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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Zusammenfügen von Werkstücken und insbesondere ein adaptives Verfahren zum Verwenden einer Aktivierung eines Formgedächtnispolymers, um zusammengefügte Werkstücke auszurichten und zu halten.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Bei der Herstellungs- und Industrietechnik ist eine korrekte Ausrichtung von Werkstücken zunehmend auf programmierbare Robotertechnik und komplexe Ausrichtungsbefestigungen angewiesen, um die notwendige Präzision zu erreichen. Während beispielsweise ein herkömmliches Schweißen von Werkstücken die Bildung einer präzisen Nahtschweißung und Punktschweißung erfordert, um das gewünschte strukturelle Leistungsverhalten und die gewünschte Ästhetik sicherzustellen, umfasst ein Erfordernis seit langem, ein beeinflussbares Werkstück innerhalb einer engen Toleranz zu positionieren, bevor es an einem stationären Werkstück befestigt wird. Solche Toleranzen machen es jedoch schwierig, dass Werkstück korrekt zu positionieren, und sie führen oft zu einer Fehlausrichtung und/oder fehlerhaften mechanischen Bindung, was ferner zu einer Ausfallzeit, einer Beschädigung an den Werkstücken und/oder an der Infrastruktur führt und auch Kosten nach sich zieht. Darüber hinaus umfassen herkömmliche Montagesysteme typischerweise Ausrichtungssysteme mit einer Größe, die für alles passen soll, welche sich nicht an die Abmessungsschwankungen von Werkstück zu Werkstück anpassen, was weiter zu einer Fehlausrichtung und einer fehlerhaften Bindung führen kann, sogar dann, wenn eine Roboterpräzision verwendet wird.
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KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Ansprechen auf diese und andere Probleme umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verwendung einer Aktivierung eines Formgedächtnispolymers (SMP), um zusammengefügte Werkstücke auszurichten und zu halten. Die Erfindung ist verwendbar, um die Ausrichtung und die anschließende Halterung eines Teils zu vereinfachen, wodurch die Anforderungen an die Infrastruktur stark verringert werden, wie beispielsweise bezüglich komplexer Ausrichtungsbefestigungen. Die Erfindung ist ferner verwendbar, um Schwankungen in den Abmessungen der Teile zu berücksichtigen, während auf die Festigkeit der endgültigen Befestigung nicht verzichtet wird, insbesondere bezüglich einer Ablösung durch Scherung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstausrichtend und kann eine ziemlich schlechte anfängliche Ausrichtung tolerieren. Indem ein weiches Polymermaterial während des anfänglichen Kontakts und einer erneuten Positionierung verwendet wird, wird ebenfalls eine Beschädigung der Oberflächen der Werkstücke verringert. Die Erfindung verwendet die Fähigkeiten eines Formgedächtnispolymers, vorübergehend große Dehnungen in dessen Zustand mit niedrigem Modul zu durchlaufen und dessen ursprüngliche Form wiederherzustellen, was viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Aktuatoren bietet, die beispielsweise weniger sich bewegende Teile, einen geringeren Energieverbrauch und ein verringertes Rauschen (sowohl akustisch als auch bezüglich EMF) umfassen. Schließlich sorgt der Zustand mit hoher Steifigkeit bei niedriger Temperatur des Formgedächtnispolymers für eine Halterung der Werkstücke in Querrichtung mit hoher Steifigkeit, sobald sie ausgerichtet sind. Folglich ist kein Kompromiss zwischen der Anpassung und der Festigkeit während der Montage erforderlich.
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Im Allgemeinen sieht die Erfindung ein Verfahren zum adaptiven Zusammenfügen eines ersten und eines zweiten Werkstücks unter Verwendung einer Aktivierung eines Formgedächtnispolymers vor, um eine Ausrichtung oder eine Ausrichtung plus Halterung zu erleichtern. Die Werkstücke zeigen zumindest eine Noppe und definieren zumindest ein Behältnis, das ausgebildet ist, um die Noppe während des Zusammenfügens aufzunehmen, wobei die Noppe und/oder das Behältnis ein Formgedächtnispolymer mit geeigneter Form, Größe und Morphologie umfassen, um die beabsichtigte Funktion der Erfindung zu bewirken. Das Verfahren umfasst, dass eine Normallast auf die Werkstücke ausgeübt wird, um dadurch zu bewirken, dass die Noppe mit dem Behältnis im Wesentlichen in Eingriff gelangt, und dass das Polymer aktiviert wird, indem die Noppe und/oder das Behältnis einem geeigneten Aktivierungssignal ausgesetzt werden. Infolge der Aktivierung des Polymers wird bewirkt, dass die Noppe weiter mit dem Behältnis in Eingriff gelangt. Als Nächstes wird das Polymer deaktiviert, indem das Polymer gegenüber dem Signal verdeckt wird, und die Werkstücke werden infolgedessen weiter ausgerichtet.
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Andere Aspekte der Offenbarung, einschließlich der Verwendung einer Aktivierung eines Formgedächtnispolymers zur Halterung der Werkstücke, sobald diese ausgerichtet sind, können leichter durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung der verschiedenen Merkmale der Offenbarung und der darin eingebundenen Beispiele verstanden werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren mit beispielhafter Skalierung im Detail beschrieben, wobei:
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1a eine Seitenansicht eines freien Werkstücks gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welches Noppen auf einem Formgedächtnispolymer aufweist und mit einem feststehenden Werkstück in Eingriff gelangt, das Behältnisse definiert, wobei die Werkstücke fehlausgerichtet wurden, sowie eine vergrößerte Ansicht mit Beschriftung für die Kräfte, die auf die Noppen infolge der Fehlausrichtung wirken;
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1b eine Seitenansicht der Werkstücke ist, die in 1a gezeigt sind, wobei die SMP-Noppen aktiviert und unter der Last verformt wurden, sowie eine vergrößerte Ansicht mit Beschriftung für die Kräfte, die auf die Noppen in diesem Zustand wirken;
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1c eine Seitenansicht der Werkstücke ist, die in 1a–b gezeigt sind, wobei die Werkstücke infolge der quer verlaufenden und dadurch ausrichtenden Komponente des Kraftvektors neu positioniert wurden, der auf diese infolge der Verformung des SMP wirkt, so dass die Noppen in den Behältnissen aufgenommen werden und ihnen ermöglicht wird, ihre Form wiederzugewinnen;
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2 eine Seitenansicht eines Werkstücks, das eine kegelförmige Noppe aufweist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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3 eine Seitenansicht eines Werkstücks, das eine abgeschrägte Noppe aufweist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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4 eine Seitenansicht eines Werkstücks, das eine abgeschrägte Hülse aus einem Formgedächtnispolymer umfasst, die ein Behältnis definiert, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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5a eine Perspektivansicht eines Werkstücks, das eine erste und eine zweite Noppe aus einem Formgedächtnispolymer in einer ersten geometrischen Form umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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5b eine Perspektivansicht des in 5a gezeigten Werkstücks ist, wobei die Noppen aktiviert und umgeformt wurden und ihnen ermöglicht wurde, durch Kühlen vor der Montage deaktiviert zu werden;
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5c eine Perspektivansicht eines zweiten Werkstücks ist, das Behältnisse definiert, die zu der ersten Form passen, die in 5a gezeigt ist, und das in den Behältnissen zumindest einen Abschnitt der umgeformten, in
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5b gezeigten Noppen aufnimmt, obwohl es mit diesen fehlausgerichtet ist; und
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5d eine Perspektivansicht der in 5a–c gezeigten Werkstücke ist, wobei die Noppen vollständig in die Behältnisse eingefügt wurden und bewirkt wurde, dass diese zu ihrer ersten Form zurückgekehrt sind, um dadurch eine Ausrichtung und Halterung der Werkstücke zu unterstützen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1–5d offenbart die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Ausrichten und Befestigen von Werkstücken 10a, b, die ein Formgedächtnispolymer (SMP) oder eine äquivalente, intelligente Materialaktivierung mit der gleichen Wirkung verwenden. Spezieller schafft die Erfindung ein Verfahren zum Verwenden einer oder mehrerer Noppen 12 (z. B. Vorsprünge, Zinken, Streben, Träger usw.) und/oder von Behältnissen oder Löchern 14, die ein Formgedächtnispolymer umfassen und durch dieses definiert sind, um eine Ausrichtung zu erleichtern und ferner bei einer bevorzugten Ausführungsform die Werkstücke in einem korrekt ausgerichteten Zustand (1c und 5d) zu halten. Die Erfindung kann überall dort verwendet werden, wo Werkstücke (d. h. Teile, Körper, Unterbaugruppen usw.) gemäß einer speziellen zusammenhängenden Ausrichtung zusammengefügt werden sollen, wie beispielsweise bei einer Kraftfahrzeugeinrichtung, um einen Montageprozess für eine Tür oder einen Kotflügel zu verbessern und zu straffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von zwei unterschiedlichen Klassen von Ausführungsformen beschrieben und dargestellt: einer ersten, bei der ein Zustand des SMP mit niedrigerem Modul eine Ausrichtung ermöglicht, gefolgt von einem Zustand mit höherem Modul nach der Ausrichtung, um einen Halt in einer Querposition mit hoher Steifigkeit ohne Spiel in Querrichtung (d. h. ohne ”Wackeln”) zu liefern; und einer zweiten, bei der die Fähigkeit zum Einstellen der Form des SMP die Erzeugung und Einstellung einer selbstausrichtenden Geometrie vor der Montage ermöglicht, wodurch eine eindeutige Ausrichtung oder ein enger Eingriff geschaffen wird, indem der Formgedächtniseffekt in dem Zustand mit niedrigem Modul nach der Ausrichtung ausgelöst wird und anschließend ein Halt in einer Querposition mit hoher Steifigkeit geschaffen wird, indem in den Zustand mit hohem Modul umgeschaltet wird. Es ist jedoch beabsichtigt, dass die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen nur beispielhafter Natur ist und in keiner Weise auf die offenbarten Ausbildungen, die offenbarte Anwendungsmöglichkeit und die offenbarten Verwendungszwecke eingeschränkt ist.
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Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck ”aktives Material” gemäß seiner herkömmlichen Bedeutung verwendet werden, wie sie von Fachleuten verstanden wird, und der Ausdruck umfasst ein beliebiges Material oder eine beliebige Zusammensetzung, das bzw. die eine reversible Änderung in einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsisch physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es bzw. sie einer äußeren Signalquelle ausgesetzt wird. Somit sollen aktive Materialien diejenigen Zusammensetzungen umfassen, die eine Änderung in Steifigkeitseigenschaften, der Form und/oder den Abmessungen in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zeigen können. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist ein Formgedächtnispolymer speziell für eine Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet.
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Formgedächtnispolymere (SMPs) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Polymermaterialien, welche die Fähigkeit zeigen, zu einer zuvor definierten Form zurückzukehren, wenn sie einer geeigneten Anregung ausgesetzt werden. Thermisch aktivierte Formgedächtnispolymere sind Polymere, deren Elastizitätsmodul sich über einen engen Übergangstemperaturbereich, z. B. 0 bis 150°C, wesentlich ändert (üblicherweise um eine bis drei Größenordnungen), was von der Zusammensetzung des Polymers abhängt, und die ein begrenztes gummiartiges Plateau bei dem elastischen Ansprechen bei Temperaturen oberhalb des Übergangsbereichs zeigen, in dem der Modul ziemlich konstant bleibt.
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Zusätzlich zu dem Elastizitätsmodul zeigen auch Eigenschaften wie etwa die Durchlässigkeit für Feuchtigkeit und der Brechungsindex über den Übergangstemperaturbereich eine signifikante Änderung. Formgedächtnispolymere, die durch andere Anregungen aktiviert werden, wie beispielsweise durch Licht und Feuchtigkeit, zeigen ein ähnliches Verhalten, wobei die Änderung in den Eigenschaften über einen Bereich von begrenzt separierten diskreten Werten der speziellen Anregung erfolgt oder diesem entspricht. Diese Eigenschaften sind die Folge der Morphologie des Polymers, das Ketten von Atomen enthält, die durch zwei Typen von Vernetzungen verbunden sind: einen irreversiblen und einen reversiblen. Der letztere kann durch Zuführen von ausreichender thermischer Energie aufgebrochen werden, mit welcher die Temperatur des Polymers über den Übergangsbereich der thermisch aktivierten SMPs erhöht wird. In diesem Zustand werden die Ketten in dem Polymer nur durch die irreversiblen Vernetzungen zusammengehalten. Daher ist der Elastizitätsmodul des Polymers niedrig, und das Material kann bis zu hohen Dehnungen gestreckt werden (z. B. bis zu 300%). Aufgrund einer Verringerung bei den Vernetzungen können sich die Polymerketten relativ zueinander um signifikante Distanzen bewegen, um große Dehnungen aufzunehmen, ohne dass ein Bruch der reversiblen Vernetzungen verursacht wird, und folglich ohne plastischen Bruch. Wenn diese Verformung aufrecht erhalten wird, während das Polymer bis zu einer Temperatur unterhalb des Übergangsbereichs abgekühlt wird, werden reversible Vernetzungen zwischen den Polymerketten in deren neuen Positionen gebildet. Die erhöhte Dichte der Vernetzungen schränkt die relativen Bewegungen der Polymerketten ein und erhöht daher die Steifigkeit des Materials. Die neu gebildeten reversiblen Vernetzungen dienen dazu, die Verformung beizubehalten, die dem Polymer oberhalb des Übergangsbereichs mitgegeben wurde.
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Experimente haben gezeigt, dass das Polymer die verformte Gestalt für eine ausgedehnte Zeitdauer beibehalten kann (z. B. bis zu 6 Monate lang), solange es innerhalb der Elastizitätsgrenze des Polymers unterhalb des Übergangsbereichs belastet wird und die Materialtemperatur nicht in oder über den Übergangsbereich ansteigt. Das anschließende Aufheizen des Polymers über den Übergangsbereich hinaus bewirkt, dass die reversiblen Vernetzungen aufbrechen und dass es dann, wenn das Material frei von äußeren Lasten ist, die zuvor herbeigeführte Verformung oberhalb des Übergangsbereichs wiederherstellt. Die Wiederherstellung der Dehnung ist oft nahezu vollständig (z. B. 98% oder mehr). Daher können SMPs vorübergehende Formen verliehen werden, indem diese oberhalb des Übergangsbereichs verformt und unter den Übergangsbereich abgekühlt werden. Die ursprüngliche Form kann auf einfache Weise wiederhergestellt werden, indem das Polymer in Abwesenheit von äußeren Lasten über den Übergangsbereich aufgeheizt wird.
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In Abhängigkeit von der Natur der Polymermorphologie kann eine breite Vielzahl von SMPs gebildet werden. Eine Möglichkeit zum Klassifizieren von SMPs basiert auf der Natur der Vernetzungen. Die irreversiblen Vernetzungen in duroplastischen SMPs werden durch kovalente Bindungen gebildet. Thermoplastische SMPs weisen keine echten irreversiblen Vernetzungen auf. Sie weisen zwei oder mehr Typen von reversiblen Vernetzungen auf, die über begrenzt separierte Temperaturbereiche gebildet und aufgebrochen werden. Ein beliebiger der Temperaturbereiche, über den sich das Polymer auf die Weise verhält, die vorstehend beschrieben ist, kann als ein Übergangsbereich für das Material behandelt werden. Typischerweise wird der niedrigste Temperaturbereich, der in den Bereich mit normalen Betriebsbedingungen für das Material fällt, als der Übergangsbereich verwendet. Wenn das Material über den Übergangsbereich aufgeheizt wird, werden nur diejenigen Vernetzungen aufgebrochen, die diesem Bereich und allen niedrigeren Bereichen entsprechen. Die Vernetzungen, die bei höheren Temperaturen aufbrechen und gebildet werden, werden nicht beeinflusst und spielen bei dieser Klasse des SMP die Rolle von irreversiblen Vernetzungen.
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Reversible Vernetzungen sind sekundäre Bindungen, die aus Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen und van-der-Waals-Kräften bestehen, welche bewirken können, dass lineare Kettenmoleküle kristallisieren, insbesondere solche mit derselben Taktilität und vernachlässigbaren anhängenden Gruppen. Irreversible Vernetzungen erzeugen eine Verwicklung und kovalente Vernetzungen, und sie können für einige photoaktivierte SMPs reversibel sein. Die Basis kann ein Thermoplast sein (d. h. ein hauptsächlich eindimensionales kovalentes Netz aus linearen Molekülen). Die Verbindungen in der Basis sind keine Vernetzungen, sondern stattdessen Verbindungen zwischen nicht benachbarten Atomen in der Kette. Somit wird anstelle eines eindimensionalen Netzes ein Netz ohne Quervernetzungen gebildet, das aufgrund der eindimensionalen Natur leicht fließt, wenn es über eine Erweichungstemperatur erhitzt wird, wodurch ein relatives Gleiten zwischen Kettensegmenten der Basis gefördert wird. Somit kann das Polymer leicht umgeformt werden, indem es über eine Erweichungstemperatur erhitzt wird.
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Bei duroplastischen SMPs stellt ein dreidimensionales kovalentes Netz ein Netz mit Quervernetzungen dar, das nicht fließt, wenn es erhitzt wird. Stattdessen verbrennt oder verkohlt es oberhalb einer charakteristischen Temperatur, da das dreidimensionale kovalente Netz die Bewegung der Kettensegmente der Basis einschränkt. Somit werden bessere strukturelle Eigenschaften sowie eine bessere Wärmebeständigkeit und chemische Beständigkeit geschaffen. Bei thermoplastischen SMPs wird die ursprüngliche/dauerhafte Form durch die physikalischen Vernetzungen festgelegt, die durch das harte Segment erzeugt werden; im Gegensatz dazu gibt es bei duroplastischen SMPs möglicherweise kein hartes Segment. Die dauerhafte Form wird festgelegt, indem kovalente Vernetzungen zwischen den (weichen) Segmenten gebildet werden.
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Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalide, Polyester, Polylactide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere von diesen, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele anderer geeigneter Polymere umfassen Polystyren, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriniertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolacton-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, Poly(norbornyl- polyhedrisches oligomeres Silsequioxan), Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockpolymere, Styren-Butadien-Styren-Blockcopolymere und dergleichen.
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Folglich ist es für die Zwecke dieser Erfindung einzusehen, dass SMPs einen dramatischen Abfall im Modul zeigen, wenn sie über die Glasübergangstemperatur ihres Bestandteils erhitzt werden, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist. Während SMPs auf verschiedene Weise in Block-, Scheiben-, Platten- Gitter-, Gerüst-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden können, erfordern sie, dass ihre Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur ihres Bestandteils liegt, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist, d. h. eine kontinuierliche Leistungszufuhr in einer Umgebung bei niedriger Temperatur, um in ihrem Zustand mit niedrigerem Modul zu bleiben.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 1a–c schafft eine erste Ausführungsform oder Klasse der Erfindung ein Verfahren zum adaptiven Zusammenfügen eines ersten und eines zweiten Werkstücks 10a, b unter Verwendung der Modulwechselfähigkeit eines Formgedächtnispolymers, um die Ausrichtung oder die Ausrichtung plus Halterung zu erleichtern. Bei dieser Ausbildung zeigen die Werkstücke 10a, b zumindest eine und bevorzugter mehrere Noppen 12 und Behältnisse 14, die ausgebildet sind, um die Noppen 12 während des Zusammenfügens aufzunehmen. Die Noppen 12 und/oder die Behältnisse 14 sind aus einem Formgedächtnispolymer 16 gebildet und durch dieses definiert, das eine erinnerte Form und eine Glasübergangstemperatur oberhalb der normalen Betriebstemperatur (z. B. der Umgebungstemperatur) aufweist. Die Noppen 12 und/oder die Behältnisse 14 werden nämlich vorzugsweise vor der Verwendung in einem deaktivierten Zustand gehalten. Sie können einstückig aus dem SMP 16 oder aus einer Mischung von aktiven und nicht aktiven Komponenten gebildet sein. Bezüglich des Behältnisses 14 ist einzusehen, dass das Werkstück 10 das SMP benachbart zum Hohlraum umfasst oder mit der Außenfläche, die durch dieses definiert ist, in eingebundener Form gekoppelt ist.
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Bei einer ersten Ausbildung umfasst das Werkstück 10 eine Hülse 18 (4), die aus dem SMP 16 gebildet ist, und die Hülse 18 definiert das Behältnis 14. Die Noppe 12 und/oder die Hülse 18 können aus einer SMP-Mischung oder -Zusammensetzung gebildet sein, wobei das SMP eine Matrix oder das Füllstoffmaterial für eine nicht aktive Matrix darstellt. Die Noppe 12 und/oder die Hülse 18 können aus einer Zusammensetzung gebildet sein, die aus einer SMP-Matrix und Füllstoffen mit Kohlenstoff-Nanofasern oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNF-/CNT-Füllstoffen) besteht. Es ist einzusehen, dass die CNF-/CNT-Füllstoffe für infrarote Strahlung aufnahmefähig sind und die Strahlung absorbieren und als Wärmeenergie dissipieren können. Schließlich ist einzusehen, dass die Noppe 12 und/oder die Hülse 18 aus einer Mischung von mehreren Formgedächtnispolymeren 16 mit unterschiedlichen Glasübergangsbereichen, erinnerten Formen und/oder Typen von Aktivierungssignalen bestehen können, um Flexibilität bereitzustellen.
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Die Noppen 12 und die Behältnisse 14 können eine beliebige Querschnittsform zeigen (z. B. kreisförmig, rechteckig usw.), vorausgesetzt, dass sie kongruente Durchmesser/Breiten zeigen und zusammenwirkend ausgebildet sind, um ein Kippen zu ermöglichen, wie nachstehend weiter beschrieben wird. Spezieller ist einzusehen, dass die Noppe 12 einen leicht kleineren Durchmesser (z. B. 0,5–1%) zeigt als das Behältnis 14, um dadurch den Eintritt zu ermöglichen, aber das Spiel in Querrichtung zu minimieren, wenn sie eingefügt wird. Wenn sie vollständig zusammengefügt sind, sind die bevorzugte Noppe 12 und das bevorzugte Behältnis 14 zusammenwirkend derart ausgebildet, dass die benachbarten Oberflächen 20a, b, die durch die Werkstücke 10a, b definiert sind, übereinanderliegende Schichten bilden (1c).
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Im Betrieb erfolgt die Handhabung des freien Werkstücks 10a derart, dass es auf eine Weise benachbart zu dem feststehenden Werkstück 10b positioniert wird, welche bewirkt, dass die Noppe(n) 12 in das Behältnis bzw. die Behältnisse 14 eintritt bzw. eintreten. Ein Normalenvektor W der Last wird anschließend angewendet, der bewirkt, dass die Werkstücke 10a, b mittels der Noppen 12 gegeneinander gelagert sind (1a). Die Last kann das Gewicht des freien Werkstücks 10a, eine äußere Last, wie beispielsweise eine Klemmkraft, oder das Gewicht plus eine Klemmkraft usw. sein. Wenn das Gewicht des Werkstücks 10a verwendet wird, ist einzusehen, dass die Last passiv ausgeübt wird. Bevorzugter wird die Last dann, wenn sie eine äußere Last ist, durch einen rollenden Eingriff ausgeübt, um dadurch eine Verschiebung und Ausrichtung in Querrichtung zu erleichtern. Es ist beispielsweise einzusehen, dass eine oder mehrere Rollen oder Kugellager 22 verwendet werden können, um die Last auszuüben (1a–c).
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Somit wird anfänglich bewirkt, dass die Noppe 12 im Wesentlichen mit dem Behältnis 14 in Eingriff steht, wobei der Ausdruck ”im Wesentlichen in Eingriff stehen” bedeutet, dass die Noppe 12 physikalisch derart positioniert wird, dass sich zumindest ein Abschnitt von dieser in dem Hohlraum oder benachbart zu diesem befindet und der Schwerpunkt der Noppe 12 innerhalb der vertikalen Grenzen des Behältnisses 14 liegt. Es ist einzusehen, das die inkompressible Natur der Noppe 12 in diesem Zustand einen resultierenden Normalenvektor R parallel zu dem Lastvektor W erzeugt, der zu dem Moment an der in Eingriff stehenden Kante des Behältnisses 14 (1a) hinzugefügt wird. Eine Fehlausrichtung von m erzeugt ein Netto-Kippmoment von M = W(d – m)/2, wobei W die Kraft ist, welche die Werkstücke 10a, b zusammendrückt, und d der Durchmesser/die Breite des Behältnisses 14 ist. Es ist einzusehen, dass das Moment bei einer Ausbildung mit einzelnen Noppen derart wirkt, dass das freie Werkstück 10a relativ zu dem feststehenden Werkstück 10b gekippt wird und dass in dem gekippten Zustand die Distanz zwischen einem abgewinkelten R und der Momentenachse verringert ist (1b). Infolgedessen werden die effektive Fehlausrichtung und das Moment gleichermaßen verringert, und es wird eine Vektorkomponente Rx in Querrichtung erzeugt, welche die Noppe 12 in das Behältnis 14 treibt. Um die Erzeugung eines abgewinkelten R zu erleichtern, können die Noppe 12 und/oder das Behältnis 14 kegelförmig (2) oder abgeschrägt (3 und 4) sein.
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Wenn Noppen 12 und Behältnisse 14 im Wesentlichen in Eingriff stehen, aber fehlausgerichtet sind, so dass ein Abschnitt jeder Noppe 12 über der Außenfläche 20b sitzt, die durch das feststehende Werkstück 10b (1a, b) definiert ist, werden die das SMP umfassende Noppe 12 und/oder das das SMP umfassende Behältnis 14 aktiviert, um einen Zustand mit niedrigerem Modul zu erreichen. In dem Zustand mit niedrigerem Modul können die Noppen 12 und/oder die Behältnisse 14 unter der Last gebogen/verformt werden, wodurch ein abgewinkeltes R erzeugt wird, ohne dass das Werkstück 10a gekippt wird. Wenn die Kompression unter der Last voranschreitet, wird ein zunehmend abgewinkeltes R erhalten, das einen weiteren Eingriff bewirkt, bis die Noppe 12 vollständig in ihr entsprechendes Behältnis 14 eintritt und mit diesem ausgerichtet wird (d. h. positioniert wird). Es ist einzusehen, dass die Erfindung bei dieser Maßnahme derart wirkt, dass die potentielle Energie in der Baugruppe verringert wird. Sobald sich die Noppen 12 in den Behältnissen 14 befinden, können die verformten Noppen 12 und/oder Behältnisse 14 ihre Form elastisch wiederherstellen, während sich das Polymer 16 weiterhin in seinem Zustand mit niedrigem Modul befindet. Folglich müssen die erwartete Belastung und die Kompressionsstärke des aktivierten SMP 16 zusammenwirkend ermittelt werden. Die Noppen 12 und/oder die Behältnisse 14 werden anschließend deaktiviert, wodurch ermöglicht wird, dass das SMP 16 seine Steifigkeit bei hohem Modul wiedererlangt, wobei es als ein Halt in Querrichtung dient, der die zwei Werkstücke 10a, b miteinander verriegelt.
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Die Aktivierung wird erreicht, indem das Polymer 16 einem Signal ausreichender Größe und Dauer ausgesetzt wird, um die Ausführung der zuvor erwähnten Schritte zu ermöglichen. Obwohl diese hierin unter Bezugnahme auf ein thermisch aktiviertes SMP beschrieben sind, liegt es innerhalb des Umfangs der Erfindung, ein Formgedächtnispolymer 16 zu verwenden, das auf andere Typen von Signalen anspricht, wie beispielsweise auf Feuchtigkeit (z. B. Wasser), ultraviolette Strahlung und Radiofrequenzsignale. Das SMP 16 kann dem Signal passiv ausgesetzt werden, wobei das Signal ein Nebenprodukt eines äußeren Prozesses ist (z. B. Wärmeenergie, die während eines Härtungsprozesses im Ofen erzeugt wird oder währenddessen gespeichert wird) oder durch eine sequentielle Feldaktivierung auf Anforderung übertragen wird. Beispielsweise ist einzusehen, dass ein durch Feuchtigkeit aktiviertes SMP dazu gebracht werden kann, eine Waschung eines Rohlings zu durchlaufen, dass ein UV-aktiviertes SMP einer künstlichen Beleuchtung ausgesetzt werden kann und dass ein RF-aktiviertes SMP einer Ausrüstung mit geeigneter Abstrahlung, wie beispielsweise Schweißpistolen usw., ausgesetzt werden kann.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet das Verfahren die Formgedächtnisfähigkeit des SMP, um eine Ausrichtung oder Ausrichtung plus Halterung zu erleichtern Bei dieser Ausbildung zeigt die Noppe 12 oder das Behältnis 14 eine erste Form in Querrichtung, und sie bzw. es wird durch eine Aktivierung dazu gebracht, eine zweite, zuvor erinnerte Form in Querrichtung zu erreichen. In der ersten Form in Querrichtung wird die Ausrichtung erleichtert, so dass die erforderliche Präzision während der anfänglichen Positionierung verringert wird. Indem die Noppe 12 oder das Behältnis 14 dazu gebracht wird, die zweite Form anzunehmen, wenn sie im Wesentlichen miteinander in Eingriff stehen, wird das freie Werkstück 10a dazu gebracht, sich in Querrichtung zu verschieben und/oder in einem in Querrichtung fixierten Zustand relativ zu dem feststehenden Werkstück 10b gehalten zu werden.
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Als Beispiel und wie es in 5a–d gezeigt ist, kann das feststehende Werkstück 10b eine erste und eine zweite Noppe 12 zeigen, die ein SMP 16 umfassen, das eine Glasübergangstemperatur größer als die Umgebungstemperatur aufweist und anfänglich erinnerte (z. B. zylindrische) Formen (5a) zeigt. Die Noppen 12 werden zu einer zweiten (z. B. konischen) Form vorgeformt, indem die Noppen 12 über ihren Übergangstemperaturbereich hinaus aufgeheizt werden, indem sie inelastisch geformt werden und indem ermöglicht wird, dass sie abkühlen, um dadurch zu versteifen und die erreichte Form beizubehalten (5b). Es ist einzusehen, dass eine geheizte Presse für diese Aufgabe eingesetzt werden kann. Ein freies Werkstück 10a, das ein erstes und ein zweites Behältnis 14 definiert, kann anschließend an der Oberseite des feststehenden Werkstücks 10b positioniert werden. Die Behältnisse 14 sind geometrisch derart ausgebildet, dass sie in ihren anfänglichen Formen einen engen Eingriff mit den Noppen 12 bilden, wenn diese darin eingefügt werden. In der zweiten oder erreichten Form ist zumindest ein Abschnitt der Noppen 12 leicht in das Behältnis 14 einfügbar (5c). Die erreichte Form der Noppen 12 wird bevorzugter weiter ausgebildet, um eine Ausrichtung während des Einfügens bewirken. Bei der dargestellten Ausführungsform bewirken beispielsweise die kegelförmigen Wände der konischen Form eine Verschiebung des Werkstücks in Querrichtung, die zu der Tiefe des Einfügens linear proportional ist, wenn die Noppe 12 mit dem Umfang des Behältnisses 14 in Eingriff gelangt.
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Sobald die Noppe 12 bis zu einer minimalen Tiefe h in das Behältnis 14 eingefügt ist, wird die Noppe 12 aktiviert, um dadurch zu bewirken, dass sie zurück in ihre anfänglich erinnerte Form umgewandelt wird. Bevorzugter ist h gleich der vollen Höhe der Noppe 12, so dass die Werkstückoberflächen 20a, b dazu gebracht werden, übereinanderliegende Schichten zu bilden (5d). Indem sie zurück in ihre erinnerte Form umgewandelt werden, bewirken die Noppen 12 eine Ausrichtung der Werkstücke 10a, b, und wenn die erinnerte Form versucht, eine Abmessung (z. B. einen Durchmesser) größer als die kongruente Abmessung des Behältnisses 14 zu erreichen, bewirken sie ferner eine Halterung der Werkstücke 10a, b im ausgerichteten Zustand. Das SMP 16 wird anschließend abgekühlt, um den ausgerichteten Zustand beizubehalten.
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Schließlich ist einzusehen, dass zur Erleichterung des Zusammenfügens, insbesondere dann, wenn das SMP 16 aktiviert wird, die Noppe 12 und/oder das Behältnis 14 mit einer Beschichtung mit geringer Reibung oder mit einem Schmiermittel (z. B. Teflon, Fett usw.) 24 ausgekleidet werden können, um dadurch das Polymer 16 zu überlagern, wenn die Werkstücke 10a, b miteinander in Eingriff gelangen (1c).
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Obgleich die Offenbarung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Elemente von dieser durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Inhalt abzuweichen. Wie hierin verwendet, bezeichnen die Ausdrücke ”erster”, ”zweiter” und dergleichen keine bestimmte Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern sie werden stattdessen verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke ”der, die, das”, ”ein” und ”eine” bezeichnen keine Einschränkung bezüglich der Quantität, sondern sie bezeichnet stattdessen das Vorhandensein zumindest eines der bezeichneten Gegenstände. Alle Bereiche, die auf dieselbe Quantität einer gegebenen Komponente oder eines gegebenen Messwerts gerichtet sind, umfassen die Endpunkte und sind unabhängig voneinander kombinierbar.
