Unterlegscheibe für einen Verbundwerkstoff, System aus einer Unterlegscheibe und einem Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung einer Konstruktion

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Unterlegscheibe für einen Verbundwerkstoff, der mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweist, ein System aus einer Unterlegscheibe und einem Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung einer Konstruktion .

Unterlegscheiben und das Verwenden von Unterlegscheiben sind genauso hinlänglich bekannt wie Verbundwerkstoffe, die zwei metallische Deckschichten und eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweisen. Dabei wird bei den typischerweise in einer Sandwichbauweise zusammengesetzten Verbundwerkstoffen das Ziel verfolgt, die positiven Materialeigenschaften der metallischen Deckschichten mit denjenigen der nichtmetallischen Kernschicht zu vereinen .

Zur Bildung einer dauerhaften und thermisch stabilen Verbindung zwischen dem Verbundwerkstoff mit einem weiteren Bauteil kennt der Stand der Technik beispielswiese das Verfahren aus DE 10 2012 109 047 B3, bei dem die nichtmetallische Kernschicht gezielt erwärmt, beim Festziehen des Verbindungselements mindestens eine metallische Deckschicht zumindest bereichsweise verformt und die erwärmte nichtmetallische Kernschicht durch die Verformung verdrängt wird .

Allerdings hat sich herausgestellt, dass dieses gezielte Erwärmen zu einem Verlust eines beim Herstellen der Verbindung zwischen dem Verbundwerkstoff und dem Bauteil aufgebrachten Anzugdrehmoments von mehr als 90% führen kann . Ursache hierfür ist ein Fließen des erwärmten nichtmetallischen Materials, insbesondere eines Kunststoffs, in eine Bohrung, durch die ein Verbindungsmittel zum Verbinden hindurchgreifen soll .

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Verbinden eines Verbundwerkstoffs mit einem Bauteil oder einem anderen Verbundwerkstoff Verluste eines beim Verbinden eingebrachten Anzugdrehmoments zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch eine Unterlegscheibe für einen Verbundwerkstoff, der mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweist, wobei die Unterlegscheibe einen Grundköper mit einer Aussparung zur Aufnahme eines Verbindungselements entlang einer Verbindungsrichtung und ein vom Grundkörper in Verbindungsrichtung abstehendes Fußelement zur Selbstfixierung der Unterlegscheibe an dem Verbundwerkstoff aufweist.

Gegenüber dem Stand der Technik ist die Unterlegscheibe über das Fußelement zur Selbstfixierung ausgelegt, so dass das beim Verbinden des Verbundwerkstoffs mit einem Bauelement aufgebrachte Anzugdrehmoment im Wesentlichen von der selbstfixierenden Unterlegscheibe aufgenommen wird . Infolgedessen ist der Einfluss eines Fließens der nichtmetallischen Kernschicht in die Bohrung in Hinblick auf das Anzugdrehmoment von geringerer Bedeutung als im Stand der Technik. Dabei dienen insbesondere die Fußelemente dazu, die Unterlegscheibe zu fixieren, vorzugsweise drehfest zu fixieren, indem sie in den Verbundwerkstoff eingreifen .

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Grundkörper um eine Ringscheibe, deren zentrale Öffnung die Aussparung zur Aufnahme bereitstellt. Ferner legt das oder die Fußelemente eine Unterseite fest, mit der die Unterlegscheibe im Einsatz mit dem Verbundwerkstoff in Kontakt tritt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite eine Auflagefläche, z. B. für einen Schraubkopf, bereitstellt. Weiterhin ist es vorstellbar, dass eine Ringscheibendicke im Wesentlichen einer in Verbindungsrichtung bemessenen Höhe des Fußelements entspricht. Vorzugsweise ist die Höhe der vom Grundkörper abstehenden Fußelemente kleiner als eine Gesamtdicke des Verbundwerkstoffs, so dass ein vollständiges Durchdringen der Fußelemente vermieden werden kann, wenn die Unterlegscheibe mit ihrer Unterseite an dem Verbundwerkstoff anliegt und mit den Fußelementen in den Verbundwerkstoff eingreift. Insbesondere weist die Unterlegscheibe mehrere entlang der Ringscheibe gleichmäßig verteilte Fußelemente auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fußelement an einer Stirnseite eine Schneidfläche mit einem Schneidwinkel aufweist, wobei der Schneidwinkel insbesondere einen Wert zwischen 0° und 50°, bevorzugt einen Wert zwischen 2° und 40° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° annimmt. Hierbei bemisst sich der Schneidwinkel zwischen der Schneidfläche und einer senkrecht zur Verbindungsrichtung verlaufenden Ebene. Die Schneidflächen erlauben hierbei ein vereinfachtes Eindringen des Fußelements in den Verbundwerkstoff über die metallische Deckschicht auf einer Anlageseite, an der die Unterlegscheibe anliegt. Mit anderen Worten : Die Schneidflächen unterstützen ein Öffnen der metallischen Deckschicht, wenn die Unterlegscheibe zur Selbstfixierung in den Verbundwerkstoff eindringt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fußelement auf einer der Aussparung zugewandten Seite eine gegenüber der Verbindungsrichtung unter einem Winkel schräg verlaufende Innenkante aufweist, wobei der Winkel vorzugsweise einen Wert zwischen 30° und 60°, bevorzugt einen Wert zwischen 35° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 40° und 45° annimmt. Die schräg verlaufende Innenkante unterstützt vorteilhaft das Verdrängen der nichtmetallischen Kernschicht beim Eindringen des Fußelements in den Verbundwerkstoff.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine dem Fußelement zugewandte Unterseite des Grundkörpers gegenüber einer senkrecht zur Verbindungsrichtung verlaufenden Ebene schräg verläuft, wobei die Unterseite insbesondere in Richtung der Aussparung zu einer Oberseite des Grundkörpers, die der Unterseite gegenüberliegt, geneigt ist. Dadurch bildet sich an der Unterseite des Grundkörpers eine kuppeiförmige Kontur aus, in deren Zentrum die Aussparung zur Aufnahme des Verbindungselements angeordnet ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System aus einer Unterlegscheibe, insbesondere einer erfindungsgemäßen Unterlegscheibe, und einem Verbundwerkstoff, der mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweist, wobei ein von einem Grundkörper der Unterlegscheibe in Verbindungsrichtung abstehendes Fußelement derart ausgestaltet ist, dass das über einer Anlageseite in den Verbundwerkstoff eingreifende Fußelement mit der auf der Anlageseite gegenüberliegenden metallischen Deckschicht in Kontakt tritt.

Dadurch kann in vorteilhafter Weise durch das Kontaktieren der gegenüberliegenden metallischen Deckschicht die nichtmetallische Kernschicht überbrückt werden und die Unterlegscheibe wird mittels der auf der der Anlageseite gegenüberliegenden metallischen Deckschicht fixiert. Insbesondere sind die Fußelemente hierzu abhängig von der Form des Verbundwerkstoffs, insbesondere dessen Dicke, ausgestaltet. Weiterhin ist es vorstellbar, dass ein Material, aus dem das Fußelement bzw. die Unterlegscheibe gestaltet ist, abhängig vom Metall bzw. der Dicke der Deckschicht und/oder abhängig vom Material bzw. der Dicke der nichtmetallischen Kernschicht angepasst ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Fußelement mit einer in Verbindungsrichtung bemessenen Höhe vom Grundkörper absteht, wobei die Höhe größer ist als die Summe einer Schichtdicke der nichtmetallischen Kernschicht und einer Schichtdicke einer der beiden metallischen Deckschichten . Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise sicherstellen, dass die in den Verbundwerkstoff eingedrungenen Fußelemente bis zu der metallischen Deckschicht reichen, die der Anlageseite gegenüberliegt.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung einer Konstruktion durch Verbinden eines mindestens zwei metallische Deckschichten und mindestens eine zwischen den metallischen Deckschichten angeordnete nichtmetallische Kernschicht aufweisenden Verbundwerkstoffs und eines Bauelements mittels eines Verbindungselements umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

— Bereitstellen eines Systems aus einer Unterlegscheibe und eines Verbundwerkstoffs, insbesondere eines erfindungsgemäßen Systems,

— Positionieren der Unterlegscheibe an einer Anlageseite des Verbundwerkstoffs, wobei ein von einem Grundkörper abstehendes Fußelement an die metallische Deckschicht an der Anlagenseite angelegt wird

— Reindrücken der Unterlegscheibe in den Verbundwerkstoff entlang der Verbindungsrichtung

Realisieren eines Lochs im Verbundwerkstoff und

— Einsetzen des Verbindungselements in eine Aussparung im Grundkörper und in das Loch . Vorzugsweise handelt es sich bei dem Verbindungselement um eine Schraube, mit der der Verbundwerkstoff und das Bauelement miteinander verbunden werden. Insbesondere werden die Fußelemente in den Verbundwerkstoff derart eingedrückt, dass sie in den Verbundwerkstoff eingreifen und so die Unterlegscheibe fixieren, insbesondere drehfest fixieren .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Loch mittels einer Bohrung oder eines Stanzvorgangs realisiert wird . Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Loch unterhalb der Aussparung der Unterlegscheibe bereitgestellt wird .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff zum Reindrücken der Unterlegscheibe erwärmt wird .

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Vorrichtung eine Auflagefläche, beispielsweise einen Ambos, und einen Niederhalter, insbesondere einen Ringniederhalter, zur Fixierung eines Verbundwerkstoffs zwischen der Auflagefläche und dem Niederhalter aufweist, wobei im Niederhalter ein längsbeweglicher Stempel zum Reindrücken von Fußelementen einer Unterlegscheibe in den Verbundwerkstoff vorgesehen ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen . Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Figur 1 zeigt eine Unterlegscheibe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht (links) und einer Untersicht (rechts).

Die Figuren 2a bis 2d zeigen Verfahrensschritte für ein Verfahren zur Bildung einer Konstruktion gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung .

Die Figur 3 zeigt eine Konstruktion hergestellt mit einem Verfahren aus den Figuren 2a bis 2d.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

In Figur 1 ist eine Unterlegscheibe 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht (links) und einer Untersicht (rechts) dargestellt. Insbesondere ist die Unterlegscheibe 10 dazu vorgesehen, das Verbinden eines Verbundwerkstoffs 20, der beispielsweise zwei metallische Deckschichten 21 und eine zwischen den metallischen Deckschichten 21 angeordnete nichtmetallische Kernschicht 22 aufweist, mit einem Bauelement 40 oder einem anderen Verbundwerkstück zu unterstützen. Hierzu umfasst die Unterlegscheibe 10 einen Grundkörper 11, insbesondere einen scheibenförmigen Grundkörper 11, der eine Aussparung 13 zur Aufnahme eines Verbindungselements, das beim Verbinden entlang einer Verbindungsrichtung V durch die Aussparung 13 hindurchgreift, aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verbindungselement um eine Schraube 42. Vorzugsweise bildet der Grundkörper 11 einen geschlossenen Ring, insbesondere eine Ringscheibe. Zur Minimierung eines Verlustes hinsichtlich eines Anzugdrehmoments umfasst die Unterlegscheibe 10 insbesondere in Verbindungsrichtung V vom Grundkörper 11 abstehende Fußelemente 12. Die Fußelemente 12 sind dabei auf einer beim Verbinden mit dem Verbundwerkstoff 20 auf einer dem Verbundwerkstoff 20 zugewandten Unterseite 16 angeordnet und sollen beim Verbinden in den Verbundwerkstoff 20 eingreifen und so für eine Selbstfixierung sorgen. Die auf der rechten Seite der Figur 1 dargestellte Untersicht ist auf diese Unterseite 16 gerichtet. Insbesondere umfasst die Unterlegscheibe 10 an ihrer Unterseite 16 mehrere, vorzugsweise gleichmäßig verteilte Fußelemente 12. Ferner ist es vorgesehen, dass die Fußelemente 12 an ihrer Stirnseite eine Schneidfläche 14 mit einem Schneidwinkel a ₂ aufweisen, wobei der Schneidwinkel a ₂ insbesondere einen Wert zwischen 0° und 50°, bevorzugt einen Wert zwischen 2° und 40° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° annimmt. Hierbei bemisst sich der Schneidwinkel a ₂ gegenüber einer senkrecht zur Verbindungsrichtung V verlaufenden Ebene. Vorzugsweise sind die Schneidwinkel a ₂ in Richtung der Aussparung 13 zur Unterseite 16 des Grundkörpers 11 hin geneigt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Fußelement 12 auf einer der Aussparung 13 zugewandten Seite eine gegenüber der Verbindungsrichtung V unter einem Winkel ai schräg verlaufende Innenkante 15 aufweist, wobei der Winkel ai vorzugsweise einen Wert zwischen 30° und 60°, bevorzugt einen Wert zwischen 35° und 50° und besonders bevorzugt einen Wert zwischen 40° und 45° annimmt. Insbesondere wird die Innenkante durch zwei zur Aussparung 13 hin zusammenlaufende Innenseiten des Fußelements 12 gebildet. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Unterseite 16 des Grundkörpers 11 gegenüber einer senkrecht zur Verbindungsrichtung V verlaufenden Ebene schräg verläuft, wobei die Unterseite 16 insbesondere in Richtung der Aussparung 13 zu einer Oberseite 17 des Grundkörpers 11 , die der Unterseite 16 gegenüberliegt, geneigt ist. Dadurch ergibt sich auf der Unterseite 16 insbesondere ein kuppelähnlicher Verlauf, in deren Zentrum die Aussparung 13 zur Aufnahme des Verbindungselements, beispielswiese einer Schraube 42, angeordnet ist.

In der auf der linken Seite der Figur 1 illustrierten Schnittansicht ist die Unterlegscheibe 10 zusammen mit dem Verbundwerkstoff 20 dargestellt. Um dem Vorspannkraftverlust entgegenzuwirken, ist es insbesondere vorgesehen, dass die Fußelemente 12 beim Eingreifen in den Verbundwerkstoff 20 durch eine auf einer Anlageseite 23 angeordnete metallische Deckschicht 21 und die nichtmetallische Kernschicht 22 hindurchgreifen und die metallische Deckschicht 21, die der Anlageseite 23 gegenüberliegt, kontaktiert. Hierzu ist es vorgesehen, dass das Fußelement 12 mit einer in Verbindungsrichtung V bemessenen Höhe H vom Grundkörper 11 absteht, wobei die Höhe H größer ist als die Summe einer Schichtdicke t _k der nichtmetallischen Kernschicht 22 und einer Schichtdicke t _1: t ₂ einer der beiden metallischen Deckschichten 21. Vorzugsweise ist die Unterlegscheibe 10 derart ausgestaltet, dass der Grundkörper 11 mit seiner Unterseite 16 auf der Anlageseite 23 des Verbundwerkstoffs 20 anliegt, während die Fußelemente 12 die der Anlageseite 23 gegenüberliegende metallische Deckschicht 21 kontaktieren . Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Höhe H der Fußelemente 12 nicht eine Gesamtschichtdicke des Verbundwerkstoffs 20 überschreitet, um zu vermeiden, dass die Fußelemente 12 auf der der Anlagenseite 23 gegenüberliegenden Seite am Verbundwerkstoff 20 herausragen. Weiterhin ist es vorstellbar, dass eine Scheibendicke des Grundkörpers 11 im Wesentlichen der Höhe der Fußelemente 12 entspricht.

In den Figuren 2a bis 2d sind Verfahrensschritte für ein Verfahren zur Bildung einer Konstruktion gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei ist es vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff 20 und die Unterlegscheibe 10, insbesondere die Unterlegscheibe 10 aus der Figur 1 , bereitgestellt werden. Hierbei wird der Verbundwerkstoff 20 in einem in Figur 2a dargestellten Verfahrensschritt auf einer Auflagefläche, insbesondere einem Gegenhalter oder Ambos 34 platziert und anschließend mit einem Niederhalter 31, insbesondere einem Ringniederhalter, auf dem Ambos 34 fixiert. Hierzu umfasst der Niederhalter 31 ein mit einem Federelement 33 gegen den Verbundwerkstoff 20 drückendes Kontaktelement 36, durch das der Verbundwerkstoff 20 fixiert wird . Mittels der Federelemente 33 lässt sich dabei insbesondere ein gleichmäßiges Andrücken des Verbundwerkstücks 20 an den Ambos 34 unterstützen . Innerhalb einer Aussparung des Niederhalters 31 wird ferner die Unterlegscheibe 10 angeordnet. Dabei stützen sich die Fußelemente 12 der Unterlegscheibe 10 auf der Anlageseite 23 des Verbundwerksoffs 20 ab, während an der Oberseite 17 der Unterlegscheibe 10 ein Stempel 32 anliegt. Insbesondere ist es hierbei vorgesehen, dass der Stempel 32 in einem vom Niederhalter 31 oberhalb der

platzierten Unterlegscheibe 10 bereitgestellten Kanal längsverschiebbar angeordnet ist. Weiterhin ist vorstellbar, dass die Unterlegscheibe 10 mittels einer Zuführeinrichtung, insbesondere mittels einer automatisierten Zuführeinrichtung, innerhalb des Kanals im Niederhalter 31 an dem Verbundwerkstoff 20 angeordnet bzw. platziert wird . In dem in Figur 2b dargestellten Verfahrensschritt wird ein Reindrücken der Unterlegscheibe 10 in den Verbundwerkstoff 20 dargestellt. Hierzu wird der Stempel 32 entlang der Verbindungsrichtung V im Kanal längsverschoben und die an einer Stirnseite des Stempels 32 anliegende Unterlegescheibe 10 wird mitgeführt, so dass sie bei der auf den Verbundwerkstoff 20 gerichteten Bewegung in den Verbundwerkstoff 20 hineingedrückt bzw. reingedrückt wird . In Figur 2c wird ein Loch, beispielsweise durch eine Bohrung oder ein Stanzen, in den Verbundwerkstoff 20 eingebracht. Vorstellbar ist dabei, dass ein Stanzstempel 35 oder ein Bohrkopf durch den für das Reindrücken der Unterlegscheibe 10 vorgesehenen Stempel 32 und/oder die Aussparung der Unterlegscheibe 10 beim Stanzen oder Bohren hindurchgeführt wird. Dadurch kann mittels des Stempels 32 und der Aussparung die Führung des Stanzstempels 35 oder des Bohrkopfs in vorteilhafter Weise unterstützt werden. In der Figur 2d wird schließlich das Verbindungsmittel in die Bohrung eingeführt, indem das Verbindungsmittel durch die Aussparung 13 der Unterlegscheibe 10 und das Loch hindurchgesteckt wird .

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff 20, beispielsweise über den Ambos 34, während der in den Figuren 2a bis 2d dargestellten Verfahrensschritte erwärmt wird, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 180°C und 350°C , oder untemperiert bleibt . Es ist aber auch vorstellbar, dass der Verbundwerkstoff 20 nur während einzelner Verfahrensschritte auf die Temperatur zwischen 180° und 350°C erhitzt wird . Bevorzugt wird der Verbundwerkstoff 20 zeitlich vor und/oder während des Reindrückens der Unterlegscheibe 10 in den Verbundwerkstoff 20 erwärmt. Dadurch lässt sich der nichtmetallische Kernbereich 22 aufschmelzen, wodurch letztendlich ein für das Reindrücken erforderlicher Krafteinsatz reduziert werden kann . In Figur 3 ist eine Konstruktion hergestellt mit einem Verfahren aus den Figuren 2a bis 2d, d . h. nach dem Abschluss des Verfahrens zur Bildung der Konstruktion, dargestellt. Mit anderen Worten: die gefertigte Konstruktion ist schematisch und beispielhaft illustriert. Hierbei werden das Bauelement 40 und der Verbundwerkstoff 20 über ein als Schraube 42 ausgestaltetes Verbindungselement miteinander verbunden . Bauelementseitig ist dabei an die Schraube eine Mutter 41 zu Fixierung der Schraube 42 im Loch montiert. Ein Schraubkopf der Schraube 42 liegt außerdem auf einer Oberseite 17 der Unterlegscheibe 10 auf.

Bezugszeichenliste

10 Unterlegscheibe

11 Grundkörper

12 Fußelement

13 Aussparung

14 Schneidfläche

15 Innenkante

16 Unterseite

17 Oberseite

20 Verbundwerkstoff

21 Deckschicht

22 Kernschicht

23 Anlageseite

31 Niederhalter

32 Stempel

33 Federelement

34 Ambos

35 Stanztempel

36 Kontaktelement

40 Bauelement

41 Mutter

42 Schraube

O l Winkel

a ₂ Schneidwinkel

V Verbindungsrichtung

H Höhe

tblj tb2, tk Schichtdicke