DE102005042292B3 - Verfahren und Vorrichtung zur präzisen und lösbaren Verbindung von Bauelementen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präzisen und lösbaren Verbindung von Bauelementen, wobei die Vorrichtung als Behälter (1) ausgebildet ist, dessen Wandungen (4) mindestens teilweise elastisch sind, wobei in dem Behälter (1) mindestens ein Mittel (5) angeordnet ist, dessen Volumen von einem äußeren Parameter abhängig ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präzisen und lösbaren Verbindung von Bauelementen.
• Zum lösbaren Verbinden von Bauelementen werden derzeit überwiegend Schraubverbindungen genutzt. Sollen Teile in ihrer Lage zueinander mit höherer Präzision fixiert werden, müssen z.B. zusätzlich Stifte mit sehr engen Toleranzen in eng tolerierte Bohrungen eingebracht werden. Die so verbundenen Bauelemente haben eine weitgehend definierte Lage zueinander.
• Eine geringe Differenz, die bei höheren Anforderungen als Fehler definiert werden muss, ergibt sich aus den Einzeltoleranzen der Stifte und Bohrungen. Dieser Mangel wird durch die Verwendung konischer oder elastischer Stifte, deren Bohrungen in die zu verbindenden Teile im vormontierten Zustand, meist in Handarbeit, präzise eingebracht werden, ausgeglichen. Dieses Verfahren ist außerordentlich aufwendig.
• Bei der Verwendung zylindrischer Passstifte treten bei Montage und Demontage häufig Probleme auf. Häufig sind die Passungen zu eng gefertigt, so dass der Passstift in die Passungsbohrungen gar nicht erst eingebracht werden kann. Auch bei der Demontage ergeben sich häufig dadurch Probleme, dass auch fachgerecht eingebrachte Passstifte „festgefressen" sind. Die entsprechenden Passstifte mit den zugehörigen Bohrungen werden dann unbrauchbar. Besondere Schwierigkeiten treten auch dann auf, wenn die durch Passstifte zu fügenden Teile von verschiedenen Firmen gefertigt wurden und in einem der Teile Stift und Bohrung nicht genau passen, muss das andere Teil entsprechend nachgearbeitet werden. Zusätzlich muss noch bemerkt werden, dass die Fertigung von Passungen in der erforderlichen Toleranzklasse H7 sehr aufwendig und damit kostenintensiv ist.
• Aus der DE 44 01 862 A1 sind sequentiell und/oder simultan aktivierbare Verbindungsstellen zwischen Bauteilen eines Erzeugnisses infolge Änderung einer ungerichteten physikalischen Größe bekannt, wobei sich die Verbindungen über aktive, bistabile Dehnelemente lösen bzw. schließen, wobei vorzugsweise die Volumenänderung beim Übergang in einen Aggregatzustand genutzt wird, weiter vorzugsweise vom flüssigen in den festen Aggregatzustand. Als Mittel wird vorzugsweise Wasser verwendet.
• Aus der DE 195 18 763 C2 ist eine simultan lösbare, kraftschlüssige Verbindung zweier Bauteile unter Verwendung eines hülsenartigen, wassergefüllten Gefrierelementes bekannt, das einen in Kraftschlussrichtung formveränderbaren, elastischen Mantel besitzt, wobei der Hülsenmantel stahlelastisch ist und im Zustand der kraftschlüssigen Verbindung von der Kreisform abweicht, wodurch sich beim Erstarren des eingeschlossenen Wassers das Gefrierelement in Kraftschlussrichtung unter Annäherung an die Kreisform und gleichzeitiger Aufhebung der Kraftwirkung an den Fügeflächen der Bauteile verkürzen.
• Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präzisen und lösbaren Verbindung von Bauelementen, insbesondere von feingerätetechnischen Bauelementen, zu schaffen, mittels derer bei vergleichbarer Präzision geringere Anforderungen an die Toleranzen der Verbindungselemente gestellt werden können und die einen geringen Energiebedarf zur Herstellung und Erhaltung der Verbindung benötigen.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Hierzu ist die Vorrichtung als Behälter ausgebildet, deren Wandungen mindestens teilweise elastisch sind, wobei in dem Behälter mindestens ein Mittel angeordnet ist, dessen Volumen von einem äußeren Parameter abhängig ist. Zur Herstellung der präzisen Verbindung wird nun der Parameter geändert, so dass sich das Volumen verringert. Der Behälter wird in eine vorgesehene Aufnahme in den Bauelementen eingeführt, wobei durch Ausgleichsvorgänge oder aktive Eingriffe der äußere Parameter in Richtung des Ausgangswertes verändert wird. Dabei sind prinzipiell zwei Wege möglich, nämlich den Behälter mit dem Mittel erst mit geändertem äußerem Parameter einzuführen oder aber zunächst den Behälter ohne Mittel in die Aufnahme einzuführen und das Mittel erst nachträglich zuzugeben. Auch hier gibt es wieder zwei Möglichkeiten, nämlich das Mittel mit geändertem Parameter direkt zuzugeben oder aber kontinuierlich das Mittel zuzugeben und dabei den äußeren Parameter zu ändern. Die Wandungen des Behälters müssen nicht vollständig elastisch ausgebildet sein, sondern nur an den Stellen, wo die spätere Verbindung zu den Wänden der Aufnahme stattfindet. Der äußere Parameter ist dabei die Temperatur. Wenn sich dann durch Ausgleichsvorgänge oder aktive Eingriffe der äußere Parameter wieder in Richtung seines Ausgangswertes verändert, vergrößert sich das Volumen des Mittels und dehnt die elastischen Wandungen aus. Unter aktivem Eingriff wird beispielsweise eine gezielte Kühlung verstanden. Hierdurch kommt es zu einer selbstzentrierenden, kraft- und formschlüssigen Verbindung, wobei die Selbstzentrierung eine symmetrische Ausbildung des Behälters voraussetzt.
• Dabei wird das Mittel derart ausgewählt, dass bei einer Temperaturerniedrigung eine Volumenvergrößerung erfolgt, wobei beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand eine Volumenvergrößerung erfolgt.
• Das Mittel ist ein Metall und/oder eine Legierung, nämlich Wismut und/oder eine Wismut-Legierung. Wismut weist einen Schmelzpunkt von 271°C auf, wobei die Volumenvergrößerung beim Phasenübergang 2,3 % beträgt. Als Legierung eignen sich besonders gut Wismut-Legierungen und weiter vorzugsweise eine Woodsche Legierung (50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Zn, 12,5 % Cd). Der Schmelzpunkt bekannter Wismut-Legierungen liegt im Bereich von 50°C bis > 500°C, wobei die Volumenvergrößerung beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand im Bereich von 2 % bis 12,5 % liegt, bei der Woodschen Legierung bei 4 %.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Behälter einen starren Metallkern, wobei das Mittel zwischen dem Metallkern und den elastischen Wandungen angeordnet ist. Das Material des Metallkerns ist dabei derart gewählt, dass bei den auftretenden Temperaturen des Mittels keine Verformungen auftreten. Der Metallkern bildet dabei vorzugsweise teilweise die Ober- und Unterseite des Behälters.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in dem Behälter eine Heizeinrichtung integriert.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
• 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Behälter einer ersten Ausführungsform,
• 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Behälter einer zweiten Ausführungsform und
• 3 einen Querschnitt einer Verbindung von zwei Bauelementen.
• In der 1 ist ein Behälter 1 dargestellt, der im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweist. Der Behälter 1 umfasst einen Metallkern 2, der eine Bohrung 3 aufweist. Die seitliche Wandung 4, also der Zylindermantel, besteht aus einem elastischen Material und ist fest mit dem Metallkern 2 verbunden. Zwischen der seitlichen Wandung 4 und dem Metallkern 2 ist ein Mittel 5 angeordnet. Dieses Mittel 5 ändert sein Volumen beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand, wobei durch die Volumenänderung die seitliche Wandung gedehnt wird. Durch die Bohrung 3 kann dann eine nicht dargestellte Heizeinrichtung eingeführt werden. Dabei wird dann die Wärme über den Metallkern 2 dem Mittel 5 zugeführt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Befüllung mit dem Mittel 5 während der Wärmezufuhr erfolgt. In der 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die Heizeinrichtung 6 in den Behälter 1 integriert ist, wobei nur die Anschlüsse 7 für die Spannungsversorgung herausgeführt sind.
• Die Verbindung von zwei Bauelementen 8, 9 ist in 3 dargestellt. Die beiden Bauelemente 8, 9 weisen jeweils eine zylindrische Bohrung 10, 11 auf. Der Durchmesser der Bohrungen 10, 11 ist dabei etwas größer als der Durchmesser des Behälters 1, solange das Mittel 5 sich auf der höheren Temperatur befindet bzw. sich im flüssigen Zustand befindet. Der Behälter 1 kann dann nahezu reibungslos in die beiden Bohrungen 10, 11 eingeführt werden. Beim Erstarren dehnt sich das Mittel 5 aus und presst die Wandungen 4 an die Innenwandfläche der Bohrungen 10, 11. Hierdurch entsteht eine sich selbst zentrierende, form- und kraftschlüssige mechanische Verbindung der Bauelemente 8, 9.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur präzisen und lösbaren Verbindung von Bauelementen, wobei die Vorrichtung als Behälter (1) ausgebildet ist, dessen Wandungen (4) mindestens teilweise elastisch sind, wobei in dem Behälter (1) mindestens ein Mittel (5) angeordnet ist, dessen Volumen von einem äußeren Parameter abhängig ist, wobei der äußere Parameter die Temperatur ist und das Mittel (5) bei Umwandlung vom flüssigen zum festen Zustand eine Volumenvergrößerung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5) ein Metall und/oder eine Legierung ist, wobei das Metall Wismut und/oder die Legierung eine Wismut-Legierung ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wismut-Legierung eine Woodsche Legierung ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) einen starren Metallkern (2) umfasst, wobei das Mittel (5) zwischen dem Metallkern (2) und den elastischen Wandungen (4) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (1) eine Heizeinrichtung (6) integriert ist.
5. Verfahren zur präzisen und lösbaren Verbindung von Bauelementen (8, 9) mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend folgende Verfahrensschritte: Erhöhen der Temperatur, so dass sich das Volumen des Mittels (5) verringert und Einführen des Behälters (1) in eine vorgesehene Aufnahme (10, 11) in den Bauelementen (8, 9), wobei durch Ausgleichsvorgänge oder aktive Eingriffe die Temperatur in Richtung des Ausgangswertes verändert wird.