 gegen den zweiten Teil 5 zu drücken, um die Verschmelzung zu fördern.
Am Ende dieses zweiten Schritts wird der erste Teil 4 zwischen der Befestigungsvorrichtung 1 und dem zweiten Teil 5 zwischengeschaltet, was den guten mechanischen Widerstand der Anordnung gewährleistet. Die Klauen 20 sind zum Zwischenschalten des ersten Teils 4 zwischen der Befestigungsvorrichtung 1 und dem zweiten Teil 5 verwendet. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und alternative Lösungen können verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung gemäß Definition in den Ansprüchen zu sprengen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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