DE102008015202B4 - Verbinden von Formgedächtnispolymer-Werkstücken mit anderen Komponenten sowie Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörpers zur Trennung der einzelnen Komponenten voneinander - Google Patents

Verbinden von Formgedächtnispolymer-Werkstücken mit anderen Komponenten sowie Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörpers zur Trennung der einzelnen Komponenten voneinander Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110), das in aktiviertem und inaktiviertem Zustand unterschiedliche Elastizitätsmoduli aufweist, an einem zweiten Werkstück (12, 112), wobei die Werkstücke (10, 110, 12, 112) einander zugewandte Flächen für die Befestigung aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine Befestigungsöffnung (14, 114) in der zugewandten Fläche des zweiten Werkstücks (12, 112) gebildet wird; die zugewandte Fläche des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) über der Befestigungsöffnung (14, 114) des zweiten Werkstücks (12, 112) liegend angeordnet wird, wobei die zugewandte Fläche des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) keinen vorgefertigten Vorsprung für einen Eintritt in die Befestigungsöffnung (14, 114) aufweist; zumindest ein zugewandter Flächenbereich des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) in einen erweichten Zustand aktiviert wird; eine Kraft aufgebracht wird, um das erweichte Formgedächtnismaterial (16) von dem Flächenbereich des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) in die Befestigungsöffnung (14, 114) zu drücken und zu verformen; eine Kraft gegen das erweichte Polymermaterial aufrechterhalten wird, während das verformte, erweichte Formgedächtnismaterial beim Versuch, seine ursprüngliche Form wiederzuerlangen, fließt, um eine mechanische Befestigung mit dem zweiten Werkstück (12, 112) zu bilden; und das erweichte Formgedächtnismaterial (16) abgekühlt wird, während eine äußere Kraft darauf aufrechterhalten wird, um die mechanische Befestigung zwischen dem Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) und dem zweiten Werkstück (12, 112) zu festigen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft das Verbinden eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks mit einer Fläche zu einer komplementär zugewandten Fläche eines zweiten Werkstücks sowie die Verwendung eines so hergestellten Verbundkörpers zur Trennung der einzelnen Werkstücke voneinander.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es gibt viele Herstellungsgegenstände, in denen ein polymeres Teil mit einem anderen Teil verbunden ist. Hierzu kommen üblicherweise Klebstoffe zum Einsatz, die das andere Teil durch eine darin ausgebildete Öffnung durchdringen können, um so das Polymerteil an dem anderen Teil zu sichern, wie dies bei den in den Druckschriften DE 44 44 546 A1 , DE 41 11 841 A1 und US 4,554,935 A beschriebenen Verfahren der Fall ist. Zum Beispiel ist es manchmal erwünscht, eine/n Kunststoffauskleidung, -streifen oder -tafel an einer gepressten Metalltafel zu befestigten. In diesem Fall werden die polymere Komponente und die Metalltafel in einem Fläche/Fläche-Kontakt positioniert oder montiert und ein Befestigungs- oder Verbindungsverfahren wird ausgeführt.
  • Mechanische Befestigungselemente werden in solche einem Verbindungsverfahren häufig verwendet. Dies erfordert einen Vorrat an Befestigungselementen und ihre Handhabung in dem Befestigungsverfahren. In weiteren Anwendungen wurden Klebstoffe verwendet, um das/die Polymer-Teil/e an Metallflächen zu befestigen. Allerdings erfordert ein Kleben das Aufbringen einer Klebstoffformulierung und das Aushärten oder Binden des aufgebrachten Klebstoffmaterials, um die Klebeverbindung herzustellen. Für viele solche Polymer/Metall-Anordnungen sind die Kosten und die Verarbeitungskomplexität einer mechanischen oder Klebebefestigung bevorzugt und können toleriert werden. Allerdings könnten einfachere und weniger kostspielige Befestigungsverfahren andere Produktanwendungen zulassen, in denen ein polymeres Teil mit einem zweiten Werkstück wie z. B. einem Blech oder einem Streifen verbunden wird.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein einfacheres und weniger kostspieliges Verfahren zu schaffen, mit dem sich zwei Werkstücke aneinander befestigen lassen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Des Weiteren wird die Verwendung eines nach Anspruch 1 hergestellten Verbundkörpers gemäß Anspruch 15 zur Trennung der einzelnen Werkstücke voneinander vorgeschlagen.
  • In dieser Beschreibung ist ein Verbindungsverfahren zum Befestigen eines polymeren Teiles oder Werkstückes an einem zweiten Werkstück offenbart. Das Polymerteil besitzt geeignete Formgedächtniseigenschaften, wie beschrieben wird, um die Befestigung herzustellen. Solche Polymerzusammensetzungen werden oft als Formgedächtnispolymere (SMP) bezeichnet. Bevor das Verbindungsverfahren beschrieben wird, mag es hilfreich sein, SMPs zu beschreiben, die zur Verwendung in dem Verbindungsverfahren geeignet sind.
  • Formgedächtnispolymere sind Zusammensetzungen solcher Polymermoleküle, die eine wesentliche und umkehrbare Änderung ihres Elastizitätsmoduls zeigen, wenn ihre Temperatur über eine charakteristische Temperatur erhöht wird, die als die Umschalttemperatur (Ts) bezeichnet wird. Das Mittel, durch das solch eine Temperaturerhöhung bewerkstelligt wird, wird manchmal als „Aktivierung” des Formgedächtnismaterials bezeichnet. Wenn die Temperatur eines SMP über ihre Ts erhöht wird, nimmt sein Elastizitätsmodul drastisch ab, oft um einen Faktor von zehn oder hundert oder mehr. Ein Typ von SMPs ist eine Gruppe von halbkristallinen Copolymeren, die relativ harte, kristalline Segmente (oder Mikrophasen) und relativ weiche, amorphe Segmente (oder Mikrophasen) umfassen. In diesem Fall ist die Ts des Copolymers die Glasübergangstemperatur (Tg) der weichen, amorphen Phase. Das weiche, amorphe Segment ist die Niedertemperatur-Erweichungsphase des Formgedächtnispolymers und auf Grund eines Übergangs in der amorphen Phase von glasartig zu gummiartig fällt der Elastizitätsmodul des Gopolymers scharf ab, wenn die Temperatur des Materials über ihrer Ts liegt. Es ist bekannt, dass es auch andere Arten von SMPs gibt, bei denen die Ts dem Schmelzen einer der Phasen des Polymers entspricht. Während sich die veranschaulichten Ausführungsformen der Beschreibung auf die oben beschriebene Art von SMPs konzentriert, kann die Erfindung ohne größere Anstrengungen auf die andere Arten von SMPs erweitert werden.
  • Einem aus dem oben beschriebenen SMP hergestellten Teil kann eine Permanentform durch thermomechanische Verarbeitung bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt (Tm) des harten Segments verliehen werden. Anschließendes Kühlen auf eine Temperatur unterhalb von Ts führt zu einem steifen Polymer (z. B. E = 800 MPa, wobei E der Elastizitätsmodul des Polymermaterials bei der relativ kalten Temperatur ist). Das Material liegt in dem Temperaturbereich zwischen Ts und Tm als ein weiches Polymer (z. B. E = 4 MPa) vor, wodurch in diesem Beispiel eine Zweihundertfache Reduktion des Moduls erreicht wird. Wenn sich das Material in diesem Temperaturbereich oberhalb von Ts befindet, kann es einfach in verschiedene Temporäre Formen verformt werden. Die elastische Dehnung (oder der Streckbereich) eines typischen SMP in seinem erweichten Zustand beträgt etwa 100% bis etwa 300% ohne permanente Verformung. Wenn das Polymer nicht geschwächt wird (z. B. durch plastische Verformung, Erwärmen über seine Oxidationstemperatur hinaus etc.), kann die ursprüngliche Permanentform wiedergewonnen werden, indem es intensiv einer Temperatur oberhalb des Ts der weichen Phase bei Nichtvorhandensein einer äußeren Belastung ausgesetzt wird. Auf diese Weise können Dehnungen von bis zu 200%–300% rückverformt werden. Es ist bekannt, dass das Material hunderten von Erwärmungszyklen mit einer Verformung, um eine temporäre Form festzulegen, und/oder einem Erwärmen, um die Permanentform wiederzugewinnen, standhält.
  • Das Verbindungsverfahren der Erfindung verwendet eine geeignete Differenz zwischen dem niedrigeren Elastizitätsmoduls des weichen Polymerzustands des SMP und dem höheren Elastizitätsmodul des steifen Polymerzustands, um zuerst eine weiche Verbindung zwischen dem polymeren Werkstück und dem zweiten Werkstück herzustellen, und dann eine feste Verbindung aufrechtzuerhalten. Ein oder mehrere Durchgangsbohrungen oder Grundbohrungen werden in dem zweiten Werkstück verwendet, um das polymere Teil zu befestigen. Das zweite Teil kann aus einem beliebigen Material bestehen, das eine geeignete Steifigkeit aufweist, um das Verbindungsverfahren zu bewerkstelligen. In vielen Fällen wird das zweite Werkstuck ein Metallwerkstück sein und eine praktische Umsetzung der Erfindung wird unter Bezugnahme auf das Verbinden eines SMP-Teils mit einem Metallteil veranschaulicht.
  • Das Metallwerkstück kann z. B. ein gepresste Kraftfahrzeugkarosserie-Metalltafel sein, an dem eine Kunststoffauskleidung oder ein Kunststoffstreifen auf einer Seite zu befestigen ist. Öffnungen sind in der Metalltafel an Verbindungestellen zum Befestigen eines polymeren Teils gebildet. Die Öffnungen können die Form von Kreisen, Ovalen, Kerben, Schlitzen oder eine andere geeignete Form zum Aufnehmen des zusammengedrückten oder verformten polymeren Verbindungsmaterial besitzen. Abhängig von der Form des Metallteils kann/können sich die Öffnung/en durch einen dünnen Abschnitt des Teils oder bis zu einer geeigneten Tiefe in einem dickeren Teil (z. B. eine Grundbohrung) erstrecken. Das polymere Formgedächtnis-Teil kann aus einer geeigneten thermoplastischen oder duroplastischen Zusammensetzung gebildet sein, wie weiter beschrieben wird. Das SMP-Teil wird gegen die Metalltafel angeordnet, sodass sie über einer oder mehreren der Verbindungsöffnungen liegt. Eine Fläche des polymeren Teils kann derart geformt sein, dass sie in geeigneter Weise mit der Form des Metallteils in dem Bereich oder den Bereichen übereinstimmt, wo (eine) Befestigung(en) hergestellt werden soll/en. Die Fläche des polymeren Teils benötigt jedoch keine vorgefertigten Bolzen oder anderen vorgefertigten Vorsprünge, um die Befestigung zwischen den einander zugewandten Flächen zu erhalten.
  • Gemäß einer bevorzugten Praxis der Erfindung wird ein SMP-Teil an einem zweiten Teil, z. B. einer Metalltafel, unter Verwendung vorgefertigter Befestigungsöffnungen in dem Metallblech befestigt. Das SMP-Teil besitzt eine relativ flache oder sanft konturierte Oberfläche ohne Vorsprünge, in dem über der/den Befestigungsöffnung/en liegenden Bereich. Zumindest der Befestigungsbereich des SMP-Teils wird auf eine geeignete Temperatur oberhalb seiner Ts aktiviert (üblicherweise erwärmt), um den Elastizitätsmodul zu reduzieren. Das aktivierte SMP-Teil wird gegen die Befestigungsöffnung der Metalltafel gepresst und ein Abschnitt von erweichtem Material von der anfänglich flachen Oberfläche des polymeren Teils wird zusammengedrückt, verformt, oder auf andere geeignete Weise unter der aufgebrachten Spannung in die Befestigungsöffnung verdrängt. Das verdrängte Material ist noch immer aktiviert und versucht in seine ursprüngliche Form in der Fläche des SMP-Teils zurückzukehren. Da es jedoch noch immer unter der Spannung des Verbindungsvorgangs steht und durch die Form der Befestigungsöffnung vor einer freien elastischen Rückkehr in seine ursprüngliche Form begrenzt ist, fließt es innerhalb der oder um die Befestigungsöffnung des zweiten Werkstücks herum, um eine mechanische Verriegelung mit dem zweiten Werkstück zu bilden. Zum Beispiel könnte das SMP-Material durch eine Befestigungsöffnung in der Metalltafel verformt und dann eine nietkopfähnliche Verbindung in der Fläche des Polymer-Werkstücks gebildet worden sein. Das zurückgeflossene polymere Material ist noch immer der aufgebrachten Belastung des Bildungsvorgangs unterworfen und ist noch immer warm und weich. Es wird dann unter seine Ts abgekühlt, um die mechanische Befestigung zwischen den Werkstücken zu festigen, während die aufgebrachte Spannung bei oder nahe dem zum Bilden der Verbindung verwendeten Niveau gehalten wird. Der Druck des Befestigungsschrittes kann dann gelöst werden, nachdem das Material auf eine Temperatur T2 unter ihrer Ts abgekühlt wurde. In vielen Fällen ist die Festigkeit der Verbindung umso größer, je größer die Differenz Ts-T2 ist.
  • Das polymere Teil kann erwärmt (oder auf andere Weise aktiviert) werden, bevor oder während es gegen die Metalltafel gepresst wird. Ein Erwärmungs- oder Aktivierungsmittel kann direkt auf das polymere Werkstück angewendet werden oder die Metalltafel kann in dem Bereich der Verbindungsöffnungen erwärmt werden, sodass der Kontakt mit dem erwärmten Material die zugewandte/n Fläche/n des polymeren Teils erwärmt.
  • Ein anschließendes neuerliches Erwärmen (oder eine anderweitige Reaktivierung) der befestigten Werkstücke über die Ts-Temperatur des Werkstücks wird bewirken, dass das Material bei Nichtvorhandensein einer Verformungsbelastung in ihre Ausgangsgeometrie zurückkehrt. Dies gestattet ein einfaches Mittel zum Trennen der verbundenen Komponenten. Diese interne Tendenz auf mikrostruktureller Basis eines Formgedächtnispolymers, in seine gegossene Form zurückzukehren, wenn es sich bei einer ausreichend hohen Temperatur und unter einer vernachlässigbaren aufgebrachten Belastung befindet, und die daraus folgende Leichtigkeit, mit der die Verbindung, falls gewünscht, getrennt werden kann, kennzeichnet das Verbindungsverfahren der Erfindung weiter.
  • Die Form des zweiten Werkstücks (der Metalltafel in der obigen Veranschaulichung) ist nur durch die Notwendigkeit beschränkt, dass die Länge des/der Verbindungsöffnung/en, ob Durchgangsbohrungen oder erweiterte Grundbohrungen, den elastischen Fluss (d. h. ohne permanente Verformung) des Formgedächtnispolymer-Materials in der oder durch die Öffnung, um eine mechanische Sperrfläche zu bilden, unterbringt. Und die Form des Polymer-Teils ist nur auf seine Fähigkeit beschränkt, die begrenzte Extrusion von Material von seiner Oberfläche und dem benachbarten Volumen, das gegen den Verbindungsöffnungsbereich in dem Meallwerkstück anliegt, unterzubringen. Die praktische Umsetzung der Erfindung kann häufig verwendet werden, um einen Streifen, eine Bahn, Platte oder Folie aus Polymer mit einem/r Metallstreifen oder -blech zu verbinden.
  • Die Formgedächtniseigenschaften des Polymermaterials bedeuten allgemein, dass das Kunststoffteil von dem Metallteil getrennt werden kann, indem der Verbindungsabschnitt des polymeren Teils über seine Ts-Temperatur erwärmt wird, der Verbindungsabschnitt verformt wird und die Teile getrennt werden. Wie oben erwähnt, kann manchmal ein Erwärmen gerade über die Ts ohne/unter geringer Belastung ausreichen, um die Verbindung zu trennen, d. h. kein äußerlicher Aufwand ist erforderlich. Wenn das polymere Teil nicht mit einer aufgebrachten äußeren Kraft gegen das Metallteil belastet ist, kann diese Trennung auf Grund der Formgedächtniseigenschaft des Polymers spontan erfolgen und wenn das polymere Teil nach der Trennung erwärmt bleibt, wird es in seine ursprüngliche Geometrie vor dem Verbinden zurückkehren. Anders ausgedrückt, das Verbindungsverfahren ist vollständig reversibel mit einer geringen/keiner Verschlechterung der Eigenschaften des SMP für mehrere Verbindungs-Ausbildungen und anschließende Trennungen.
  • Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen offensichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische, fragmentierte Querschnittsansicht eines polymeren SMP-Folienmaterials, das mit zugewandter Fläche an zugewandter Fläche gegen eine Metallplatte zur Befestigung an der Platte positioniert ist. Das polymere Folienmaterial liegt über einer Befestigungsöffnung in der Platte. Das polymere Material wurde über seine Ts-Temperatur erwärmt, um dadurch seinen Modul wesentlich zu reduzieren und ein Abschnitt des polymeren Materials von der anfänglich flachen Fläche der SMP-Folie wird in und durch die Öffnung in der Metallplatte gedrückt und verformt.
  • 2 ist eine schematische, fragmentierte Querschnittsansicht der SMP-Folien/Metallplattenanordnung von 1, während sie sowohl noch warm als auch unter einer äußerlich aufgebrachten Belastung ist. Der verformte Abschnitt des SMP-Materials hat versucht, während er noch immer warm ist (oberhalb seiner Ts) und gegen die Metallplatte anliegt, nach außen und zurück zu der Folienkonfiguration mit flacher Fläche hin zu fließen, mit dem Ergebnis, dass das Formgedächtnismaterial eine nietkopfartige mechanische Befestigung zwischen der Kunststofffolie und der Metallplatte bildet. Nach dem Abkühlen erlangt das polymere Material wieder seinen höheren Elastizitätsmodul und bildet eine feste Verbindung.
  • 3 ist eine schematische Explosionsdarstellung einer Metallplatte mit einer über einer polymeren SMP-Folie liegenden Befestigungsöffnung. Ein unterstützendes und Druck aufbringendes Element ist unter der polymeren Folie positioniert und ein elektrisches Widerstandsheizelement ist über der Öffnung in dem Metallblech positioniert.
  • 4 zeigt eine andere Ausführungsform des elektrischen Heizelements von 3.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Viele gefertigte Gegenstände umfassen ein polymeres Teil, das an einem Metallteil befestigt ist. Zum Beispiel ist ein/e polymere/r Streifen, Platte oder Folie an einem geformten Metallblech wie z. B. einem Karosserieblech für ein Kraftfahrzeug befestigt. Selbstverständlich könnte das polymere Material an einem nicht metallischen zweiten Werkstück befestigt sein, das eine geeignete Steifigkeit oder Festigkeit aufweist, um erwärmtes und verformtes polymeres Formgedächtnismaterial in einer Befestigungsöffnung aufzunehmen. Die Erfindung verwendet Formgedächtniseigenschaften von bestimmten Polymerzusammensetzungen zum Ausbilden der Befestigung. Eine praktische Umsetzung des Befestigungsverfahrens ist unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfig. veranschaulicht.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines kleinen Abschnitts eines SMP-Werkstücks in der Form eines Streifens 10, der an einer Metalltafel 12 befestigt wird. Der Streifen 10 besitzt zu Beginn entgegengesetzte flache Flächen. Es sind keine vorgefertigten Bolzen oder Vorsprünge zum Eingriff mit der Metalltafel 12 oder für die Zufuhr von Befestigungsmaterial für den Verbindungsvorgang erforderlich. Zweckmäßigerweise ist der SMP-Streifen 10 derart dimensioniert oder dick genug, um ein Formgedächtnismaterial zum Ausbilden einer Befestigung an dem zweiten Werkstück bereitzustellen. Wenn die Befestigung an einer Durchgangsbohrung in der Metalltafel 12 hergestellt wird, beträgt die Dicke des SMP-Streifens 10 vorzugsweise zumindest das etwa 1,1-fache der Tiefe der Durchgangsbohrung. Wenn die Befestigung an einer Grundbohrung in einem zweiten Werkstück hergestellt wird, beträgt die Dicke des SMP-Streifens 10 vorzugsweise zumindest das etwa 1,1-fache der Arbeitstiefe der Bohrung. Die Metalltafel 12 wurde z. B. durch Pressen eines Blechs aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung in eine Form für ein Kraftfahrzeugtürblech oder dergleichen gebildet. Metalltafeln von dieser Art können eine Dicke im Bereich von etwa einem halben Millimeter bis etwa 3 Millimeter aufweisen. Nur ein Abschnitt der Metalltafel 12 ist in den 1 und 2 gezeigt, um einen Befestigungspunkt zwischen dem Metallteil und dem SMP-Teil zu veranschaulichen. Auch ist die Dicke der veranschaulichten Tafel zu Illustrationszwecken etwas vergrößert.
  • Die Metalltafel 12 und der Polymer-Formgedächtnisfolienstreifen 10 sind im Querschnitt abgebildet, um zu zeigen, dass eine Befestigungsöffnung 14 mit einer abgeschrägten oberen Fläche 15 in der Metalltafel 12 gebildet wurde. Es ist keine notwendige Voraussetzung der Erfindung, dass an der oberen Fläche des zweiten Werkstücks eine Abschrägung vorhanden ist, um das Verbinden zu bewerkstelligen. Der SMP-Streifen 10 ist aus einer beliebigen geeigneten polymeren Zusammensetzung gebildet, die Formgedächtniseigenschaften zeigt.
  • Der SMP-Streifen 10 wurde gegen eine Seite der Metalltafel 12 angeordnet, sodass ein Abschnitt einer anfänglich flachen Fläche des SMP-Streifens 10 über der Befestigungsöffnung 14 liegt. Die Befestigung des SMP-Streifens 10 an dem Metallblech erfordert, dass das Formgedächtnismaterial 16 von der anfänglich flachen Fläche durch die Befestigungsöffnung 14 extrudiert (gedrückt, zusammengedrückt oder auf andere Weise verformt) wird, wie in 1 veranschaulicht. Zumindest ein Abschnitt des SMP-Streifens 10 in dem Bereich 18 der Befestigungsöffnung 14 muss in eine geeignete Erweichungstemperatur (d. h. über die Ts-Temperatur der SMP-Zusammensetzung oder auf andere Weise welch gemacht) des Streifenmaterials erwärmt (oder auf eine andere Weise geeignet aktiviert) werden, um die oben erwähnte Verformung möglich zu machen. Das Erwärmen oder Aktivieren kann auf jede beliebige von mehreren verschiedenen Arten bewerkstelligt werden. Zum Beispiel können einige SMP-Polymere aktiviert werden, indem sie einer geeigneten Ulatraviolett(UV-)Strahlung ausgesetzt werden. Die UV-Aktivierung kann dieses Material erweichen, ohne seine makroskopische Temperatur wesentlich zu erhöhen.
  • Der gesamte SMP-Streifen 10 oder ein oder mehrere Befestigungsbereiche 18 kann/können über die Ts-Temperatur des Materials des polymeren Streifens 10 erwärmt werden, bevor er in einer Seite-zu-Seite zugewandten Beziehung über der Befestigungsöffnung 14 angeordnet wird. Bei einer weiteren praktischen Umsetzung kann der polymere Streifen 10 gegen die Metalltafel 12 montiert und dann erwärmt werden. Solch ein Erwärmen in Position kann bewerkstelligt werden, indem die Metalltafel 12 durch leitende Wärmeübertragung durch die und von der Metalltafel um die Befestigungsöffnung 14 herum erwärmt wird und zumindest der Bereich 18 des polymeren Streifens 10 erwärmt wird. Elektrische Widerstandsheizungsblöcke zum Erwärmen des/der Befestigungsbereiche/s der Metalltafel 12 und des SMP-Streifens 10 sind in den 3 und 4 veranschaulicht und werden in dieser Spezifikation nachfolgend weiter beschrieben. Nachdem zumindest der Bereich 18 des polymeren Streifens 10 in einen erweichten Zustand erwärmt wurde, wird eine Kraft auf die Rückseite 20 (eine durch die Pfeile in 1 angezeigte Aufwärtskraft) aufgebracht, um das erweichte Formgedächtnismaterial 16 des polymeren Streifens 10 durch die vorgefertigte Befestigungsöffnung 14 in der Metalltafel 12 zu extrudieren.
  • Während das aktivierte und erweichte Material 16 bei einer Temperatur oberhalb von Ts bleibt und der Polymerstreifen 10 gegen die Metalltafel 12 gepresst bleibt, versucht das erweichte Formgedächtnismaterial in die Oberflächenform des polymeren Streifens 10 zurückzukehren, von der es zusammengedrückt oder verdrängt wurde. Da die Oberflächenspannung in dem oberen Bereich (wie in 1 ersichtlich) des durch die Befestigungsöffnung 14 extrudierten SMP-Materials 16 die Spannung auf Grund der aufgebrachten Kraft zum Erzeugen der Verbindung ausgleicht, flacht sich das erweichte Material 16 gegen die abgeschrägte Fläche 15 etwas ab, um ein konvexes bis Flachkopfelement 22 zu bilden, das einem Nietkopf ähnlich sein kann. Während es noch immer gegen die Metallplatte gepresst ist, wird das polymere SMP-Material dann abgekühlt (oder bei Umgebungsbedingungen abgekühlt) und kehrt dann in seinen Zustand mit höherem Modul zurück. Der aufgebrachte Druck, der bis zu diesem Punkt das Polymer an die Metalltafel gepresst hat, kann nun entfernt werden, wobei diese neue Geometrie nun durch den drastischen Anstiegs des Moduls in Position gesperrt wird, bis zu dem Zeitpunkt, in dem das Probestück wieder erwärmt wird. Der polymere Abschnitt 22 mit dem flachen bis konvexen Kopf und das extrudierte polymere Formgedächtnismaterial 16, die noch immer in der Metalltafelöffnung 14 gehalten werden, sorgen für eine integrale Befestigung zwischen den veranschaulichten Abschnitten des polymeren Streifens 10 und der Metalltafel 12.
  • In der in den 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung war eine Befestigungsöffnung durch die Metalltafel 12 gebildet. In einigen Metallteilen kann jedoch eine Befestigungsöffnung ausgebildet sein, die sich in, aber nicht durch das Teil erstreckt (manchmal als eine Blindbohrung bezeichnet). In diesem Fall wird die Befestigungsöffnung unter ihrer Oberflächeneintrittsdimension vergrößert, sodass das Formgedächtnispolymer-Material einen vergrößerten Körper innerhalb der Öffnung zum Verbinden der Teile bilden kann.
  • Wichtige thermische Verarbeitungs- oder Behandlungseigenschaften von geeigneten Formgedächtnispolymeren wurden oben stehend in dieser Spezifikation beschrieben. Solche SMP-Materialien können andererseits auch als thermoplastische Polymere, Duroplastpolymere oder thermoplastische oder duroplastische Polymere mit Durchdringungsnetzwerken, halbdurchdringenden Netzwerken oder gemischten Netzwerken charakterisiert werden. Die Polymere können ein einziges Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte polymere Elastomere mit Seitenketten oder dendritische Strukturelemente sein. Formgedächtnismaterialien sind durch das Vorhandensein von zwei Phasen, einer amorphen oder glasartigen Phase (oder Segment) und einer halbkristallinen oder kristallinen Phase (oder Segment) gekennzeichnet. SMPs wurden aus geeigneten Zusammensetzungen von Urethan-Copolymeren, Urethan-Diol-Copolymeren, Epoxycyanat-Copolymeren und vielen weiteren Copolymer-Zusammensetzungen gebildet. SMP-Materialien sind für viele Anwendungen erhältlich. Ihre Verwendung bei praktischen Umsetzungen dieser Erfindung beruht großteils darauf, dass sie geeignet verformbar für den Verbindungsschritt und geeignet fest bei der gewünschten Betriebstemperatur der befestigten Werkstücke ist.
  • Gemäß der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Ts des SMP-Werkstücks für einen Verbindungsvorgang und oberhalb der vorweggenommenen Betriebstemperatur der verbundenen Werkstücke erreichbar ist. Die Differenz zwischen dem Elastizitätsmodul des nicht aktivierten SMP-Werkstücks Einactive, und dem Modul des aktivierten Werkstücks Eactive ist bei diesem Verbindungsverfahren wesentlich. Es wird bevorzugt, dass das Verhältnis Einactive/Eactive für eine einfache und wirksame Verdrängung des Formgedächtnismaterials für das Verbindungsverfahren angemessen hoch ist, während die hohe Festigkeit der gebildeten Verbindung erhalten bleibt. Ein Verhältnis von mindestens zehn ist geeignet, während ein Verhältnis von fünfzig bis etwa 200 bevorzugt ist.
  • Die für die Wiederherstellung der Permanentform erforderliche Temperatur kann üblicherweise bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt sein. Die technische Planung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung ist größer als etwa 120°C.
  • Ein sehr häufiges Aktivierungsmittel für SMP-Werkstücke ist Wärme. Abhängig von einem spezifischen SMP-Material kann ein Werkstück zum Verbinden aber auch mit Mitteln wie z. B. Elektrizität, Licht oder eine andere elektromagnetische Bestrahlung mit einer geeigneten Frequenz, ein Druck, eine Schwingung, eine pH-Änderung und/oder Feuchtigkeit aktiviert werden.
  • Wie festgestellt, wird eine Aktivierung oft durch Erwärmen eines SMP-Werkstücks bewerkstelligt. 3 ist eine Explosionsdarstellung, die ein Verfahren zum lokalen Erwärmen eines SMP-Streifens 110 veranschaulicht, wie er mit einer ebenen Oberfläche gegen eine Seite einer Metalltafel 112 über einer vorgefertigten Befestigungsöffnung 114 in der Metalltafel 112 positioniert und gepresst ist. Ein Ambosselement 117 kann verwendet werden, um den SMP-Streifen 110 zu stützen und gegen die Unterseite 122 der Metalltafel 112 zu zwingen. Ein elektrischer Widerstandsheizblock 116 (im Querschnitt gezeigt) wird mithilfe von elektrischen Drähten 118, 120 erwärmt und über der Befestigungsöffnung 114 liegend gegen die Oberseite 124 der Metalltafel 112 gepresst. Elektrischer Strom wird durch die Leitungen 118, 120 und durch den Widerstandsheizblock 116 geleitet, um ihn auf eine Temperatur zum Erwärmen der Metalltafel 112 zu erwärmen. Wärme wird durch die Metalltafel 112 in den SMP-Streifen 110 geleitet, sodass zumindest ein Abschnitt der SMP-Tafel auf seine erweichte Phase zum Extrudieren eines Befestigungsabschnitts durch die Befestigungsöffnung 114 gemäß dem oben stehend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Verbindungsverfahrens, erwärmt wird.
  • 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des elektrischen Widerstandheizblocks 116. In 4 wird ein Heizblock 216 (im Querschnitt gezeigt) mithilfe von elektrischen Leitungen 218, 220 erwärmt. Allerdings weist der Heizblock 216 einen vertieften Abschnitt 222 in seiner Heizfläche auf, um die Extrusion von SMP-Material, wie in 1 bei 16 veranschaulicht, zuzulassen.
  • Die in den 3 und 4 veranschaulichten In-Position-Erwärmungspraktiken sind geeignet, um ein SMP-Material zum Bilden von Befestigungen eines SMP-Werkstücks an einem zweiten Werkstück gemäß der Erfindung rasch zu erwärmen. Derzeit erfordern diese Praktiken häufig einen Zugang zu sowohl der zweiten Werkstückseite als auch der SMP-Werkstückseite der zu befestigenden Anordnung. Hin und wieder ist es notwendig oder wünschenswert die Befestigung/en durch ein Verfahren nur auf der Seite des polymeren Teils der Fläche-an-Fläche Anordnung des polymeren Teils an dem zweiten Werkstück zu bilden. Unabhängig von dem gewählten Verfahren zum Aktivieren des polymeren Teils ist einzusehen, dass im Fall eines SMPs das Befestigungsverfahren allein von der Seite des polymeren Teils der Anordnung ausgeführt werden kann. Das aktivierte polymere Material wird von der Seite des polymeren Teils in oder durch die Befestigungsöffnung/en in dem Metallteil zusammengedrückt oder verformt, vorausgesetzt, das Metallteil besitzt eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit, um der Spannung einer einseitigen Verbindung standzuhalten, um eine oder mehrere Säulen von Befestigungsmaterial vorzusehen. Da die Oberflächenspannung des SMP-Kopfes auf der entfernten Seite der Metallplatte (oder eines anderen zweiten Werkstücks) die Spannung auf Grund der aufgebrachten Kraft zum Erzeugen der Verbindung ausgleicht, bildet das extrudierte SMP-Material einen bauchigen Kopf, der in gewisser Weise einem Nietkopf ähnlich ist. Das in die Blindbohrung extrudierte SMP-Material wird abhängig von der Form der Bohrung eine bauchige Form einnehmen. Ein anschließendes Abkühlen, während es noch belastet ist, sperrt diese verformte Form ein.
  • Eine praktische Umsetzung der Erfindung wurde unter der Verwendung von elektrischen Widerstandsheizblöcken veranschaulicht, die auf die Metallblechseite der zu verbindenden Anordnung aufgebracht wurden. Wie festgestellt, kann es in vielen Anwendungen der Erfindung bevorzugt sein, das SMP-Werkstück direkt zu erwärmen. Es kann auch bevorzugt sein, ein anderes Mittel zum Erwärmen des SMP-Werkstücks zu verwenden. Zum Beispiel kann eine Joule/konduktive/induktive/thermoelektrische Heizeinrichtung in eine Pressvorrichtung eingebaut sein, die auf das SMP-Werkstück aufgebracht werden soll. Solch eine Anordnung lässt das Erwärmen des SMP-Materials zur Extrusion in eine Befestigungsöffnung in dem zweiten Werkstück zu. Dann, durch Umkehren des Stromflusses zu der Vorrichtung, kann das SMP-Werkstück abgekühlt werden, um die gebildete Befestigungsform zu festigen. In einer weiteren Heizeinrichtungs-Ausführungsform kann eine Laserheizeinrichtung oder Strahlungsheizeinrichtung zum Erwärmen einer oder beider Seiten der Anordnung aus dem SMP-Werkstück und dem zweiten Werkstück verwendet werden. In einer noch weiteren Erwärmungs-Ausführungsform kann ein Strom eines heißen Fluids (z. B. Luft) gegen eine oder beide Seiten der Anordnung aus dem SMP- und dem zweiten Werkstück beaufschlagt werden. Der heiße Fluidstrom kann für eine Formfestlegung des extrudierten SMP-Befestigungsabschnitts gegen einen Strom von kühlem Fluid ausgetauscht werden. In vielen Ausführungsformen kann das Erwärmungs- und/oder Kühlmittel in die Vorrichtung zum Aufbringen von Druck auf das SMP-Werkstück zur Extrusion des aktivierten Materials in die Befestigungsöffnung in dem zweiten Werkstück enthalten sein.
  • Es ist auch einzusehen, dass eine Befestigung rückgängig gemacht und, falls notwendig, schnell und einfach wiederhergestellt werden kann. Das Befestigungsmaterial des befestigten SMP-Werkstücks wird erneut auf seine Erweichungstemperatur erwärmt (aktiviert) und, wenn es nicht unter Belastung steht, fließt das aktivierte Material, um in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Und dabei zieht sich das aktivierte Material entweder spontan vollständig aus der Befestigungsöffnung zurück oder lässt zu, dass eine Trennung unter Anwendung einer minimalen Trennkraft durchgeführt werden kann.
  • Das Verfahren der Erfindung kann mithilfe geeigneter Halterungen zum Verbinden z. B. einer relativ großen Metalltafel mit einer relativ großen polymeren Rückenfolie praktisch umgesetzt werden. Mehrere Befestigungsöffnungen können an vorbestimmten Stellen in dem Metallteil gebildet werden, unmittelbar bevor die Befestigungsschritte begonnen werden. Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das SMP-Werkstück eine anfänglich ebene zugewandte Fläche für die Befestigung aufweist und das Befestigungsmaterial erhalten wird, indem Material von dem Körper des SMP-Teils verformt wird.
  • Die praktische Umsetzung der Erfindung wurde mithilfe einiger Beispiele von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Die Veranschaulichungen beinhalteten Metalltafeln und polymere Streifen, es ist jedoch offensichtlich, dass das Verfahren an anderen Werkstück- und Polymerteilformen praktiziert werden kann. Die Teilformen sind hauptsächlich durch die Distanz begrenzt, die in eine Befestigungsöffnung in dem zweiten Werkstück zu fliehen das polymere Material gebracht werden kann. Des Weiteren ist einzusehen, dass nur Befestigungsbereiche des Polymerteils aus dem Formgedächtnismaterial gebildet sein müssen. Demgemäß sollen die spezifischen Veranschaulichungen in dieser Spezifikation den eigentlichen Umfang der Erfindung nicht einschränken.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110), das in aktiviertem und inaktiviertem Zustand unterschiedliche Elastizitätsmoduli aufweist, an einem zweiten Werkstück (12, 112), wobei die Werkstücke (10, 110, 12, 112) einander zugewandte Flächen für die Befestigung aufweisen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine Befestigungsöffnung (14, 114) in der zugewandten Fläche des zweiten Werkstücks (12, 112) gebildet wird; die zugewandte Fläche des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) über der Befestigungsöffnung (14, 114) des zweiten Werkstücks (12, 112) liegend angeordnet wird, wobei die zugewandte Fläche des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) keinen vorgefertigten Vorsprung für einen Eintritt in die Befestigungsöffnung (14, 114) aufweist; zumindest ein zugewandter Flächenbereich des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) in einen erweichten Zustand aktiviert wird; eine Kraft aufgebracht wird, um das erweichte Formgedächtnismaterial (16) von dem Flächenbereich des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) in die Befestigungsöffnung (14, 114) zu drücken und zu verformen; eine Kraft gegen das erweichte Polymermaterial aufrechterhalten wird, während das verformte, erweichte Formgedächtnismaterial beim Versuch, seine ursprüngliche Form wiederzuerlangen, fließt, um eine mechanische Befestigung mit dem zweiten Werkstück (12, 112) zu bilden; und das erweichte Formgedächtnismaterial (16) abgekühlt wird, während eine äußere Kraft darauf aufrechterhalten wird, um die mechanische Befestigung zwischen dem Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) und dem zweiten Werkstück (12, 112) zu festigen.
  2. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) aktiviert wird, indem es in einen erweichten Zustand erwärmt wird, bevor das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) über der Befestigungsöffnung (14, 114) des zweiten Werkstücks (12, 112) liegend angeordnet wird.
  3. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) aktiviert wird, indem es durch direkte Anwendung von Wärme auf das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) in einen weichen Zustand aktiviert wird.
  4. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) in dem Bereich seiner zugewandten Fläche größer ist als die Tiefe der Befestigungsöffnung in dem zweiten Werkstück (12, 112).
  5. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) eine Bahn oder ein Streifen mit ebenen, entgegengesetzten Seiten ist und das zweite Werkstück (12, 112) ein/e Metallblech oder -tafel ist.
  6. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, umfassend die Schritte, dass die zugewandte Fläche des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) über der Befestigungsöffnung (14, 114) eines Metallwerkstücks (12, 112) liegend als das zweite Werkstück (12, 112) angeordnet wird; und das Metallwerkstück (12, 112) erwärmt wird, um das Formgedächtnispolymer-Werkstück (12, 112) in einen erweichten Zustand zu erwärmen.
  7. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem Metallwerkstück nach Anspruch 6, umfassend die Schritte, dass die zugewandte Fläche des Formgedächtnispolymer-Werkstücks über der Befestigungsöffnung (114) des Metallwerkstücks (112) liegend angeordnet wird; und das Metallwerkstück (112) mit einem erwärmten Block (116), der über der Befestigungsöffnung (114) liegt, erwärmt wird, um den darunter liegenden Bereich des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (110) in einen erweichten Zustand zu erwärmen.
  8. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das zweite Werkstück (12, 112) ein Metallblech mit einer Dicke von einem halben Millimeter bis drei Millimeter ist.
  9. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) eine Dicke von zwei Millimeter oder mehr aufweist.
  10. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) aktiviert wird, indem es durch Kontakt mit einem erwärmten Körper in einen erweichten Zustand erwärmt wird, der auch verwendet wird, um eine Kraft aufzubringen, um das erweichte Formgedächtnismaterial (16) in die Befestigungsöffnung zu drücken.
  11. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) aktiviert wird, indem es durch Kontakt mit einem Körper in einen erweichten Zustand erwärmt wird, der anfänglich erwärmt wird und auch verwendet wird, um eine Kraft aufzubringen, um das erweichte Formgedächtnismaterial in die Befestigungsöffnung (14, 114) zu drücken, wobei der Körper dann abgekühlt wird und durch fortgesetzten Kontakt mit dem Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) verwendet wird, um das erweichte Material (16) abzukühlen.
  12. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) aktiviert wird, indem es dadurch in einen erweichten Zustand erwärmt wird, dass ein Strom eines erwärmten Fluids gegen das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) geleitet wird.
  13. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das erweichte Material (16) abgekühlt wird, indem ein Strom eines Kühlfluids gegen das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) geleitet wird.
  14. Verfahren zum Befestigen eines Formgedächtnispolymer-Werkstücks an einem zweiten Werkstück nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) aktiviert wird, indem es in einen erweichten Zustand erwärmt wird, indem ein Strom eines erwärmten Fluids gegen das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) geleitet wird, und das erweichte Material (16) anschließend abgekühlt wird, indem ein Strom eines Kühlfluids gegen das Formgedächtnispolymer-Werkstück (10, 110) geleitet wird.
  15. Verwendung eines nach Anspruch 1 hergestellten Verbundköpers zur Trennung des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) und des zweiten Werkstücks (12, 112), aus denen der Verbundköper besteht, wobei zur Trennung des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) und des zweiten Werkstücks (12, 112), aus denen der Verbundköper besteht, zumindest der Befestigungsabschnitt (16) des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) in einen erweichten Zustand erwärmt wird, ohne einen Materialfluss in dem Befestigungsabschnitt (16) einzuschränken, und der erweichte Befestigungsabschnitt (16) des Formgedächtnispolymer-Werkstücks (10, 110) aus der Befestigungsöffnung (14, 114) des zweiten Werkstücks (12, 112) zurückgezogen wird.
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