DE102011010117B4

DE102011010117B4 - Lösbare Verbindung

Info

Publication number: DE102011010117B4
Application number: DE102011010117.9A
Authority: DE
Inventors: Nilesh D. Mankame; Paul W. Alexander; Alan L. Browne; Nancy L. Johnson; Xiujie Gao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: US8864403B2; DE102011010117A1; US20110194887A1; CN102146946B; US8438714B2; CN102146946A; US20130223918A1

Abstract

Lösbare Verbindung (20), umfassend:eine erste Komponente (22); undeine zweite Komponente (24), die eine Tasche (26) festlegt, wobei die zweite Komponente (24) aus einem Formgedächtnispolymer hergestellt ist, das bei einer Schalttemperatur eine Steifigkeit aufweist, die geringer ist als eine Steifigkeit der ersten Komponente (22) bei oder oberhalb der Schalttemperatu r;wobei die Tasche (26) als Reaktion auf ein Erwärmen auf die Schalttemperatur zwischen einer anfänglichen Form und einer verbundenen Form umwandelbar ist, wobei die verbundene Form ausgebildet ist, um einen Abschnitt (28) der ersten Komponente (22) in der Tasche (26) beweglich zu sichern, wohingegen die anfängliche Form ausgebildet ist, um den Abschnitt (28) aus der Tasche (26) zu lösen;wobei die zweite Komponente (24) eine Basis (60) und eine Wand (62) umfasst und wobei die Tasche (26) eine halbkugelartige Kuppel umfasst, die durch die Basis (60) und die Wand (62) festgelegt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein eine lösbare Verbindung zwischen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente, wie sie der Art nach im Wesentlichen aus der JP 2004 - 357 748 A bekannt ist.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften WO 2007 / 129 154 A1 , DE 11 2007 000 947 B4 und DE 10 2008 053 341 A1 verwiesen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es gibt viele Herstellungsartikel, die es erforderlich machen, dass eine erste Komponente mit einer zweiten Komponente lösbar verbunden wird, d.h. die erste Komponente muss in einer Weise mit der zweiten Komponente verbunden sein, die das Entfernen der ersten Komponente von der zweiten Komponente zulässt. Solche lösbaren Verbindungen umfassen typischerweise mechanische Befestigungsmittel oder dergleichen, die separate Werkstücke zusammenhalten. Das Entfernen der mechanischen Befestigungsmittel trennt die Werkstücke. Alternativ werden Klebstoffe genutzt, um die verschiedenen Werkstücke miteinander zu verbinden. Die Klebeverbindung zwischen den separaten Werkstücken muss aufgebrochen werden, um die Werkstücke zu trennen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine lösbare Verbindung anzugeben, die möglichst einfach ausgebildet ist und eine verschleißbedingte Schädigung der Verbindungspartner verhindert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einer lösbaren Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer lösbaren Verbindung zwischen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente, die aus einem Formgedächtnispolymer hergestellt ist, offenbart. Das Verfahren umfasst das Ausbilden der zweiten Komponente zu einer anfänglichen Form, um eine Tasche festzulegen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Einführen eines Abschnitts der ersten Komponente in die Tasche. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erwärmen der zweiten Komponente auf eine Schalttemperatur, wobei die zweite Komponente bei der Schalttemperatur formbar ist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verformen der Tasche zu einer verbundenen Form, um die erste Komponente zu greifen und die erste Komponente relativ zur zweiten Komponente zu sichern; und das Kühlen der Tasche, während die verbundene Form der Tasche beibehalten wird. Die Tasche wird gekühlt, bis die zweite Komponente die verbundene Form selbständig behält. Die zweite Komponente ist als Reaktion auf erneutes Erwärmen der zweiten Komponente auf die Schalttemperatur verformbar, um die erste Komponente von der Tasche freizugeben.
Demgemäß offenbart die Erfindung eine lösbare Verbindung zwischen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente. Die zweite Komponente ist aus einem Formgedächtnispolymer hergestellt, was ein Ausbilden der zweiten Komponente von einer anfänglichen Form zu einer verbundenen Form ermöglicht, wenn diese auf die Schalttemperatur erwärmt wird. Wenn sich die zweite Komponente in der verbundenen Form befindet, sichert sie die erste Komponente ortsfest. Somit erfordert die offenbarte lösbare Verbindung keine Befestigungsmittel oder Klebstoffe, um die erste Komponente mit der zweiten Komponente zu verbinden, was die Herstellungskosten der lösbaren Verbindung senkt und den Aufwand zum Auseinandernehmen und erneutem Herstellen der lösbaren Verbindung verringert.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform einer lösbaren Verbindung in einem auseinandergenommenen Zustand.
2 ist eine schematische Perspektivansicht der ersten Ausführungsform der lösbaren Verbindung in einem zusammengebauten Zustand.
3 ist eine schematische Perspektivansicht einer nicht erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform der lösbaren Verbindung in einem auseinander genommenen Zustand.
4 ist eine schematische Perspektivansicht der zweiten Ausführungsform der lösbaren Verbindung in einem zusammengebauten Zustand.
5 ist eine schematische Perspektivansicht einer nicht erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform der lösbaren Verbindung in einem teilweise zusammengebauten Zustand.
6A, 6B, sind schematische Querschnittansichten der dritten Ausfüh-6C und 6D rungsform der lösbaren Verbindung.
7 ist eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen vierten Ausführungsform der lösbaren Verbindung in einem auseinander genommenen Zustand.
8 ist eine schematische Perspektivansicht der vierten Ausführungsform der lösbaren Verbindung in einem zusammengebauten Zustand.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezug auf die Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen in den gesamten mehreren Ansichten gleiche Teile bezeichnen, ist bei 20 eine lösbare Verbindung allgemein gezeigt. Die lösbare Verbindung 20 umfasst eine erste Komponente 22 und eine zweite Komponente 24. Die zweite Komponente 24 ist aus einem Formgedächtnispolymer (SMP) hergestellt.
Thermisch aktivierte SMP erfahren über einer charakteristischen Temperatur, die als die Schalttemperatur (Tx) bekannt ist, eine signifikante Abnahme des Moduls, z.B. nimmt der Speichermodul eines SMP auf Polyurethanbasis unterhalb seiner Glasübergangstemperatur (Tg, die die Schalttemperatur für dieses SMP ist) von etwa 131 MPa auf etwa 4 MPa oberhalb seiner Tg über einem Bereich von etwa 20°C ab. Jenseits dieses Punkts weisen SMP ein finites lederiges Plateau (typischerweise 10°C oder mehr) auf, bei dem der Modul bei einem niedrigen Wert bleibt und das Material leicht verformt werden kann (z.B. in manchen Fällen um bis zu 300%), ohne irreversiblen Schaden hervorzurufen.
SMP sind im Allgemeinen so festgelegt, dass sie eine dauerhafte Form und eine temporäre Form umfassen. Die dauerhafte Form ist die Herstellungsform ab Werk, zu der das SMP zurückzukehren versucht, wenn es sich oberhalb der Schalttemperatur befindet und keinen Lasten unterliegt und keine Hindernisse vorliegen, die dieses Zurückkehren verhindern. Die temporäre Form ist die Form, zu der das SMP durch externe Kräfte oder Hindernisse oberhalb der Schalttemperatur verformt wird. Das SMP kann über längere Zeiträume in der temporären Form gelagert werden, solange das SMP nicht dem Stimulus, z.B. Wärme, ausgesetzt wird, der die Rückbildung der dauerhaften Form des SMP auslöst. Das SMP kann aber ein Dreifach-Formgedächtnispolymer umfassen, das sich sowohl die dauerhafte Form als auch eine mittlere Form merken kann, die bei einer Temperatur zwischen der hohen und niedrigen Temperatur des SMP festgelegt ist. Wenn ein Dreifach-SMP verwendet wird, dann können die temporäre Form, z.B. ein auseinander genommener Zustand, sowie die dauerhafte Form, z.B. ein zusammengebauter Zustand, in das SMP programmiert werden. Demgemäß ist das Wechseln zu der erwünschten Form unter Verwenden eines Dreifach-SMP lediglich eine Sache des Erwärmens des SMP auf die geeignete Temperatur, um entweder die mittlere Form oder die dauerhafte Form zu erhalten.
Das SMP wird im Allgemeinen so beschrieben, dass es die Schalttemperatur, eine Ausbildungstemperatur und eine Einstelltemperatur umfasst. Die Ausbildungstemperatur ist größer als die Schalttemperatur, und die Schalttemperatur ist größer als die Einstelltemperatur, d.h. Ausbildungstemperatur > Schalttemperatur > Einstelltemperatur. Die Schalttemperatur ist die Temperatur des SMP, bei der die Änderung der Eigenschaften auftreten soll. Die Änderung der Eigenschaften des SMP tritt bei der Schalttemperatur aber eventuell nicht abrupt auf; um also ein relatives weiches Material sicherzustellen, kann die Formprogrammierung des SMP bei der Ausbildungstemperatur erfolgen. Analog bildet das SMP bei Abkühlen eventuell nicht alle seine ursprünglichen Eigenschaften abrupt bei der Schalttemperatur zurück. Demgemäß kann das SMP auf die Einstelltemperatur gekühlt werden, um eine vollständige Rückbildung der dauerhaften Form des SMP sicherzustellen.
Die erste Komponente 22 umfasst eine Steifigkeit bei der Schalttemperatur. Die zweite Komponente 24 legt eine Tasche 26 fest und umfasst eine Steifigkeit bei oder oberhalb der Schalttemperatur, die geringer als die Steifigkeit der ersten Komponente 22 bei der Schalttemperatur ist. Im Einzelnen umfasst die erste Komponente 22 eine Steifigkeit, die beträchtlich geringer als die Steifigkeit der zweiten Komponente 24 bei Verbindungstemperatur ist, um sicherzustellen, dass sich die erste Komponente 22 nicht verformt, wenn sie während des Zusammenbauens der lösbaren Verbindung 20 erwärmt wird.
Die erste Komponente 22 umfasst einen Abschnitt 28, der in der Tasche 26 angeordnet ist. Die Tasche 26 wird von einer anfänglichen Form, die das Einführen des Abschnitts 28 in die Tasche 26 zulässt, zu einer verbundenen Form, die zum Sichern der ersten Komponente 22 relativ zu der zweiten Komponente 24 ausgelegt ist, gebildet. Demgemäß umfasst die zweite Komponente 24 vor dem Zusammenbau die anfängliche Form. Während des Zusammenbaus wird der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 in die Tasche 26 eingeführt, und die Tasche 26 wird zu der verbundenen Form ausgebildet, um den Abschnitt 28 in der Tasche 26 zu sichern. Wenn die verbundene Form die dauerhafte Form ist, dann kann die Umwandlung der Tasche 26 von der anfänglichen Form zu der verbundenen Form bei Erwärmen der zweiten Komponente 24 auf die Schalttemperatur erfolgen. Wenn man die verbundene Form als dauerhafte Form hat, sieht dies weiterhin eine starke Verbindung vor, die beständig gegenüber Auseinandernehmen ist. Wenn die anfängliche Form die dauerhafte Form ist, dann kann die Umwandlung der Tasche 26 von der anfänglichen Form zu der verbundenen Form bei Erwärmen der zweiten Komponente 24 auf die Schalttemperatur, Verformen der Tasche 26 zu der verbundenen Form und Kühlen der zweiten Komponente 24, um die verbundene Form beizubehalten, erfolgen. Wenn man die anfängliche Form als die dauerhafte Form hat, sieht dies weiterhin ein einfaches Trennen der lösbaren Verbindung 20 vor. Da die erste Komponente 22 eine Steifigkeit bei der Schalttemperatur umfasst, die größer als die Steifigkeit der zweiten Komponente 24 bei der Schalttemperatur ist, wird die Form der ersten Komponente 22 nicht geändert, wenn die Tasche 26 von der anfänglichen Form zu der verbundenen Form ausgebildet wird. Es versteht sich, dass die anfängliche Form des SMP entweder die temporäre Form oder die dauerhafte Form sein kann und dass die verbundene Form die andere von temporärer Form oder dauerhafter Form ist.
Aufgrund der Eigenschaften der zweiten Komponente 24 aus SMP kann die Tasche 26 von der verbundenen Form zu der anfänglichen Form umgewandelt werden, um den Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 freizugeben. Als Reaktion auf das Erwärmen der zweiten Komponente 24 auf die Schalttemperatur wandelt sich die Tasche 26 von der verbundenen Form zurück in die anfängliche Form um, wenn die anfängliche Form die dauerhafte Form ist und keine externen Lasten, die auf das SMP wirken, oder Hindernisse, die das Rückbilden des SMP verhindern, vorliegen. Wenn die anfängliche Form die temporäre Form ist, wird bei der Ausbildungstemperatur des SMP auf die Tasche 26 externe Kraft ausgeübt, um ein Entnehmen des Abschnitts 28 aus der Tasche 26 zu ermöglichen. In jedem Fall ist das Entfernen des Abschnitts 28 von der Tasche 26 zur Wartung oder dergleichen unkompliziert.
Unter Bezug auf 1 und 2 wird eine erste alternative Ausführungsform der lösbaren Verbindung 20 gezeigt. Die lösbare Verbindung 20 ist in 1 und 2 als geschlitzte Verbindung gezeigt. Die zweite Komponente 24 umfasst ein eine hier auch als Unterteil 30 bezeichnete Basis, eine erste Wand 32 und eine zweite Wand 34. Die erste Wand 32 und die zweite Wand 34 sind an gegenüberliegenden Seitenkanten des Unterteils 30 einander gegenüberliegend angeordnet. Das Unterteil 30, die erste Wand 32 und die zweite Wand 34 erstrecken sich entlang einer Längsachse 36. Die Tasche 26 umfasst einen Kanal, der durch und zwischen dem Unterteil 30, der ersten Wand 32 und der zweiten Wand 34 festgelegt ist. Die Tasche 26 erstreckt sich entlang der Längsachse 36. Der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22, der in der Tasche 26 angeordnet ist, umfasst einen bauchigen Endabschnitt 28, wobei der bauchige Endabschnitt 28 einen zylindrischen Abschnitt 28 umfasst, der sich eine vorbestimmte Strecke entlang der Längsachse 36 erstreckt.
Wie in 1 gezeigt sind die erste Wand 32 und die zweite Wand 34 relativ zu dem Unterteil 30 allgemein senkrecht und legen in ihrer anfänglichen Form eine im Allgemeinen rechteckige Tasche 26 fest. Bei Umwandlung in die in 2 gezeigte verbundene Form werden die distalen Kanten der ersten Wand 32 und der zweiten Wand 34, d.h. die Kanten am weitesten weg von dem Unterteil 30, nach innen aufeinander zu gerollt, um den zylindrischen Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 zu umschließen und eine im Allgemeinen zylindrische Tasche 26 festzulegen. Demgemäß ist der zylindrische Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 in der zylindrischen Tasche 26 beweglich. Es versteht sich, dass die Bewegung des zylindrischen Abschnitts 28 in der zylindrischen Tasche 26 eine organisierte, d.h. geplante, Bewegung entlang einer Ebene oder Achse umfasst und eine geringfügige Bewegung, die durch übermäßigen Verschleiß der lösbaren Verbindung 20 und/oder unsachgemäßen Zusammenbau der lösbaren Verbindung 20 hervorgerufen wird, ausschließt. Im Einzelnen ist die erste Komponente 22 in der Tasche 26 relativ zu der zweiten Komponente 24 gleitend beweglich. Ferner ist ein Widerstand gegenüber der Bewegung der zweiten Komponente 24 relativ zu der ersten Komponente 22 verstellbar. Der Bewegungswiderstand kann zum Beispiel durch Verändern eines Spalts und/oder eines Anpressdrucks zwischen dem zylindrischen Abschnitt 28 und der zylindrischen Tasche 26 verstellt werden. Somit kann der Bewegungswiderstand verstellt werden, um Verschleiß der lösbaren Verbindung 20 im Lauf der Zeit durch Anpassen der Geometrie der lösbaren Verbindung 20, um den Spalt und/oder den Anpressdruck zu verändern, zu berücksichtigen.
Wie vorstehend kurz beschrieben wurde, können die erste Wand 32 und die zweite Wand 34 bei Erwärmen auf die Schalttemperatur bei Fehlen von externen Lasten oder Hindernissen zu ihrer anfänglichen Form, d.h. der rechteckigen Form, zurückgeführt werden, um den zylindrischen Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 von der Tasche 26 der zweiten Komponente 24 zu lösen, wenn die dauerhafte Form des die Tasche 26 bildenden SMP die anfängliche Form ist.
Unter Bezug auf 3 und 4 wird eine nicht erfindungsgemäßen zweite alternative Ausführungsform der lösbaren Verbindung 20 gezeigt. Die lösbare Verbindung 20 ist in 3 und 4 als Scharnier gezeigt. Die zweite Komponente 24 umfasst ein Unterteil 38, eine erste Wand 40 und eine zweite Wand 42. Die erste Wand 40 und die zweite Wand 42 sind an gegenüberliegenden Seitenkanten des Unterteils 38 einander gegenüberliegend angeordnet und erstrecken sich entlang einer Längsachse 44. Jede von erster Wand 40 und zweiter Wand 42 umfasst mehrere Schwingen 46, die entlang der Längsachse 44 relativ zueinander beabstandet sind. Jedes benachbarte Paar von Schwingen 46 legt dazwischen einen Spalt fest. Jede von erster Wand 40 und zweiter Wand 42 umfasst demgemäß mehrere Spalte 48, die zwischen den Schwingen 46 angeordnet sind. Wie gezeigt sind die Schwingen 46 an der ersten Wand 40 von den Schwingen 46 an der zweiten Wand 42 entlang der Längsachse 44 versetzt. Es versteht sich aber, dass die Schwingen 46 an der ersten Wand 40 und der zweiten Wand 42 abwechselnd einander direkt gegenüber angeordnet sein können. Die Tasche 26 umfasst einen Kanal, der durch und zwischen dem Unterteil 38, der ersten Wand 40 und der zweiten Wand 42 festgelegt ist. Im Einzelnen ist die Tasche 26 durch das Unterteil 38, die Schwingen 46 der ersten Wand 40 und die Schwingen 46 der zweiten Wand 42 festgelegt. Die Tasche 26 erstreckt sich entlang der Längsachse 44. Der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22, der in der Tasche 26 angeordnet ist, umfasst einen zylindrischen Wellenabschnitt 28, der sich entlang der Längsachse 44 erstreckt.
Wie in 3 gezeigt sind die Schwingen 46 der ersten Wand 40 und die Schwingen 46 der zweiten Wand 42 relativ zu dem Unterteil 38 in einer im Allgemeinen horizontalen Weise angeordnet und legen in ihrer anfänglichen Form eine im Allgemeinen offene konkave Form fest. Die in 3 gezeigte anfängliche Form ist die dauerhafte Form des SMP. Bei Umwandlung in die in 4 gezeigte verbundene Form, d.h. die temporäre Form des SMP, werden die Schwingen 46 an der ersten Wand 40 und der zweiten Wand 42 nach oben und nach innen aufeinander zu gebogen, um den zylindrischen Wellenabschnitt 28 der ersten Komponente 22 zu umschließen und eine im Allgemeinen zylindrische Tasche 26 festzulegen. Demgemäß ist der zylindrische Wellenabschnitt 28 der ersten Komponente 22 in der zylindrischen Tasche 26 beweglich. Es versteht sich, dass die Bewegung des zylindrischen Wellenabschnitts 28 in der zylindrischen Tasche 26 eine organisierte, d.h. gewollte, Bewegung entlang einer Ebene oder Achse umfasst und eine geringfügige Bewegung, die durch übermäßigen Verschleiß der lösbaren Verbindung 20 und/oder unsachgemäßen Zusammenbau der lösbaren Verbindung 20 hervorgerufen wird, ausschließt. Im Einzelnen ist die erste Komponente 22 um die Längsachse 44 relativ zu der zweiten Komponente 24 drehbar. Ferner ist ein Widerstand gegenüber der Bewegung der zweiten Komponente 24 relativ zu der ersten Komponente 22 verstellbar. Der Bewegungswiderstand kann zum Beispiel durch Verändern eines Spalts und/oder eines Anpressdrucks zwischen dem zylindrischen Abschnitt 28 und der zylindrischen Tasche 26 verstellt werden. Somit kann der Bewegungswiderstand verstellt werden, um Verschleiß der lösbaren Verbindung 20 im Lauf der Zeit durch Anpassen der Geometrie der lösbaren Verbindung 20, um den Spalt und/oder den Anpressdruck zu verändern, zu berücksichtigen.
Wie vorstehend kurz beschrieben wurde, können die erste Wand 40 und die zweite Wand 42 bei Erwärmen auf die Schalttemperatur bei Fehlen von externen Lasten oder Hindernissen zu ihrer anfänglichen Form, d.h. der im Allgemeinen offenen konkaven Form, automatisch zurückgeführt werden, um den zylindrischen Wellenabschnitt 28 der ersten Komponente 22 von der Tasche 26 der zweiten Komponente 24 zu lösen.
Unter Bezug auf 5 und 6A bis 6D wird eine nicht erfindungsgemäßen dritte Ausführungsform der lösbaren Verbindung 20 gezeigt. Die lösbare Verbindung 20 ist in 5 und 6A bis 6D als abnehmbares Verkleidungsteil gezeigt. Die zweite Komponente 24 umfasst ein Unterteil 50, eine erste Wand 52 und eine zweite Wand 54. Die erste Wand 52 und die zweite Wand 54 sind an gegenüberliegenden Seitenkanten des Unterteils 50 einander gegenüberliegend angeordnet. Das Unterteil 50, die erste Wand 52 und die zweite Wand 54 erstrecken sich entlang einer Längsachse. Die Tasche 26 umfasst einen Kanal, der durch und zwischen dem Unterteil 50, der ersten Wand 52 und der zweiten Wand 54 festgelegt ist. Die Tasche 26 erstreckt sich entlang der Längsachse. Die erste Wand 52 und die zweite Wand 54 umfassen jeweils eine Rippe 56, die auf distalen Kanten, d.h. Kanten am weitesten weg von dem Unterteil 50, der ersten Wand 52 bzw. der zweiten Wand 54 angeordnet ist. Die Rippen 56 erstrecken sich nach innen aufeinander zu in die Tasche 26. Der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22, der in der Tasche 26 angeordnet ist, umfasst mehrere Verriegelungsabschnitte 28. Die Verriegelungsabschnitte 28 umfassen eine Reihe von ebenen Elementen, die aneinander angebracht sind, um einen im Allgemeinen rautenförmigen Federabschnitt 28 festzulegen. Der rautenförmige Federabschnitt 28 ist ausgelegt, um gegen und zwischen die erste Wand 52 und die zweite Wand 54 vorzuspannen. Die rautenförmigen Federabschnitte 28 der ersten Komponente 22 umfassen jeweils mindestens eine, vorzugsweise aber ein Paar von Rastungen 58. Die Rastungen 58 sind formschlüssig mit jeder der Rippen 56 der ersten Wand 52 bzw. der zweiten Wand 54 angeordnet, wenn sich die zweite Komponente 24 in der verbundenen Form befindet.
Wie in 5 gezeigt umfassen die erste Wand 52 und die zweite Wand 54 eine im Allgemeinen vertikale Form, sind im Allgemeinen senkrecht zu dem Unterteil 50 und legen in ihrer anfänglichen Form eine im Allgemeinen rechteckige Tasche 26 fest. Da die Abschnitte 28 der ersten Komponente 22, die in der Tasche 26 angeordnet ist, zusammendrückbare Federabschnitte 28 umfassen, muss die Tasche 26 in der dritten alternativen Ausführungsform der lösbaren Verbindung 20 nicht auf die Schalttemperatur erwärmt werden, um die Tasche 26 von der anfänglichen Form in die verbundene Form umzuwandeln. Wie in 6B gezeigt greifen vielmehr bei Einführen der rautenförmigen Federabschnitte 28 der zweiten Komponente 24 in die Tasche 26 die Rastungen 58 formschlüssig mit den Rippen 56, d.h. schnappen zusammen, um die verbundene Form festzulegen. Es versteht sich aber, dass das Erwärmen von einer oder beiden von erster Komponente 22 und zweiter Komponente 24 auf die Schalttemperatur das Einführen in die Tasche 26 leichter machen kann.
Unter Bezug auf 6C wird zum Lösen der ersten Komponente 22 von der zweiten Komponente 24 die zweite Komponente 24 auf die oder nahe zu der Schalttemperatur erwärmt, an welchem Punkt die Federkraft der rautenförmigen Federabschnitte 28 ausreicht, um die erste Wand 52 von der zweiten Wand 54 zu spreizen, wodurch der Formschluss zwischen den Rippen 56 und den Rastungen 58 aufgehoben wird. Sobald das Ineinandergreifen der Rippen 56 und der Rastungen 58 aufgehoben ist, kann die erste Komponente 22 von der zweiten Komponente 24 entfernt werden und die Tasche 26 kehrt wie in 6D gezeigt zu der anfänglichen Form zurück.
Unter Bezug auf 7 und 8 wird eine erfindungsgemäßen Ausführungsform der lösbaren Verbindung 20 gezeigt. Die lösbare Verbindung 20 ist in 7 und 8 als Steckverbindung gezeigt. Die zweite Komponente 24 umfasst ein Unterteil 60 und eine Wand 62. Das Unterteil 60 und die Wand 62 legen zusammen die Tasche 26 fest. Im Einzelnen legen das Unterteil 60 und die Wand 62 eine halbkugelartige kuppelförmige Tasche 26 fest. Der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22, der in der Tasche 26 angeordnet ist, umfasst einen bauchigen Endabschnitt 28. Im Einzelnen umfasst der bauchige Endabschnitt 28 einen kugelförmigen Abschnitt 28.
Wie in 7 gezeigt umfasst die Wand 62 eine im Allgemeinen vertikale zylindrische Wand 62, die sich weg von dem Unterteil 60 nach oben erstreckt, wodurch sie im anfänglichen Zustand eine im Allgemeinen zylindrische Tasche 26 festlegt. Bei Umwandlung zu der in 8 gezeigten verbundenen Form, d.h. der temporären Form, rollen die distale Kante der zylindrischen Wand 62, d.h. die Kante am weitesten weg von dem Unterteil 60, nach innen hin zu einer Mitte der zylindrischen Wand 62, um die halbkugelartige kuppelförmige Tasche 26 festzulegen. Demgemäß ist die erste Komponente 22 in der Tasche 26 der zweiten Komponente 24 relativ zu der zweiten Komponente 24 beweglich. Es versteht sich, dass die Bewegung des kugelartigen Abschnitts 28 in der halbkugelartigen kuppelförmigen Tasche 26 eine organisierte, d.h. gewollte, Bewegung entlang einer Ebene oder Achse umfasst und eine geringfügige Bewegung, die durch übermäßigen Verschleiß der lösbaren Verbindung 20 und/oder unsachgemäßen Zusammenbau der lösbaren Verbindung 20 hervorgerufen wird, ausschließt. Im Einzelnen ist der kugelartige Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 in der halbkugelartigen kuppelförmigen Tasche 26 schwenkbar. Ferner ist ein Widerstand gegenüber der Bewegung der zweiten Komponente 24 relativ zu der ersten Komponente 22 verstellbar. Der Bewegungswiderstand kann zum Beispiel durch Verändern eines Spalts und/oder eines Anpressdrucks zwischen dem kugelartigen Abschnitt 28 und der halbkugelartigen kuppelförmigen Tasche 26 verstellt werden. Somit kann der Bewegungswiderstand verstellt werden, um Verschleiß der lösbaren Verbindung 20 im Lauf der Zeit durch Anpassen der Geometrie der lösbaren Verbindung 20, um den Spalt und/oder den Anpressdruck zu verändern, zu berücksichtigen.
Wenn die zylindrische Form der in 7 gezeigten Wand 62 die dauerhafte Form des SMP ist, dann kann die Wand 62 bei Erwärmen auf die Schalttemperatur bei Fehlen von externen Lasten und/oder Hindernissen zu ihrer anfänglichen Form, d.h. der zylindrischen Form, zurückgeführt werden, wo-durch der kugelartige Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 von der Tasche 26 der zweiten Komponente 24 gelöst wird.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer lösbaren Verbindung 20. Wie vorstehend beschrieben befindet sich die lösbare Verbindung 20 zwischen der ersten Komponente 22 und der zweiten Komponente 24, wobei die zweite Komponente 24 Formgedächtnispolymer umfasst und aus diesem hergestellt ist. Nachstehend werden Einzelheiten des SMP näher beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ausbilden der zweiten Komponente 24 zu einer anfänglichen Form, um eine Tasche 26 festzulegen. Die Tasche 26 kann eine beliebige geeignete Größe, Form und/oder Konfigurationen, wie etwa die rechteckförmige Tasche 26, die sich entlang der Längsachse erstreckt, oder die vorstehend beschriebene zylindrische Tasche 26, umfassen. Es versteht sich, dass die anfängliche Form der Tasche 26 nicht auf die hierin beschriebenen Taschen 26 beschränkt ist und andere anfängliche Formen umfassen kann.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Einführen des Abschnitts 28 der ersten Komponente 22 in die Tasche 26. Der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 wird in die Tasche 26 eingeführt, wenn sich die Tasche 26 in der anfänglichen Form der Tasche 26 befindet, d.h. die anfängliche Form der Tasche 26 lässt das Einführen des Abschnitts 28 dorthinein zu. Der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 kann eine beliebige geeignete Form, Größe und/oder Konfiguration umfassen, wie etwa den zylindrischen Abschnitt 28, den kugelartigen Abschnitt 28 oder den rautenförmigen Federabschnitt 28, die vorstehend näher beschrieben sind. Es versteht sich, dass der Abschnitt 28 der ersten Komponente 22 eine andere Form, Größe und/oder Konfiguration als hierin beschrieben umfassen kann.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Erwärmen der zweiten Komponente 24 auf oder über die Schalttemperatur. Im Einzelnen kann die zweite Komponente 24 auf die Ausbildungstemperatur erwärmt werden, um das Programmieren des SMP zu vereinfachen. Die Schalttemperatur ist die Temperatur, bei der das SMP in einen weichen, lederigen Zustand wechselt, wodurch eine Verformung des SMP ermöglicht wird. Demgemäß ist die zweite Komponente 24 bei oder oberhalb der Schalttemperatur verformbar. Weiterhin ist bei der Schalttemperatur die Steifigkeit der zweiten Komponente 24 geringer als die Steifigkeit der ersten Komponente 22, was sicherstellt, dass die Form der ersten Komponente 22 nicht geändert wird. Die zweite Komponente 24 kann in jeder geeigneten Weise erwärmt werden, einschließlich aber nicht ausschließlich Erwärmen mit Heißluft oder Erwärmen in einem Flüssigkeitsbad.
Wenn die verbundene Form gleich der temporären Form des SMP ist, dann umfasst das Verfahren weiterhin das Verformen der Tasche 26 zu der verbundenen Form, sobald die zweite Komponente 24 auf oder über die Schalttemperatur erwärmt wird. Wenn aber die verbundene Form gleich der dauerhaften Form des SMP ist, dann erfordert das Verformen der Tasche 26 zu der verbundenen Form einfach das Erwärmen des SMP der zweiten Komponente 24 auf die Ausbildungstemperatur bei Fehlen von externen Kräften und Hindernissen mit Ausnahme derer, die der ersten Komponente 22 und der zweiten Komponente 24, die verbunden werden, zugeordnet sind. Die Tasche 26 wird verformt, um die erste Komponente 22 zu greifen und die erste Komponente 22 relativ zu der zweiten Komponente 24 zu sichern. Das Verformen der Tasche 26 zu der verbundenen Form kann das Ausbilden der Tasche 26 von der anfänglichen Form zu einer beliebigen geeigneten verbundenen Form, etwa der zylindrischen Tasche 26 oder der halbkugelartigen kuppelförmigen Tasche 26, die vorstehend beschrieben wurden, umfassen. Es versteht sich, dass die Tasche 26 zu einer anderen verbundenen Form verformt werden kann, die hierin nicht gezeigt oder beschrieben ist. Das Verformen der Tasche 26 zu der verbundenen Form kann durch eine beliebige geeignete Weise verwirklicht werden, etwa durch Ausüben von Druck auf die Tasche 26 oder Ausbilden der verbundenen Form in einem Formwerkzeug. Insbesondere kann ein Spezialwerkzeug verwendet werden, um das SMP gleichzeitig zu erwärmen und zu formen, um die Tasche 26 festzulegen. Das Spezialwerkzeug ermöglicht das Formen des SMP zu einheitlichen temporären Formen. Vorzugsweise erwärmt das Spezialwerkzeug das SMP und übt eine Kraft auf das SMP aus, um das SMP im heißen Zustand an eine Vorlage oder ein Formwerkzeug anzupassen und das SMP in dieser Form zu halten, während das SMP abkühlt. Es versteht sich aber, dass das Spezialwerkzeug in einer anderen nicht hierin beschriebenen Weise wirken kann.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Kühlen der Tasche 26, während die verbundene Form der Tasche 26 beibehalten wird, bis die zweite Komponente 24 die verbundene Form selbständig beibehält. Die Tasche 26 wird auf unter die Schalttemperatur gekühlt und genauer gesagt wird die Tasche auf oder unter die Einstelltemperatur gekühlt. Wenn demgemäß Druck ausgeübt wird, um die anfängliche Form der Tasche 26 zu der verbundenen Form zu verformen, dann kann der Druck gehalten werden, bis das SMP-Material der zweiten Komponente 24 gekühlt wird. Sobald das SMP der zweiten Komponente 24 unter die Schalttemperatur abkühlt, hält die zweite Komponente 24 die verbundene Form bei und der Druck kann entfernt werden. Vorzugsweise lässt man das SMP der zweiten Komponente 24 aber auf eine Temperatur unter die Einstelltemperatur abkühlen, um einheitliche Eigenschaften der lösbaren Verbindung 20 sicherzustellen. Es versteht sich, dass die Form der verbundenen Tasche 26 in einer hierin nicht beschriebenen, anderen geeigneten Weise gehalten werden kann, während das SMP-Material der zweiten Komponente 24 abkühlt.
Wenn die anfängliche Form gleich der dauerhaften Form ist, dann kann die Tasche 26 der zweiten Komponente 24 aufgrund der inhärenten physikalischen Eigenschaften des SMP-Materials als Reaktion auf erneutes Erwärmen der zweiten Komponente 24 auf die Schalttemperatur ohne Anlegen von externen Kräften und/oder Hindernissen, die eine Formrückbildung verhindern können, von der verbundenen Form zu der anfänglichen Form zurückgeführt werden. Wenn alternativ die anfängliche Form gleich der temporären Form ist, dann kann die Tasche 26 der zweiten Komponente 24 als Reaktion auf das erneute Erwärmen der zweiten Komponente 24 auf die Ausbildungstemperatur, während eine Kraft angelegt wird, um das SMP der zweiten Komponente 24 zeitweilig zu verformen, um ein Lösen der lösbaren Verbindung 20 zuzulassen, von der verbundenen Form zu der anfänglichen Form zurückgebildet werden. Das Rückbilden der Tasche 26 zu der anfänglichen Form ermöglicht ein Lösen, d.h. Entfernen, der ersten Komponente 22 von der Tasche 26 der zweiten Komponente 24. Somit kann das Verfahren weiterhin erneutes Erwärmen der zweiten Komponente 24 umfassen, um die Tasche 26 der ersten Komponente 22 von der verbundenen Form zurück in die anfängliche Form umzuwandeln, um die lösbare Verbindung 20 zu trennen.
Das SMP der lösbaren Verbindung 20 sollte umfassen: 1) eine Verbindungstemperatur, die hinreichend höher als eine maximale Betriebstemperatur der lösbaren Verbindung 20 ist; 2) einen Speichermodul bei der Verbindungstemperatur, der hinreichend niedrig ist, um es mit minimaler Kraft elastisch verformen zu lassen; 3) eine hohe Bruchdehnung bei der Verbindungstemperatur, um das SMP signifikant verformen zu lassen, so dass ist komplexe Formen annehmen kann, die feste und stabile Verbindungsstellen erzeugen; und 4) ein finites gummiartiges Plateau (typischerweise > 5°C).
Formgedächtnispolymere sind Zusammensetzungen solcher Polymermoleküle, die eine wesentliche und reversible Änderung ihres Elastizitätsmoduls aufweisen, wenn ihre Temperatur über eine charakteristische Temperatur erhöht wird, die als die Schalttemperatur (Ts) bekannt ist. Manchmal wird das Mittel, durch das ein solcher Temperaturanstieg verwirklicht wird, als „Aktivierung“ des Formgedächtnismaterials bezeichnet. Wenn die Temperatur eines SMP auf über ihre Ts angehoben wird, sinkt sein Elastizitätsmodul häufig drastisch um einen Faktor von zehn oder hundert oder mehr. Eine Art von SMP ist eine Gruppe von halbkristallinen Copolymeren, die relative 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 Erweichungsphase niedrigerer Temperatur des Formgedächtnispolymers, und der Elastizitätsmodul des Copolymers sinkt abrupt ab, wenn die Temperatur des Materials aufgrund eines glasartigen oder gummiartigen Übergangs in die amorphe Phase über dessen Ts liegt. Es ist bekannt, dass es auch andere Arten von SMP, bei denen die Ts dem Schmelzen einer der Phasen des Polymers entspricht, gibt. Während sich die veranschaulichten Ausführungsformen dieser Beschreibung auf die vorstehend beschriebene Art von SMP konzentrieren, kann die Erfindung ohne allzu große Mühe auf andere Arten von SMP ausgeweitet werden.
Der zweiten Komponente 24 aus dem vorstehend beschriebenen SMP wird durch thermomechanische Bearbeitung bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts (Tm) des harten Segments eine dauerhafte Form verliehen. Anschließendes Kühlen auf eine Temperatur unterhalb von Ts ergibt ein steifes 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 weiches Polymer (z.B. E=4 MPa) vor, wodurch sich in diesem Beispiel eine zweihundertfache Verringerung des Elastizitätsmoduls ergibt. Wenn sich das Material in diesem Temperaturbereich oberhalb von Ts befindet, kann es mühelos zu anderen temporären Formen, d.h. der verbundenen Form, verformt werden. Die elastische Dehnung (oder der Streckbereich) eines typischen SMP in dessen erweichten Zustand beträgt etwa 100% bis etwa 300% ohne dauerhafte Verformung. Wenn das Polymer nicht degradiert wird (z.B. durch plastische Fließneigung, Erwärmen über seine Oxidationstemperatur hinaus, etc.), kann die ursprüngliche dauerhafte Form, d.h. die anfängliche Form, durch sein Einweichen bei einer Temperatur oberhalb der Ts der weichen Phase bei Fehlen von externen Lasten rückgebildet werden. Auf diese Weise können Dehnungen von bis zu 200% - 300% rückgebildet werden. Das SMP-Material hält bekanntermaßen ohne Verformung hunderten von Zyklen der Erwärmung mit Verformung, um eine temporäre Form, d.h. verbundene Form, einzunehmen, und/oder der Erwärmung, um die dauerhafte Form, d.h. die anfängliche Form, rückzubilden, stand.
Die lösbare Verbindung 20 dieser Erfindung nutzt eine geeignete Differenz zwischen dem niedrigeren Elastizitätsmodul des weichen Polymerzustands des SMP und dem höheren Modul des steiferen Polymerzustands, um zunächst eine weiche Verbindung zwischen der zweiten SMP-Komponente 24 und der ersten Komponente 22 herzustellen und dann eine starke Verbindung beizubehalten. Die erste Komponente 22 kann aus einem beliebigen Material mit einer geeigneten Steifigkeit bestehen, um den Verbindungsprozess zu verwirklichen. Die erste Komponente 22 kann in vielen Situationen eine Metallkomponente sein.
In dieser Beschreibung wurden vorstehend wichtige Wärmeverarbeitungseigenschaften geeigneter Formgedächtnispolymere beschrieben. Solche SMP-Materialien können auch anderweitig als thermoplastische Polymere, wärmehärtbare Polymere oder thermoplastische oder wärmehärtbare Polymere mit interpenetrierenden Netzwerken, semi-interpenetrierenden Netzwerken oder Mischnetzwerken charakterisiert sein. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte polymere Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Formgedächtnismaterialien sind durch das Vorhandensein von zwei Phasen, einer amorphen oder glasigen Phase (bzw. Segment) und einer halbkristallinen oder kristallinen Phase (bzw. Segment), charakterisiert. SMP werden aus geeigneten Zusammensetzungen von Urethancopolymeren, Urethan-Diol-Copolymeren, Epoxy-Cyanat-Copolymeren und vielen anderen Copolymerzusammensetzungen gebildet. SMP-Materialien sind für viele Anwendungen verfügbar. Deren Gebrauch bei den Methoden dieser Erfindung beruht weitgehend darauf, dass sie für die Umwandlung zwischen der verbundenen Form und der anfänglichen Form geeignet verformbar sind und dass das SMP bei der Sollbetriebstemperatur der angebrachten Komponenten geeignet stabil ist.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, interpenetrierende Netzwerke, semi-interpenetrierende Netzwerke oder Mischnetzwerke. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt:

Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäure(n), Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere derselben. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Plybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele für andere geeignete Polymere umfassen Polystyrene, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether) Ethylen-Vinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Propfcopolymer), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, polyedrisches oligomeres Polynorbornyl-Silsesquioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymere und dergleichen.

Gemäß dieser Erfindung ist bevorzugt, dass die Ts der zweiten SMP-Komponente 24 für einen Verbindungsvorgang erreichbar ist und oberhalb der erwarteten Betriebstemperatur der verbundenen Komponenten liegt. Die Differenz des Elastizitätsmoduls der nicht aktivierten zweiten SMP-Komponente 24, E_inaktiv, und des Moduls der aktivierten zweiten SMP-Komponente 24, E_aktiv, ist bei diesem Verbindungsprozess wichtig. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis E_inaktiv / E_aktiv für ein einfaches und effektives Verlagern des Formgedächtnismaterials für den Ausbildungsprozess angemessen hoch ist, während die hohe Festigkeit der ausgebildeten Verbindung beibehalten wird. Ein Verhältnis von mindestens 10 ist geeignet, während ein Verhältnis von 50 bis etwa 200 bevorzugt ist.
Die für eine Rückbildung der dauerhaften Form erforderliche Temperatur kann für gewöhnlich bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa -63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt werden. Das Entwickeln der Zusammensetzung und der Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine erwünschte Anwendung berücksichtigen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formrückbildung ist größer als etwa 120°C.
Ein sehr häufiger Aktivator von SMP-Komponenten ist Wärme. Abhängig von dem spezifischen SMP-Material kann aber eine Komponente zum Verbinden mittels beispielsweise Strom, Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung geeigneter Frequenz, Druck, Vibration, pH-Änderung und/oder Änderung des Anteils eines Weichmachers, z.B. Feuchtigkeit, aktiviert werden.

Claims

Lösbare Verbindung (20), umfassend: eine erste Komponente (22); und eine zweite Komponente (24), die eine Tasche (26) festlegt, wobei die zweite Komponente (24) aus einem Formgedächtnispolymer hergestellt ist, das bei einer Schalttemperatur eine Steifigkeit aufweist, die geringer ist als eine Steifigkeit der ersten Komponente (22) bei oder oberhalb der Schalttemperatu r; wobei die Tasche (26) als Reaktion auf ein Erwärmen auf die Schalttemperatur zwischen einer anfänglichen Form und einer verbundenen Form umwandelbar ist, wobei die verbundene Form ausgebildet ist, um einen Abschnitt (28) der ersten Komponente (22) in der Tasche (26) beweglich zu sichern, wohingegen die anfängliche Form ausgebildet ist, um den Abschnitt (28) aus der Tasche (26) zu lösen; wobei die zweite Komponente (24) eine Basis (60) und eine Wand (62) umfasst und wobei die Tasche (26) eine halbkugelartige Kuppel umfasst, die durch die Basis (60) und die Wand (62) festgelegt ist.
Lösbare Verbindung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt (28) der ersten Komponente (22) einen bauchigen Endabschnitt umfasst.