DE2054836A1 - Hollow metal rivet or stud - for fixing to plastics materials - Google Patents

Description

• und Vorrichtung Verfahren/zum Einsenken metallischer Körper in Thermoplaste mittels Ultraschall.
• Oft fällt die Aufgabe an, vorzugsweise Buchsen aus Metall in Kunststoffteilen zu befestigen oder mittels solcher Buchsen weitere Teile aus beliebige in Material fest mit einem Kunststoffteil zu verbinden0 Es ist bekannt, Kunststoffteile miteinander oder ein Kunststoffteil mit einem Metallteil in herkömmlicher Weise durch Schrauben oder Nieten zu verbinden.
• Das erfordert natürlich viel Arbeitszeit. Es ist auch bekannt, zwei derartige Teile miteinander zu verkleben, wobei ein KLeber oder ein Lösungsmittel erforderlich ist, die nach dem Arbeitsprozeß nur langsam verdampfen.
• Dieses Verfahren wird heute zwar immer noch angewendet, ist aber sehr unbeliebt, nicht nur wegen der auch gesundheitsschädlichen Lösungsmitteldämpfe, sondern insbesondere wegen der verhältnismäßig langen Trocknungszeiten, die eine fließende Weiterverarbeitung der Teile unmöglich machen.
• Eine Klebeverbindung ist auch dann nicht sehr zweckmäßig oder sie gibt nicht genügende Festigkeit, wenn Metallteilemit Kunststoffteilen verbunden werden müssen.
• Es ist ferner bekannt (DAS 1. 296. 355, angemeldet als N 24888 am 28.4. 1964), Buchsen aus Metall oder einem anderen, nicht plastisch verformt baren Material in Kunststoffe mittels Ultraschall einzusenken. Es ist auch schon daran gedacht worden, mit solchen Buchsen, die dazu einen Flansch, ähnlich einem Schraubenkopf oder einem Nietkopf tragen, eine Platte aus Kunststoff oder aus Metall auf einem Kunststoffkörper zu befestigen. Bei diesem Verfahren wird ein Loch geringeren Querschnittes wie des der später einzubettenden Buchse zuvor in das Kunststoffteil gebohrt. Die Metall-Buchse trägt meist einen zylindrischen Schaft mit Eindrehungen oder Einfräsungen, in die der Thermoplast, durch die mit Ultraschall-Frequenz vibrierende Buchse erwärmt und erweicht, während des Vorgangs des Einsenkens eindringt und nach dem Erstarren die Buchse unverrückbar festhält. Diesem Verfahren haften jedoch Nachteile an. Die Oberfläche des Kunststoffteils verformt sich neben der eingesenkten Buchse und wölbt sich nach außen empor. Denn zur Erzielung der gewünschten Festigkeit ist es notwendig, der zuvor angebrachten Bohrung ein solches Untermaß zu geben, daß während des Einsenkens mittels Ultraschall Kunststoff im Überschuß vorhanden ist, der dann nur seitlich der Buchse nach außen herausquellen kann. Der zweite wesentliche Nachteil ist der, daß, ähnlich wie bei der Herstellung von Schraub- oder Nietverbindungen zwischen zwei Metallplatten, in beiden Teilen die Löcher paarweise miteinander genau fluchten müssen. Es ist also zuvor die Anfertigung einer Bohrlehre notwendig, mittels derer beide Teile nacheinander mit verschiedenem Lochdurchmesser gebohrt werden0 Man verwendet bis heute hierzu stets Metall-Buchsen, die ähnlich der Form einer Holzschraube oder einer Metallschraube, zwecks leichteren Zentrierens an einem bereits vorhandenen Loch an der Stirnfläche mehr oder weniger stark angespitzt sind, wodurch der erweichende Thermoplast nach außen gedrängt wird und notwendigerweise konzentrisch um die Metall-Buchse herum nach außen hervor quillt, wenn bei gleichzeitiger Anwendung von Ultraschall-Schwingungen und leichtem Druck die so geformte Buchse in das Kunststoffteil eingesenkt wird. Es wird hierdurch zwar ein sehr fester Sitz erzielt und die einzubettende Metall-Buchse gelangt genau dorthin, wo man sie haben will, d. h. wo zuvor jene Bohrung mit geringerem Durchmesser angebracht worden war. Durch eine derartige, mit einem Flansch versehene Metall-Buchse ein anderes Kunststoffteil oder ein Metallteil mit einem Kunststoffteil fest zu verbinden, wie man beispielsweise mit einer Holzschraube eine Metallschiene auf ein Stück Holz aufschrauben kann, ist nicht in befriedigender Weise möglich, weil durch das Emporwölben des Kunststoffteils ein sattes Anliegen der beiden zu verbindenden Flächen verhindert wird, so daß die beiden so verbundenen Teile in den meisten Fällen relativ zueinander wackeln können.
• Erfindungsgeinäß werden diese Nachteile schlagartig dadurch beseitigt, daß man die einzubettende Metall-Buchse an ihrer Stirnfläche keineswegs zuspitzt, sondern im Gegenteil bis zur Stirnfläche streng zylindrisch gestaltet und daß man demüberschüssigen Kunststoff die Möglichkeit gibt, durch eine zentrale Bohrung in der Buchse nach außen zu entweichen. Um diesen Prozeß in gezielter Weise zu begünstigen, ist es zweckmäßig, die zentrale Bohrung gegen die Stirnfläche der Buchse trichterförmig zu erweitern, so daß praktisch eine scharfe, konzentrische Kante die Metall-Buchse begrenzt.
• Natürlich ist es zweckmäßig, auch das schwingende Ultraschall-Werkzeug mit einer entsprechenden und möglichst noch etwas größeren Bohrung zu versehen, die möglichst genau mit der Bohrung in der Buchse fluchtet und überschüssiger Kunststoffmasse Platz bietet. Diese erstarrt sofort nach Abschalten der Ultraschall-Energie und fällt infolge des großen Temperaturkoeffizienten von Thermoplasten nach Beendigung des Sinbett-Prozesses aus dem Ultraschall-Werkzeug leicht heraus, bzw. bleibt mit dem die zentrale Bohrung der Buchse füllenden Kunststoff-Stiel in fester Verbindung, von dem sie zum Schluß abgebrochen, abgefräst oder sonstwie mechanisch leicht entfernt werden kann.
• Diese besondere Formgebung der Metall-Buchse macht ein vorheriges Anbohren des thermoplastischen Kunststoffteils völlig überflüssig und außerdem tritt keinerlei Verformung der Kunststoffoberfläche und kein Heraus quellen von überschüssigem Kunststoff an der Außenseite der Metall-Buchse auf.
• Zur Fixierung und Halterung der Buchse, die auf kein vorgebohrtes Loch trifft, ist es zweckmäßig, sie von außen, d.h. oberhalb der Kunststoffoberfläche durch eine kleine Vorrichtung zu halten und den Ort, an welchem sie eingesenkt werden soll, genau zu justieren. Selbstverständlich kann man aber auch, insbesondere wenn es sich nur um das Einsenken solcher Buchsen handelt, in das Kunststoffteil zuvor an der entsprechenden Stelle ein kurzes Loch bohren, dessen Durchmesser gleich groß oder auch geringfügig größer ist als der der Buchse, wobei dieses Loch natürlich nur eine sehr geringe Tiefe besitzen soll und nur zum Fixieren der Buchse für das Einsenken mittels Ultraschall dienen soll.
• Eine derartig geformte Buchse mit zentraler Bohrung ist in hervorragender Weise dazu geeignet, beliebige Teile aus Metall, Kunststoff oder anderen Stoffen mit einem Körper aus thermoplastischem Kunststoff fest zu verbinden.
• Die beiden zu verbindenden Teile sollen dabei zweckmäßigerweise Bereiche besitzen, auf denen sie flächig, d.h. ohne einen spaltförmigen Zwischenraum aufeinander liegen. Nur das obere Teil, das also nicht aus thermoplastischiem Kunststoff zu bestehen braucht, erhält zuvor an geeigneter Stelle eine Bohrung, durch die die Metall-Buchse hindurchgesteckt wird, um anschließend in den thermoplastischen Kunststoffkörper eingebettet zu werden. Das obere Teil dient dann also zugleich auch als Vorrichtung, um die Metall-Buchse zu halten und zu fixieren. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird also in den Thermoplasten vorher keine Bohrung angebracht, wodurch dieser Arbeitsprozeß gespart und das Arbeiten mit einer Bohrschablone überflüssig gemacht wird.
• Die Erfindung wird durch die Figuren 1 und 2 näher erläutert: In beiden ist mit A ein beliebig geformter Kunststoffkörper aus thermoplastischem Material bezeichnet, der in einem gewissen Bereich hier im gezeichneten Beispiel eine ebene Oberfläche besitzt. Der ebenfalls als Beispiel plattenförmig gezeichnete Körper B besitzt bereits jene Bohrung, durch die später die Metall-Buchse C gesteckt wird. Wenn auch in Figur 1 die Berührungsflächen zwischen A und B als ebene Flächen gezeichnet sind, so bedeutet dies keinerlei Einschränkung bzgl. der Form dieser Flächen. Sie können beliebig sein und sollen sich nur in der Nachbarschaft der Verbindungsstelle flächig berühren. Sie können dort also z. B. auch genau aufeinanderpassende Kugel- oder Zylinderflächen sein.
• Man erkennt ferner an Figur 1 die genaue Formgebung der Metall-Buchse C. Der Flansch an ihrem oberen Ende bedarf keiner weiteren Erklärung, er dient zum Festhalten der zu verbindenden Teile ähnlich wie der Kopf einer Schraube oder eines Niets. Der Schaft der Buchse ist zylindrisch und besitzt jene Eindrehungen oder Einfräsungen, in die der erweichende Kunststoff eindringen soll. Der Schaft kann auch gerändelt sein. Die zentrale, oder zumindest in der Nähe der Mittellinie verlaufende Durchgangsbohrung dient zum Abtransport des erweichenden, 'überschüssigen Kunststoffmaterials. Ihr Durchmesser wird im Verhältnis zum Außendurchmesser der Buchse so gewählt, daß der rohrförmige Schaft trotz seiner außen angebrachten Aussparungen (Einfräsungen) für den gedachten Anwendungszweck genügende Festigkeit behält und daß im übrigen der Kunststoff möglichst widerstandslos durch die Bohrung abfließen kann. Am unteren Ende von C ist in Figur 1 die trichterförmig erweiterte Öffnung der zentralen Bohrung zu sehen, wobei der Trichter im Gegensatz zu einem handelsüblichen Trichter hier sehr flach sein kann. Es ist genügend, wenn sein Öffnungswinkel nur geringfügig unterhalb 1800 liegt. Natürlich darf der Offnungswinkel auch spitzer sein. Der Trichter sollte vorzugsweise eine solche Form und Lage besitzen2 daß er bei zylindrischem Querschnitt der Buchse genau konzentrisch eingedreht ist, wodurch ein verhältnismäßig scharfer Rand an der unteren Stirnfläche der Buchse entsteht.
• Bisher bestanden schwerwiegende Bedenken gegen eine solche Form der Buchse, weil angenommen wurde, daß der erweichende Kunststoff dann quantitativ durch die zentrale Bohrung abfließt und daß infolgedessen kein überschüssiger Kunststoff anfällt, um die Eindrehungen oder Einfräsungen am äußeren Umfang des Nippels während des Einsenkens auszufüllen.
• Gerade das ist aber Voraussetzung, um eine feste Verbindung zwischen den Thermoplasten und der Metall-Buchse zu erzielen. Überraschenderweise zeigten schon die ersten, aufgesägten Versuchsstücke, daß diese Bedenken völlig unberechtigt waren und daß lückenlos alle Hohlräume mit Kunststoff ausgefüllt werden. Trotzdem ist an der Oberfläche nicht die geringste schädliche Verformung zu sehen, insbesondere kein Hochwölben, das einen guten Sitz der zu verbindenden Teile verhindern könnte.
• In Figur 2 sind die gleichen Teile nochmals gezeichnet, und zwar nach demVorgang des Einsenkens, d. h. nach Einwirkung von Ultraschall und Druck. Bei einem äußeren Durchmesser der Buchse von ca. 5 mm und einer Einsenk-Tiefe von ebenfalls ca. 5 mm ist nur eine Beschallungsdauer von ca. 1 sec. erforderlich und eine Haltezeit zum Abkühlen von nur ca. 0, 1 sec.
• Der besondere Vorteil dieses neuen, fortschrittlichen Verfahrens ist der2 daß nur eines der beiden miteinander zu verbindenden Teile die Bohrungen zum Durchstecken der Metall-Buchsen vor dem Einsenken erhalten muß.
• Diese Bohrungen brauchen daher nicht mit großer örtlicher Genauigkeit angebracht zu werden, sie können selbst für eine Massenfertigung ohne jede Schablone gebohrt werden; das Aufeinanderpassen der Löcher in dem oberen Teil einerseits und in dem thermoplastischen Kunststoffteil andererseits erfolgt sozusagen automatisch dadurch, daß das Einsenken genau an der vorgegebenen Stelle erfolgt. Es wird also ohne jegliche Bohrlehre zwangsweise an der richtigen Stelle eingesenkt. Da nur der eine der zwei miteinander zu verbindenden Partner zuvor gebohrt werden muß und da das Einsenken sehr rasch erfolgt, wird insgesamt weniger als 10 % der Arbeitszeit erforderlich, die nötig wäre, um eine herkömmliche Metall schraube in ein vorgebohrtes, mit Muttergewinde versehenes Loch einzuschrauben. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung ist überdies außerordentlich fest und sie lockert sich nicht einmal bei dauernden und starken Erschütterungen. Versieht man die Buchse an ihremSchaft.mit einem Gewinde. in dessen Gänge der Deim tL;rweicnen Kunststoff/eindringt, dann läßt sich eine so eingesenkte Schraube nur mit sehr starker Kraftanstrengung lösen, wenn man sie mittels eines Werkzeuges (Schraubenzieher) wieder herausschrauben will.
• Die für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Metall-Buchsen mit der in den Figuren 1 und 2 gezeichneten Form lassen sich, sofern sie zylindrischen Querschnitt besitzen dürfen - was in den allermeisten Fällen zutrifft - auf Automaten in sehr großen Stückzahlen außerordentlich billig herstellen.
• Willlman mit einer einzigen Metall-Buchse zwei Teile derartig verbinden, daß sie sich nicht gegeneinandfer verdrehen können, so müssen die Teile entweder selbst eine entsprechende Form besitzen, die eine Verdrehung verhindert, beispielsweise müssen dann die beiden Berührungsflächen zylindrisch sein. Für ebene Flächen kann man aber auch Metall Buchsen verwenden, die nicht rotations symmetrischen Querschnitt besitzen. Auch solche Buchsen lassen sich als Massenware relativ billig herstellen und die zugehörige Bohrung in dem oberen Teil muß die gleiche Form besitzen, was durch Ausstanzen mit einem entsprechenden Werkzeug verhältnismäßig leicht möglich ist, wenn das obere Teil aus Metall besteht. Abweichungen von der Rotations-Symmetrie lassen sich in bekannter Weise z.B. durch eine Längsnut oder durch unrunden Querschnitt erzielen.
• Auch wenn kein zweites Teil B mit dem Thermoplast verbunden werden soll, empfiehlt es sich, zur Verbesserung des Aussehens und der technischen Eigenschaften von Kunststoffteilen, in die Metall-Buchsen eingesenkt werden sollen, das gleiche Verfahren anzuwenden und den Buchsen die Form C zu geben.
• Andererseits lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren auch mehr als zwei Teile gleichzeitig miteinander verbinden, wobei nur das letzte (das unterste) aus einem Thermoplast bestehen muß und in nicht aus Thermoplasten bestehenden Zwischenlagen Durchgangslöcher zum Durchstecken der Buchsen gebohrt sein müssen.
• Die Erfindung ist nicht auf die hier aufgezeigten Beispiele beschränkt, sondern sie ist für alle die Fälle anwendbar, wo Teile aus Metall, Keramik oder anderen Stoffen mit Thermoplasten durch Einsenken mittels Ultraschall verbunden werden soB Das gemeinsame in der Buchse. Merkmal ist die DurchgangsbohrungJ durch dse der uberschüssige, erweichte Thermoplast nach außen abfließen kann, dazu ggfs. der trichterförmigeEinlauf.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   An spruch 1 Verfahren zum Einsenken vorzugsweise metallischer Körper zein in thermoplastische Kunststoffe an beliebiger Stelle, ohne daß diese vorher besonders markiert zu werden braucht, bei welchem auf den einzusenkenden Körper in bekannter Weise durch ein mit Ultraschall-Frequenz schwingendes Werkzeug Schwingungsenergie und ein leichter Preßdruck übertragen wird und ohne daß hierbei störende Formänderungen an der Oberfläche des Kunststoffteils auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß der einzubettende Körper mit einem mit Eindrehungen, Rände-lungen oder Einfräsungen versehenen zylindrischen Schaft mit einer vorzugsweise zentralen Durchgangsbohrung versehen wird, die sich wenigstens teilweise auch in dem die Schwingungsenergie übertragenden Werkzeug fortsetzt, und daß diese Bohrung in dem einzusenkenden Körper an dessen dem Kunststoffteil zugekehrter Stirnfläche bis zum Rand des Schaftes trichterförmig erweitert ist, um das Abfließen des erveichenden Kunststoffes durch die zentrale Bohrung zu ermöglichen und um damit zugleich ein seitliches Herausquellen überschüssigen Kunststoffmaterials zu verhindern.

   Anspruch 2 Verfahren zum Einsenken metallischer Körper in thermoplastishe Kunststoffe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einzusenkende Körper außerhalb des Kunststoffteils zu seiner genauen Justierung in geeigneter Weise mechanisch derart geführt wird, daß das Einsenken an genau vorgegebener Stelle erfolgt, ohne daß das Kunststoffteil dort bereits vorher eine Bohrung gdxx oder eine Markierung tragen muß, Anspruch 3 Verfahren zum Einsenken metallischer Körper in thermoplastische Kunststoffe gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einzubett ende Körper an seinem rückseitigen Ende einen schrauben- oder nietkopfartigen Ansatz (Flansch) trägt, und daß er durch eine passende Bohrung in einer Platte aus beliebigem Material, welche durch den einzubettenden Körper mit dem Kunststoffteil fest verbunden werden soll, justiert und/oder geführt wird.

   Anspruch 4 Verfahren zur Verbindung zweier oder mehrerer, sich in einem oder mehreren Bereichen flächig berührender Teil, wobei die Bereiche nicht notwendig eben sein oder in einer Ebene liegen müssen und wobei wenigstens eines aus thermoplastischem Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß den vorangehenden Ansprüchen eine mit einem Flansch versehene Metall-Buchse mit zentraler Durchgangs-Bohrung, die sich auf der Stirnseite bis zum Rand trichterförmig ausweitet, durch ein passend vorgebohrtes Loch durch das erste bzw. die weiteren Teile gesteckt und unter gleichzeitiger Ultraschall-Erregung gegen das unterste, aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Teil gedrückt wird, sich dadurch in dieses einsenkt und wobei der erweichte, überschüssige Kunststoff durch die zentrale Bohrung der Metall-Buchse nach außen abfließt, ohne daß seitlich der Buchse die Kunststoff-Oberfläche in schädlicher Weise verformt wird, so daß die zu verbindenden Teile satt, d. h. unter flächiger Berührung fest aneinanderliegen, Anspruch 5 Verfahren zum Verbinden zweier oder mehrexerTeile gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Buchse wie auch die Bohrung im ersten und ggfs. in den folgenden Teilen einen nicht rotationssym metrischen Querschnitt besitzen, um auch bei Verwendung nur einer Buchse ein Verdrehen der Teile gegeneinander auszuschließen.

   Anspruch 6 Anspruch 6 Verfahren zum Verbinden zweier Teile gemäß Anspruch 4 unter Verwendung mehrerer Verbindungsbuchsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher im ersten Teil ohne Bohrlehre, d. h. ohne Genauigkeitsanforderungen an deren örtliche Lage vorgebohrt werden, daß diese dann zur Führung der Buchsen nach Anspruch 2 dienen und daß so ohne besondere Schablonen die Verbindung auf der Schweißeinrichtung durchgeführt wird.

   zum Einsenken in Thermoplaste und/oder Anspruch 7 Buchsenförmige Vorrichtung/zum Verbinden zweier oder mehrerer Teile, deren eines aus thermoplastischem zur Kunststoff bestent Anwendung der Verfahren nach den vorangekenden Ansprüchen, daduch gekennzeichnet, varzugswtiis aus lvlelall daß die/Vorrichtung einen zylindrischen Schaft mit an sich bekannten Eindrehungen oder Einfräsungen, an ihrem einen Ende einen Schrauben- oder Nietkopf-artigen Flansch und ferner eine zentrale Durchgangsbohrung besitzt und daß letztere an dem anderen Ende der Vorrichtung bis zu deren Rand trichterförmig erweitert ist, nur wobei der Trichter einen beliebigen, z. B. auch/geringfügig unter 1800 messenden Öffnungswinkel besitzen darf.