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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen, wie z. B. zwischen einem ersten Bauteil und einem daran anzuordnenden zweiten Bauteil, mittels eines Verbindungsformteils und ferner auf eine Vorrichtung, bei der ein erstes Bauteil mittels eines Verbindungsformteils mit einem zweiten Bauteil verbunden ist.
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Für eine ganze Reihe von Anwendungen und Aufbauten ist eine mechanische Verbindung zweier Komponenten bzw. Bauteile erforderlich. Konventionell kann eine mechanische Verbindung beispielsweise lösbar, wie etwa durch Schraub-, Steck- oder Klickverbindungen, bzw. nicht lösbar, wie etwa durch Niet- oder Klebeverbindungen, umgesetzt werden. Einige mechanische Verbindungen können eine mechanische Veränderung oder Beeinträchtigung der Materialien erfordern, wenn etwa das Bohren eines Loches erforderlich ist. Insbesondere im Bereich kohlefaserverstärkter Kunststoffe kann dies unerwünscht sein, da lasttragende und/oder kraftführende Fasern beschädigt oder durchtrennt werden können. Auch können solche Verbindungsverfahren einen erheblichen Zeitaufwand benötigen. Klebverbindungen können eine exakte Dosierung des Klebstoffes sowie exakte Ausheilprozesse erfordern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine effiziente Vorgehensweise zum Herstellen einer Vorrichtung und eines Endoskops mit einer zuverlässigen Verbindung zwischen zwei Komponenten bzw. Bauteilen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ferner sind erfindungsgemäße Weiterbildungen in den Unteransprüchen definiert.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass eine zuverlässige Verbindung zwischen zwei Bauteilen effizient erhalten werden kann, indem ein (z. B. thermoplastisches oder thermoelastisches) Verbindungsformteil umfassend ein fluoriertes Polymermaterial zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil angeordnet wird und durch einen Erwärmungs-(d. h. Verflüssigungs-) und nachfolgendem Abkühlungsvorgang (Wiederverfestigungsvorgang) des Verbindungsformteils das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil mittels des dazwischenliegenden Verbindungsformteils fest verbunden werden kann.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen somit ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil, wobei ein Verbindungsformteil, das ein fluoriertes Polymermaterial aufweist, (z. B. thermoplastisches oder thermoelastisches Polymermaterial) zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet wird. Das Verbindungsformteil wird erwärmt, um eine Änderung der Viskosität des fluorierten Polymermaterials zu erhalten. Basierend auf der geänderten Viskosität nach dem Erwärmen des Verbindungsformteils und durch das Anordnen des Verbindungsformteils wird zwischen den Bauteilen ein Oberflächenbereich des ersten Bauteils und ein Oberflächenbereich des zweiten Bauteils mit dem fluorierten Polymermaterial benetzt. Nach Abkühlung des Verbindungsformteils, das sich in Kontakt mit dem Oberflächenbereich des ersten Bauteils und dem entsprechenden Oberflächenbereich des zweiten Bauteils befindet, wird die Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil erhalten. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil weisen zueinander eine mittels des Verbindungsformteils fixierte Relativposition auf. Eine Form des Verbindungsformteils stimmt mit einem Fügespalt, der zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist, wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil relativ zueinander in einer Endposition angeordnet sind, zumindest teilweise überein. Das erste Bauteil ist von dem zweiten Bauteil durch das Verbindungsformteil beabstandet. Das Verbindungsformteil ist bereichsweise elektrisch leitend ausgebildet und bereichsweise elektrisch isolierend ausgebildet, oder bereichsweise thermisch leitend ausgebildet und bereichsweise thermisch isolierend ausgebildet. Das erste Bauteil weist eines aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleiter oder Halbleitermaterial, einem Silikat, einem Glas einem Keramikmaterial und einem Holz oder Holzlaminaten auf, oder ist eines aus einem Sensor, einer Sensoraufnahme, einem Licht- oder Datenübertragungsleiter oder einem Mikrowerkzeug. Das zweite Bauteil weist eines aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleiter oder Halbleitermaterial, einem Silikat, einem Glas einem Keramikmaterial oder einem Holz oder Holzlaminaten auf, oder ist eines aus einem Sensor, einer Sensoraufnahme, einem Licht- oder Datenübertragungsleiter oder einem Mikrowerkzeug.
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Dabei kann das Anordnen des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils an dem Verbindungsformteil entweder vor dem Erwärmen des Verbindungsformteils oder auch während bzw. nach dem Erwärmen, d. h. vor der Wiederverfestigung, des Verbindungsformteils erfolgen.
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Vorteilhaft an dieser Vorgehensweise ist, dass das Verbindungsformteil als ein technisches Teilprodukt oder Zwischenprodukt vorgefertigt und transportiert werden kann, wie etwa von einem Herstellungsort des Teilprodukts zu einem Verarbeitungsort zum Zusammenfügen des ersten und zweiten Bauteils. Ferner kann die Herstellung der Verbindung durch einen einfach zu kontrollierenden Erwärmungs- und Abkühlungsvorgang erfolgen, so dass keine komplexen Klebeprozesse mit einer Überwachung von Luftfeuchtigkeit und/oder Ausheil- bzw. Aushärtezeiten erforderlich sind, bzw. eine Beschädigung oder zusätzliche Bearbeitung der Bauteile vermieden werden kann.
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Ein weiteres Beispiel zeigt ein Verfahren, das ein Positionieren des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil vor dem Schritt des Erwärmens umfasst. Das Verbindungsformteil ist zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet, so dass nach der Abkühlung eine vorbestimmte Endposition der verbundenen ersten und zweiten Bauteil erhalten wird.
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Vorteilhaft an diesen Beispiel ist, dass auf eine Justage oder Positionierung des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil während des Schrittes des Erwärmens oder vor der Abkühlung des Verbindungsformteils verzichtet werden kann und eine Volumenänderung des Verbindungsformteils während des Erwärmens und/oder des Abkühlens bei der Justage oder Positionierung berücksichtigt werden kann.
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Weitere Beispiele schaffen ein Verfahren, bei dem vor dem Schritt des Erwärmens das Verbindungsformteil an dem ersten Bauteil oder an dem zweiten Bauteil angeordnet wird und bei dem anschließend das zweite Bauteil oder das erste Bauteil so angeordnet wird, dass das Verbindungsformteil zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet ist.
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Vorteilhaft an diesen Beispielen ist, dass das erste Bauteil oder das zweite Bauteil mit dem Verbindungsformteil verbunden werden kann und anschließend als ein technisches Teilprodukt oder Zwischenprodukt vorgefertigt transportiert werden kann, wie etwas von einem Herstellungsorts des Teilprodukts zu einem Verarbeitungsort zum Zusammenfügen des ersten und zweiten Bauteils. Etwa kann das Verbindungsformteil an einer Sensoraufnahme oder einem Sensor angeordnet werden oder an einem Endoskop-Rohr oder einer Optik, die mit dem Endoskop-Rohr verbunden werden soll. Die Anordnung kann bspw. mittels eines ersten Erwärmungs- und Abkühlungsschrittes erfolgen, der bei einer Anordnung des jeweils anderen Bauteils in einem zweiten Erwärmungs- und Abkühlungsschritt wiederholt wird.
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Ein weiteres Beispiel zeigt ein Verfahren, bei dem das Verbindungsformteil mittels einer elektrophoretischen Deposition, eines Spritzgussverfahrens, einer elektrostatischen Abscheidung, eines Siebdruckverfahrens, eines Extrusionsverfahrens, eines Blasformverfahrens oder eines Prägeverfahrens in einen Verbindungsteilträger ausgebildet wird und bei dem das Verbindungsformteil aus dem Verbindungsteilträger mittels eines Stanzverfahrens oder eines Laserschneideverfahrens ausgeformt wird.
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Vorteilhaft an diesem Beispiel ist, dass aus dem Verbindungsteilträger eine Mehrzahl von Verbindungsformteilen ausformbar ist, so dass die Mehrzahl von Verbindungsformteilen in einer hohen Stückzahl mit einer hohen Präzision ausformbar sind.
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Ein weiteres Beispiel zeigt ein Verfahren, bei dem das Verbindungsformteil ein Ethylene-ChloroTriFluoro-Etyhlene(ECTFE)-Material aufweist.
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Vorteilhaft an diesem Beispiel ist, dass das ECTFE-Material eine hohe chemische Beständigkeit aufweist und das erste Bauteil, das zweite Bauteil sowie die Verbindung desselben in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden können.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt eine Vorrichtung mit einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil. Die Vorrichtung umfasst ein Verbindungsformteil, wobei das Verbindungsformteil ein fluoriertes Polymermaterial aufweist. Das Verbindungsformteil ist zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet und stellt die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil her. Ein Oberflächenbereich des ersten Bauteils und ein Oberflächenbereich des zweiten Bauteils sind von dem fluorierten Polymermaterial benetzt. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil weisen zueinander eine mittels des Verbindungsformteils fixierte Relativposition auf. Eine Form des Verbindungsformteils stimmt mit einem Fügespalt, der zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist, wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil relativ zueinander in einer Endposition angeordnet sind, zumindest teilweise überein. Das erste Bauteil ist von dem zweiten Bauteil durch das Verbindungsformteil von einander beabstandet. Das Verbindungsformteil ist bereichsweise elektrisch leitend ausgebildet ist und bereichsweise elektrisch isolierend ausgebildet, oder bereichsweise thermisch leitend ausgebildet und bereichsweise thermisch isolierend ausgebildet. Das erste Bauteil weist eines aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleiter oder Halbleitermaterial, einem Silikat, einem Glas einem Keramikmaterial und einem Holz oder Holzlaminaten auf, oder ist eines aus einem Sensor, einer Sensoraufnahme, einem Licht- oder Datenübertragungsleiter oder einem Mikrowerkzeug. Das zweite Bauteil weist eines aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleiter oder Halbleitermaterial, einem Silikat, einem Glas einem Keramikmaterial oder einem Holz oder Holzlaminaten auf, oder ist eines aus einem Sensor, einer Sensoraufnahme, einem Licht- oder Datenübertragungsleiter oder einem Mikrowerkzeug ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt ein Endoskop mit einem Endoskop-Rohr und einer Glasfläche, die mittels eines Verbindungsformteils verbunden sind, wobei das Verbindungsformteil ein fluoriertes Polymermaterial aufweist. Das Verbindungsformteil ist zwischen dem Endoskop-Rohr und der Glasfläche angeordnet. Ein Oberflächenbereich des Endoskop-Rohrs und ein Oberflächenbereich der Glasfläche sind von dem fluoriertes Polymermaterial benetzt sind. Das Endoskop-Rohr und die Glasfläche weisen zueinander eine mittels des Verbindungsformteils fixierte Relativposition auf. Eine Form des Verbindungsformteils stimmt mit einem Fügespalt, der zwischen dem Endoskop-Rohr und der Glasfläche angeordnet ist, wenn das Endoskop-Rohr und die Glasfläche relativ zueinander in einer Endposition angeordnet sind, zumindest teilweise überein. Das Endoskop-Rohr ist von der Glasfläche durch das Verbindungsformteil von einander beabstandet. Das Endoskop-Rohr weist eines aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleiter oder Halbleitermaterial, einem Silikat, einem Glas einem Keramikmaterial oder einem Holz oder Holzlaminaten auf.
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Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Fügung der optischen Struktur an das Endoskop-Rohr mit einer hohen Präzision ausführbar ist.
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Vorteilhaft an diesen Ausführungsbeispielen ist, dass das Polymermaterial gezielt, z. B. an vorgegebenen Positionen und in einer vorgegebenen Konzentration, zusätzliche Bestandteile aufweisen kann, wie z. B. elektrisch leitfähige oder thermisch leitfähige Funktionsmaterialien, so dass neben der zuverlässigen mechanischen Verbindung der beiden Bauteile ferner eine gezielte elektrische, chemische und/oder thermische Verbindung zwischen dem ersten Bauteil (z. B. einem Substrat) und dem zweiten Bauteil herstellbar ist, um bspw. die mechanische Verbindung (Befestigung) in Kombination mit einer weiteren Funktionalität zu erhalten oder herzustellen, wie einen optischen Kanal, eine elektrische Versorgung von Komponenten oder eine Zuführung/Ableitung thermischer Energie zu einem der Bauteile hin oder davon weg.
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Mögliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer mechanischen Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Vorrichtung mit einer durch ein Verbindungsformteil hergestellte mechanische Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, bevor die mechanische Verbindung hergestellt ist, bei der das erste Bauteil ein Endoskop-Rohr und das zweites Bauteil ein Planglas-Element ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung gemäß 3, bei der die mechanische Verbindung zwischen dem Endoskop-Rohr und dem Planglas-Element hergestellt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Seitenschnittansicht eines Endoskops, das das Endoskop-Rohr, ein Planglas mit einer Verjüngung entlang einer Dickenrichtung und ein Verbindungsformteil aufweist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine schematische Seitenschnittansicht eines Endoskops, bei dem das Endoskop-Rohr eine Verjüngung aufweist.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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Obwohl sich nachfolgende Ausführungen auf das Herstellen einer mechanischen Verbindung zwischen einem Verbindungsformteil und Bauteilen beziehen, kann eine Verbindung zwischen dem Verbindungsformteil und einem oder mehreren Bauteilen alternativ oder zusätzlich auch durch eine chemische Verbindung erhalten werden. Eine mechanische Verbindung kann bspw. basierend auf einer Adhäsion zwischen dem Verbindungsformteil und einem oder beiden Bauteilen erhalten werden. Eine chemische Verbindung kann bspw. auf einer Vulkanisation erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die chemische Materialverbindung eine kovalente oder ionische Verbindung zwischen dem Verbindungsformteil und einem oder mehreren Bauteilen umfassen. Die chemische Materialverbindung kann alternativ oder zusätzlich zumindest teilweise durch eine Anlösung einer Materialoberfläche des Bauteils und/oder des Verbindungsformteils erhalten werden, etwa wenn das jeweilige Bauteil eine metallische Oberfläche aufweist, die mit dem Verbindungsformteil in Verbindung gebracht wird. Bspw. kann ein für ein Fluormaterial affines Metall, wie etwa Nickel, durch ein Ethylene-ChloroTriFluoro-Etyhlene-Material (ECTFE) angelöst werden. Die chemische Verbindung kann zu einer Bildung eines Stoffgemisches an Grenzschichten zwischen dem Verbindungsformteil und dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil führen. Eine erhaltene chemische Verbindung kann zu einer mechanischen Verbindung führen, bspw. wenn das erhaltene Stoffgemisch erstarrt. Sowohl die mechanische als auch die chemische Materialverbindung kann in einem Zustand erhalten werden, in dem das Verbindungsformteil bezüglich der mit ihm kontaktierten Bauteile und mithin die Bauteile zueinander eine mittels des Verbindungsformteils fixierte (Relativ-)Position aufweisen.
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1 zeigt beispielhaft ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Herstellen einer mechanischen Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem ersten Bauteil oder bei dem zweiten Bauteil kann es sich um ein Substrat handeln, auf dessen Oberfläche das zweite Bauteil oder das erste Bauteil montiert wird. Alternativ kann es sich bei dem ersten Bauteil oder bei dem zweiten Bauteil beispielsweise um ein Endoskop-Rohr und bei dem zweiten bzw. ersten Bauteil um eine optische Struktur, etwas ein Planglas, handeln. Ferner ist vorstellbar, dass es sich bei dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil um einen Sensor und eine Sensoraufnahme handelt.
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In einem ersten Schritt 102 wird ein Verbindungsformteil aus einem thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermaterial bereitgestellt, wobei das Verbindungsformteil ein fluoriertes Polymermaterial aufweist. Bei dem fluorierten Polymermaterial kann es sich um ein Ethylene-ChloroTriFluoro-Etyhlene-Material handeln (ECTFE). Ein derartiges Material ist z. B. Halar®.
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In einem Schritt 104 wird das Verbindungsformteil zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass das Verbindungsformteil an das erste Bauteil oder an das zweite Bauteil angeordnet, etwa daran oder darauf gelegt oder gedrückt, wird und das zweite bzw. das erste Bauteil an das Verbindungsformteil angeordnet wird. Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass zwischen dem Verbindungsformteil und einem der Bauteile vor dem Schritt 104 bereits eine lösbare oder unlösbare (nicht frei-lösbare) Verbindung besteht.
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In einem dritten Schritt 106 wird das Verbindungsformteil erwärmt, um eine Änderung einer Viskosität des fluorierten Polymermaterials des Verbindungsformteils zu erhalten. Basierend auf der geänderten Viskosität wird bei dem Erwärmen des Verbindungsformteils und durch das Anordnen des Verbindungsformteils zwischen das erste Bauteil und das zweite Bauteil ein Oberflächenbereich des ersten Bauteils und ein Oberflächenbereich des zweiten Bauteils von dem fluorierten Polymermaterial benetzt. Bei den Oberflächenbereichen handelt es sich um Bereiche, an denen das Verbindungsformteil an dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil zumindest teilweise angeordnet ist. Bei einer Abkühlung des Verbindungsformteils wird die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil erhalten.
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Das erste Bauteil und das zweite Bauteil weisen eine zueinander eine mittels des Verbindungsformteils 26 fixierte Relativposition auf.
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Bei dem ersten Bauteil kann es sich um eine beliebige Struktur handeln, wie z. B. um ein Schaltungssubstrat, ein Keramikbauelement, ein Gehäuseteil, ein Endoskop-Rohr, eine optische Struktur etc. Gleichermaßen sind auch andere Strukturen in einer im Wesentlichen beliebigen Größenordnung denkbar, wie etwa ein Flugzeugrumpf, eine Werkzeugmaschine, ein Windkraftflügel, eine Glasscheibe, eine Holzverschalung, oder Möbel etc.
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Das Verbindungsformteil 26 ist bereichsweise elektrisch leitend ausgebildet und bereichsweise elektrisch isolierend ausgebildet, oder bereichsweise thermisch leitend ausgebildet ist und bereichsweise thermisch isolierend ausgebildet.
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Das erste Bauteil kann aus einem oder mehreren Materialien, wie etwa verschiedenen Metallen, Legierungen, Halbleitern oder Halbleitermaterialien, Silikaten, wie etwas Glas, Polymeren, Keramikmaterialien oder Hölzern bzw. Holzlaminaten gebildet sein. In andere Worten kann das erste Bauteil zumindest ein Teil einer beliebigen Struktur sein und aus einem oder einer Kombination beliebiger Materialien bestehen.
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Das Verbindungsformteil kann eine Form aufweisen, die zumindest teilweise einem Spalt entspricht, der zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist, wenn das erste Bauteil bezüglich des zweiten Bauteils angeordnet (positioniert) ist. So kann die Form des Verbindungsformteils beispielsweise zumindest teilweise einer Fläche des Oberflächenbereichs des ersten Bauteils und des Oberflächenbereichs des zweiten Bauteils entsprechen. Der Oberflächenbereich des ersten Bauteils kann einer Fläche entsprechen, die dem zweiten Bauteil gegenüberliegend angeordnet ist, wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil relativ zueinander positioniert sind, beispielsweise in einer Endposition, in der die Verbindung erhalten wird. Der Oberflächenbereich des zweiten Bauteils kann zumindest teilweise durch eine Fläche des zweiten Bauteils bestimmt sein, die dem ersten Bauteil in der Endposition gegenüberliegend angeordnet ist. In anderen Worten können die Oberflächenbereiche Fügeflächen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils sein und beispielsweise einen Fügebereich definieren.
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Das Verbindungsformteil kann eine Größe aufweisen, die kleiner oder größer ist als der Fügebereich oder die Fügeflächen. So kann ein Materialschrumpf oder eine Materialexpansion des Verbindungsformteils während des Erwärmens und/oder während des Abkühlens kompensiert werden. Beispielsweise, wenn das Verbindungsformteil kleiner ist als der Fügebereich kann das Verbindungsformteil zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet werden. Dehnt sich das Verbindungsformteil während des Erwärmens aus, kann eine Benetzung des Oberflächenbereichs des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils basierend auf der geänderten Viskosität und basierend auf der Expansion des Verbindungsformteils erhalten werden. Komprimiert das Verbindungsformteil während des Abkühlens, so kann eine nach dem Abkühlen erhaltene Form des Verbindungsformteils wieder kleiner sein als der Bereich zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, wobei zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil mittels der Benetzung in den Oberflächenbereichen die mechanische Verbindung erhalten wird und ein Spalt zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil zumindest teilweise geschlossen ist. In anderen Worten kann eine Form des Verbindungsformteils mit einem Fügespalt, der zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet ist, wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil relativ zueinander in einer Endposition angeordnet sind, zumindest teilweise übereinstimmen. Der Fügespalt zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil kann durch das Verbindungsformteil geschlossen werden.
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In anderen Worten kann das erste Bauteil relativ zu dem zweiten Bauteil vor dem Schritt des Erwärmens positioniert werden, wobei das Verbindungsformteil zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet ist, so dass nach der Abkühlung eine vorbestimmte Endposition der verbundenen ersten und zweiten Bauteile erhalten wird.
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Ebenfalls ist vorstellbar, dass das Verbindungsformteil vor dem Schritt des Erwärmens an dem ersten Bauteil oder an dem zweiten Bauteil angeordnet wird. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass das Verbindungsformteil an oder auf das erste oder zweite Bauteil gelegt, gedrückt oder anderweitig befestigt wird. Ebenso ist vorstellbar, dass das Verbindungsformteil erwärmt wird, um eine veränderte Viskosität des Polymermaterials zu erhalten und bereits einen Oberflächenbereich des ersten Bauteils bzw. des zweiten Bauteils zu benetzen. Mittels einer anschließenden Abkühlung kann eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten bzw. zweiten Bauteil und dem Verbindungsformteil erhalten werden. Anschließend kann das zweite bzw. erste Bauteil angeordnet werden, so dass das Verbindungsformteil zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet ist, und der Schritt des Erwärmens 106 ausgeführt werden.
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Dies ermöglicht beispielsweise eine Kontaktierung des Verbindungsformteils mit dem ersten oder zweiten Bauteil derart, dass eine Positioniergenauigkeit bzw. eine Positioniertoleranz bei einer Positionierung des jeweils anderen Bauteils bezüglich des ersten oder zweiten Bauteils lediglich bezüglich des mit dem Verbindungsformteil verbundenen Bauteils einzuhalten ist. Das Verbindungsformteil ist in diesem Fall unbeweglich und eine Einhaltung der Positioniergenauigkeit bezüglich des Verbindungsformteils bereits sichergestellt. Das bedeutet, dass anstelle von drei zueinander beweglichen Komponenten nur zwei Komponenten, eine Baugruppe (Bauteil und Verbindungsformteil) und das weitere Bauteil, zueinander positioniert werden.
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Das Verbindungsformteil kann mittels einer elektrophoretischen Deposition, eines Spritzgussverfahrens, einer elektrostatischen Abscheidung, eines Siebdruckverfahrens, eines Extrusionsverfahrens, eines Blasformverfahrens oder eines Prägeverfahrens in eine vorbestimmte Form ausgebildet werden. Das bedeutet, dass das Polymermaterial beispielsweise in die vorbestimmte Form gespritzt werden kann, etwa ausgehend von einem ECTFE-Pulver. Alternativ kann, wenn das Verbindungsformteil beispielsweise mittels elektrophoretischer Deposition oder einer elektrostatischen Abscheidung in die vorbestimmte Form gebracht wird, die vorbestimmte Form durch eine Elektrodengeometrie, eine Elektrodenanordnung, eine angelegten Strom-, Spannungs- und/oder Feldstärke beeinflusst sein. So kann beispielsweise eine Dauer des Verfahrens und/oder die Strom-, Spannungs- und/oder Feldstärke eine Dicke des Formteils beeinflussen, wohingegen eine Länge und eine Breite (Grundfläche) des Formteils durch eine Geometrie der Elektrode (Elektrodenfläche) beeinflusst ist, an der oder benachbart zu der die Abscheidung des Materials erfolgt. Wird beispielsweise das Siebdruckverfahren eingesetzt, kann eine Länge und/oder eine Breite des Verbindungsformteils durch eine Siebform oder Durchlassbereiche darin bestimmt sein, wohingegen eine Dicke des Verbindungsformteils durch eine Viskosität des durch das Sieb gedruckten Materials, durch eine Anzahl von Siebdruckvorgängen und/oder einer Menge von Material, die durch das Sieb gedrückt wird, beeinflusst sein. In anderen Worten kann ein Preform (Verbindungsformteil) durch die genannten Verfahren in eine Form gebracht werden.
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Auch kann das Verbindungsformteil schichtweise aufgebaut sein, d. h. eine oder mehrere ggf. von einander verschiedene Materialschichten aufweisen. Das bedeutet, dass das thermoplastische oder thermoelastische fluorierte Polymermaterial in mehreren Schichten abgeschieden, gedruckt oder angeordnet werden kann. Die unterschiedlichen Schichten können gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen. Weisen die Schichten unterschiedliche Materialien auf, kann beispielsweise eine Vermischung der verschiedenen Bestandteile während des Erwärmens erreicht werden. Eine Schichtdicke kann bspw. einen Wert in einem Bereich von mehr als 10 nm und weniger als 10 mm, mehr als 100 nm und weniger als 1 mm oder von mehr als 10 μm und weniger als 100 μm aufweisen
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Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls vorstellbar, dass das Verbindungsformteil oder eine Mehrzahl von Verbindungsformteilen aus einer ECTFE-Folie geformt werden. Das bedeutet, dass beispielsweise mittels eines des vorangegangen genannten Verfahrens eine ECTFE-Folie gebildet wird und die Verbindungsformteile oder das Verbindungsformteil aus der ECTFE-Folie ausgeformt werden. Das Ausformen kann beispielsweise mittels eines Stanzverfahrens oder eines Laserschneideverfahrens erfolgen. Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass das Ausbilden des Verbindungsformteils in eine vorbestimmte Form derart erfolgt, dass ein erstes Volumen aus dem Polymermaterial ausgeformt wird, etwa eine Kugel, ein Quader oder eine beliebige andere Geometrie und das Verbindungsformteil aus dem ersten Volumen mittels eines Fräsverfahrens ausgeformt wird.
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Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass das Ausbilden des Verbindungsformteils unter Verwendung eines thermoplastischen oder thermoelastischen fluorierten Pulvermaterials erfolgt, wobei das thermoplastische oder thermoplastische Pulvermaterial mittels des Extrusionsverfahrens oder des Spritzgussverfahrens in das thermoplastische oder thermoelastische fluorierte Polymermaterial überführt wird. In anderen Worten werden Preforms (Verbindungsformteile) aus einer ECTFE-Folie geformt bzw. aus einem ECTFE-Pulver gespritzt.
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Das thermoplastische oder thermoelastische fluorierte Polymermaterial des Verbindungsformteils verändert oberhalb einer jeweils polymerspezifischen Glasübergangstemperatur bzw. Schmelztemperatur die Viskosität. Die Schmelztemperatur kann je nach Art und/oder ggf. einem Mischverhältnis verschiedener Materialbestandteile variieren. Eine zusätzliche Erhöhung der Temperatur durch ein weiteres Erwärmen kann zu einer weiteren Änderung bzw. Steigerung der Viskosität führen.
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Beispielhafte Erwärmungstemperaturen für z. B. Copolymere aus zumindest einer polyfluorierten Polymerkomponente, die bevorzugt Chlortrifluorethylen und Ethylen und besonders bevorzugt ein 1:1 Copolymer aus Chlortrifluorethylen und Ethylen aufweisen, liegen in einem Temperaturbereich von etwa 150°C bis zu 350°C, bevorzugt bei 200°C bis 280°C und besonders bevorzugt bei 220°C–270°C. Dabei kann es sich bei der Verbindung um die Verbindung HALAR® ECTFE von Solvay Solexis handeln. Alternativ kann es sich auch um Perfluorethylenpropylen (engl.: Fluorinated Ethylene Propylene – FEP) handeln
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Beispielhafte Temperaturen für Polyaryletherketone liegen bei 120°C bis 350°C, bevorzugt bei Temperaturen größer 140°C und kleiner 290°C. Dabei kann es sich um die Verbindung PEEK 450 der Fa. Victrex handeln. Beispielhafte Temperaturen von 40°C bis 140°C sind anwendbar für Polxstyrol, Polyethylen oder Polypropylen, auch in Form von Thermoelasten.
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Bei Schritt 106 wird das an dem ersten Bauteil aufgebrachte (z. B. thermoplastische oder thermoelastische) fluorierte Polymermaterial erwärmt, um eine Änderung der Viskosität des aufgebrachten Polymermaterials zu erhalten. Das Erwärmen des aufgebrachten Polymermaterials auf eine Erwärmungstemperatur wird durchgeführt, bis das aufgebrachte Polymermaterial zumindest auf dessen Glasübergangstemperatur oder bis auf dessen Schmelztemperatur erwärmt ist.
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Bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur ist die Umwandlung eines festen Materials in eine gummiartige bis zähflüssige Schmelze zu beobachten. Dieser Punkt wird bei Polymermaterialien als Glasübergangstemperatur bezeichnet. Bei Erreichen der jeweiligen Schmelztemperatur des thermoplastischen oder thermoelastischen fluorierten Polymermaterials kann dies beispielsweise in einen flüssigen (oder zumindest zähflüssigen) Zustand übergehen. In anderen Worten wird das Polymermaterial aufgeschmolzen.
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Bei Schritt 104 wird das zweite Bauteil an dem aufgebrachten Polymermaterial des ersten Bauteils angeordnet.
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Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass das zweite Bauteil vor dem Erwärmen des an dem ersten Bauteil aufgebrachten Polymermaterials an dem aufgebrachten Polymermaterial angeordnet werden kann. Alternativ ist es ferner möglich, dass das zweite Bauteil während oder nach dem Erwärmen bzw. vor dem Abkühlen des an dem ersten Bauteil aufgebrachten Polymermaterials an dem aufgebrachten Polymermaterial angeordnet werden kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass beide Vorgehensweisen gleichermaßen eingesetzt werden können, so dass die nachfolgende Beschreibung auf diese beiden Fälle entsprechend anwendbar ist.
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So können beispielsweise die beiden Bauteile aneinander gedrückt oder gepresst werden, wobei dies entweder vor dem Erwärmen des aufgebrachten Polymermaterials oder auch nach bzw. während des Erwärmens des aufgebrachten Polymermaterials durchgeführt werden kann.
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Beispielsweise kann das zweite Bauteil an das erste Bauteil oder das erste Bauteil an das zweite Bauteil gedrückt oder gepresst werden. Alternativ ist vorstellbar, dass eine Zugkraft genutzt wird, um das zweite Bauteil an dem erwärmten Polymermaterial anzuordnen. Ist das zweite Bauteil beispielsweise ein elektrischer Sensor mit einer Kabelverbindung, kann das Kabel durch das erste Bauteil hindurch oder in das erste Bauteil hinein geführt werden, so dass der Sensor über das Kabel an das erste Bauteil herangezogen werden kann. Die geänderte Viskosität des Polymermaterials ermöglicht eine Benetzung einer Oberfläche des zweiten Bauteils, wenn diese Oberfläche mit dem Polymermaterial in Verbindung kommt und/oder das zweite Bauteil an das erste Bauteil gezogen oder gedrückt wird. Die Druck- oder Zugkraft kann von der durch das Erwärmen in dem Schritt 106 erreichten Viskosität des Polymermaterials abhängig sein. So ist vorstellbar, dass eine Erwärmung über die Schmelztemperatur zu einer vergrößerten Viskosität des Polymermaterials führt und eine Benetzung der Bauteiloberfläche durch ein einfaches Auflegen des Bauteils erreicht werden kann so dass auf das Einbringen einer zusätzliche Druck- oder Zugkraft zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil verzichtet werden kann.
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Bei einer Abkühlung des Polymermaterials, wie etwa durch eine aktive Kühlung in einer Kühl- oder Klimakammer oder eine passive Abkühlung durch Belassen des Polymermaterials bei Raum- bzw. Umgebungstemperatur kann das thermoplastische oder thermoelastische fluorierte Polymermaterial eine erneute Änderung der Viskosität zeigen, wenn die Temperatur des Polymermaterials unterhalb der Schmelztemperatur sinkt. Das Abkühlen des Polymermaterials, bzw. die dadurch induzierte Veränderung der Viskosität führt zu der mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil. Eine solche mechanische Verbindung kann das erste Bauteil unbeschädigt lassen und eine schnelle und/oder kostengünstige Form der Verbindung ermöglichen.
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Das Polymermaterial kann so gewählt sein, dass die Viskosität des Polymermaterials verglichen mit der Viskosität vor dem Erwärmen 106 nach dem Abkühlen auf eine Ausgangstemperatur eine veränderte oder eine in etwa gleiche Viskosität aufweist. So ist vorstellbar, dass beispielsweise thermoaktive Bestandteile in dem möglicherweise gummiartigen Polymermaterial zu einer chemischen Reaktion während des Erwärmens 106 oder des Verbindens mit dem Bauteil angeregt werden und nach einem Abkühlen des Polymermaterials eine teilweise kristalline Struktur bilden. Alternativ oder zusätzlich durch das Erwärmen eine chemische Reaktion des Verbindungsformteils mit zumindest einem der Bauteile angestoßen (ausgelöst) werden. So kann bspw. eine für Fluor affine Oberfläche eines Bauteils, (bspw. eine ein Nickelmaterial aufweisende Oberfläche), durch ein Fluorhaltiges Verbindungsformteil, bspw. umfassend Halar® angelöst werden. Alternativ kann das Polymermaterial nach dem Abkühlen auch in etwa in seinen Ausgangszustand zurückkehren. Prinzipiell kann eine erneute Erwärmung des Polymermaterials mit einer erneuten Änderung der Viskosität möglich sein, um das zweite Bauteil von dem ersten Bauteil zu lösen oder das Bauteil zu verschieben. Ein Lösen der Verbindung kann zum Beispiel einen Austausch eines veralteten oder defekten Bauteils, wie etwa defekter Sensor, ermöglichen. Eine eventuelle Zug- oder Druckkraft zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil kann während des Abkühlens aufrecht erhalten, verändert oder zurückgenommen werden.
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Ausführungsbeispiele zeigen Verfahren zum Herstellen einer mechanischen Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, bei dem das Polymermaterial auf dessen Glasübergangstemperatur oder bis auf dessen Schmelztemperatur erwärmt wird, so dass die Anordnung des zweiten Bauteils ermöglicht ist. Nachfolgend wird das Polymer weiter erwärmt, bis eine Reaktionstemperatur von Bestandteilen des Polymermaterials erreicht ist, so dass diese Bestandteile eine kristalline Struktur bilden. Eine kristalline Struktur kann zu einer mechanischen Verbindung mit einer gegenüber anderen Bestandteilen des Polymermaterials größeren Festigkeit und/oder Steifigkeit führen.
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In anderen Worten kann das Verfahren 100 auch so beschrieben werden, dass mittels eines Füllens eines Fügespaltes vor oder nach dem Positionieren der beiden Fügepartner (erstes Bauteil und zweites Bauteil) mit einer vorgeformten Halar®-Masse (Verbindungsformteil), welche eine charakteristische vorher definiert hergestellte Form besitzt, gegebenenfalls mittels eines nachträglichen Positionierens der Fügepartner zueinander, mittels eines Ausheizen der entsprechenden Baugruppe oberhalb der Schmelztemperatur des Halars® und mittels eines Abkühlens der Baugruppe auf Raumtemperatur eine mechanische Verbindung der bei dem Fügepartner erhalten werden kann.
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2 zeigt eine Vorrichtung 20 mit einer mechanischen Verbindung zwischen einem ersten Bauteil 22 und einem zweiten Bauteil 24. Die mechanische Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 22 und dem zweiten Bauteil 24 wird durch ein Verbindungsformteil 26 hergestellt, das zwischen dem ersten Bauteil 22 und dem zweiten Bauteil 24 angeordnet ist. Eine Abmessung des Verbindungsformteils 26 entlang einer Längenrichtung L und einer Breitenrichtung B entspricht im Wesentlichen einem Oberflächenbereich des zweiten Bauteils 24, der dem ersten Bauteil 22 gegenüberliegend angeordnet ist und einem Oberflächenbereich des zweiten Bauteils 24, der dem ersten Bauteil 22 benachbart zu diesem gegenüberliegend angeordnet ist. Anders ausgedrückt: Die Abmessung des Verbindungsformteils 26 entspricht im Wesentlichen der Abmessung in der sich das erste Bauteil 22 und das zweite Bauteil 24 gegenüberliegen. Ist das erste Bauteil 22 bspw. eine Oberfläche eines Maschinengehäuses mit einer Fläche von 100 cm × 100 cm auf die in etwa mittig ein Sensor befestigt werden soll, und ist das zweite Bauteil 24 der Sensor mit einer Grundfläche (Klebefläche), die eine Länge von 2 cm und eine Breite von 3 cm aufweist, so kann das Verbindungsformteil in etwa die Abmessung entlang der Längen- und Breitenrichtung von 2 cm × 3 cm aufweisen.
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Eine Abmessung des Verbindungsformteils 26 entlang einer Höhenrichtung H kann auch als Dicke bezeichnet werden und von einer erwünschten oder angestrebten Klebekraft zwischen dem ersten Bauteil 22 und dem zweiten Bauteil 24 und/oder einer angestrebten Elastizität und/oder Schlag- bzw. Stoßzähigkeit der mechanischen Verbindung beeinflusst sein. Die Dicke kann abhängig von einer solchen Eigenschaft bspw. Werte in einem Bereich von mehr als 10 μm und weniger als 1 cm, mehr als 50 μm und weniger als 5 mm oder von mehr als 100 μm und weniger als 1 mm aufweisen. Ferner kann mittels der mechanischen Verbindung auch eine weitere, etwa elektrische Verbindung oder eine Verbindung für eine thermische Ableitung von Wärmeenergie realisiert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Polymermaterial in einer Schicht bereichsweise verschiedene eigene Schichten aufweist.
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Bei dem thermoplastischen oder thermoelastischen Polymermaterial handelt es sich um ein fluoriertes Polymermaterial. Fluorierte Polymermaterialien können eine erhöhte chemische Beständigkeit verglichen mit anderen Polymermaterialien aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn das erste Bauteil 22 und/oder ein mit dem ersten Bauteil 22 mechanisch verbundener Körper bzw. ein Substrat, das zweite Bauteil 24, in einer chemisch aggressiven Umgebung betrieben wird, wie es beispielsweise bei chemischen Prozessen möglich ist. Ferner kann es sich bei der Vorrichtung 20 beispielsweise um Vorrichtungen an beliebigen Einsatzorten, wie z. B. auch bei Windkraftflügeln von Offshore-Windkraftanlagen handeln.
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Die Polymermaterialien können ferner zumindest bereichsweise oder im gesamten aufgebrachten Polymermaterial elektrisch leitende, oder thermisch leitfähige Stoffe oder Materialien umfassen, so dass das Verbindungsformteil 26 beispielsweise elektrisch leitfähig oder thermisch leitfähig ist. Das bedeutet, dass das Verbindungsformteil 26 eine Kombination verschiedener Materialien aufweisen kann. Die verschiedenen Materialien können über verschiedene aufgebrachte Schichten des Polymermaterials und/oder innerhalb einer aufgebrachten Schicht des Polymermaterials variieren. So kann bspw. eine an dem ersten Bauteil 22 angeordnete Schicht des Verbindungsformteils 26 eine besonders gute Hafteigenschaft gegenüber dem ersten Bauteil 22 und eine darauf angeordnete Schicht eine gewünschte elastische Eigenschaft aufweisen. Alternativ kann das Verbindungsformteil 26 in einer Schicht bereichsweise verschiedene Eigenschichten aufweist.
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So kann beispielsweise eine elektrische Kontaktierung des zweiten Bauteils 24 durch ein oder mehrere Vias ermöglicht werden, wenn das Verbindungsformteil 26 durch die ein oder mehreren Schichten hindurch bereichsweise leitend (z. B. mit einer elektrischen Leitfähigkeit σ ≥ 5 oder σ ≥ 100 S/m) ausgebildet ist. Beispielsweise kann so eine spannungsführende und eine Masseverbindung durch das Verbindungsformteil 26 ausgebildet sein, wobei die beiden Verbindungen von einander durch das restliche Polymermaterial des Verbindungsformteils 26 voneinander isoliert sind.
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Dies ist gleichermaßen anwendbar auf zusätzliche Stoffe und Materialien mit einer erhöhten thermischen Leitfähigkeit. So kann beispielsweise alternativ oder zusätzlich zu einer elektrischen Kontaktierung der beiden Bauteile auch eine erhöhte Wärmeableitung zwischen den beiden Bauteilen erfolgen, falls eines der beiden Bauteile beispielsweise ein leistungselektronisches Element oder allgemein ein Abwärme erzeugendes Element aufweisen sollte, und diese Abwärme thermisch möglichst effizient abgeführt bzw. abgeleitet werden soll. So kann beispielsweise eine thermische Ableitung zu einer Wärmesenke zwischen den beiden Bauteilen ermöglicht werden, wenn das Polymermaterial durch die eine oder mehreren Schichten zumindest bereichsweise (oder vollständig) eine erhöhte thermische Leitfähigkeit (z. B. λ ≥ 1 oder λ ≥ 10 W/mK) aufweist. Beispielsweise kann so eine thermische Ableitung zwischen den beiden Bauteilen durch das Polymermaterial hindurch ausgebildet sein.
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Darüber hinaus kann beispielsweise eine optische Verbindung der beiden Bauteile über das aufgebrachte Polymermaterial hinweg ermöglicht werden, wenn das Polymermaterial durch die eine oder mehreren Schichten hindurch zumindest bereichsweise optisch transparent ist. Beispielsweise kann so eine optische Verbindung durch das Polymermaterial hindurch zwischen den beiden Bauteilen 22 und 24 gebildet werden.
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Die obigen Ausführungen machen deutlich, dass durch das erfindungsgemäß genutzte Polymermaterial des Verbindungsformteils 26 eine gezielte elektrische, thermische, magnetische und/oder optische Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 22 und 24 selektiv und bereichsweise eingestellt werden kann. Gleichermaßen kann durch das erfindungsgemäß genutzte Verbindungsformteil eine gezielte elektrische, thermische und/oder optische Isolierung (Trennung) zwischen den beiden Bauteilen 22 und 24 bereichsweise und selektiv eingestellt werden.
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3 zeigt eine beispielhafte perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 30, bei der ein erstes Bauteil 32 ein Endoskop-Rohr und ein zweites Bauteil 34 ein Planglas-Element ist. Ein Verbindungsformteil 36 weist eine Form eines Kreisrings mit einem äußeren Radius r1 und einem inneren Radius r2 auf. Das Endoskop-Rohr 32 weist eine runde Öffnung mit einem Innendurchmesser R1 auf. Das Planglas 34 weist eine zylindrische Form (Kreisscheibe) mit einem Außendurchmesser R2 auf. Das Planglas 34 weist eine Dicke, d. h. einen Abstand zwischen zwei optisch wirksamen Hauptoberflächenbereichen D auf. Das Verbindungsformteil 36 weist eine Abmessung d senkrecht zu den Radien r1 und r2, d. h., entlang der Außenfläche der Kreisscheibe, auf, die im Wesentlichen der Dicke D des Planglases 34 entspricht. Die Dicke D bzw. die Abmessung d kann bspw. einen Wert in einem Bereich von mehr als 100 μm und weniger als 10 cm, mehr als 500 μm und weniger als 5 cm oder von mehr als 1 mm und weniger als 10 mm aufweisen. Ferner entspricht der Radius r1 im Wesentlichen dem Radius R1 und der Radius r2 im Wesentlichen dem Radius R2. Eine Breite des Verbindungsformteils kann als Differenz zwischen den Abmessungen r1 und r2 verstanden werden und einen Wert in einem Bereich zwischen 100 nm und 2 mm, 10 μm und 1 mm oder zwischen 100 μm und 500 μm aufweisen. Der Radius r1 kann einen Wert in einem Bereich zwischen 1 mm und 100 mm, 10 mm und 50 mm oder zwischen 20 mm und 30 mm aufweisen. Alternativ kann es sich bei dem ersten Bauteil 32 oder bei dem zweiten Bauteil 34 auch um ein anderes Endoskop-Bauteil handeln, etwa um einen photosensitiven Chip (bspw. ein ladungsgekoppelten Bauteil (Charged-Coupled-Device) – CCD-Chip oder einen sich ergänzenden Metalloxid-Halbleiter (Complementary metal oxide semiconductor) – CMOS), ein Licht- oder Datenübertragungsleiter oder ein Mikrowerkzeug.
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Werden das erste Bauteil 32, das zweite Bauteil 34 und das Verbindungsformteil 36 relativ zueinander positioniert (angeordnet), beispielsweise entlang einer Fluchtachse 38, und eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 32 und dem zweiten Bauteil 34, etwa durch Anwendung des Verfahrens 100, hergestellt, so kann das Planglas 34 das Endoskop-Rohr 32 bündig abschließen oder mit einer anderen Position zueinander angeordnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich können auch andere optische oder nicht-optische Elemente an der Vorrichtung 30 angeordnet und über das Verbindungsformteil 36 oder zumindest ein weiteres Verbindungsformteil an dem ersten Bauteil 32 oder dem zweiten Bauteil 34 angeordnet werden. Beispielsweise kann es sich bei den anderen optischen Strukturen um Spiegel oder Linsen handeln. Alternativ kann es sich bei weiteren Bauteilen auch um mechanische Befestigungselemente und/oder thermische und/oder elektrische Komponenten handeln. Ferner kann das Endoskop-Rohr 32 eine andere Geometrie der Öffnung oder des Rohrers und/oder das Planglas 34 eine andere Geometrie aufweisen. Hierbei kann es sich bspw. um eine eckige, polygone oder ovale Öffnung des Endoskop-Rohres und/oder Form des Planglases handeln.
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4 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Vorrichtung 30'. Die Vorrichtung 30' ist beispielsweise die Vorrichtung 30, nachdem das erste Bauteil 32 (Endoskop-Rohr) und das zweite Bauteil 34 (Planglas) relativ zueinander positioniert ist und ein Spalt S zwischen dem ersten Bauteil 32 und dem zweiten Bauteil 34 mittels des Verbindungsformteils 36 geschlossen ist.
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Vorrichtung 30' ist somit ein Endoskop mit dem Endoskop-Rohr (erstes Bauteil) 32 und dem Planglas (zweites Bauteil) 34, das mittels des Verbindungsformteils 36, das zwischen dem Endoskop-Rohr 32 und dem Planglas 34 angeordnet ist, mechanisch miteinander verbunden sind.
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Anders ausgedrückt werden zwei Bauteile miteinander verbunden, in dem dazwischen ein Preform aus ECTFE gelegt wird. Durch Erwärmung der Bauteile über die Schmelztemperatur des ECTFE hinaus schmilzt dies auf. Dadurch kommt es zur Haftung zwischen den beiden Bauteilen 32 und 34. Diese Verbindungsart hat den Vorteil, dass diese äußerst mechanisch stabil sowie auch sehr gut chemisch beständig ist. Somit wird eine Verbindung zweier Bauteile mit Hilfe von Preforms aus ECTFE-Kunststoff erhalten. Das Verbindungsformteil 36 kann auch als ECTFE (etwa Halar®) zum Fügen von z. B. Opto-Mechanischen und/oder Opto-Elektronischen Baugruppen bezeichnet werden. Bei Opto-Mechanischen Baugruppen können neben dem zweiten, optischen Bauteil 34, weitere mechanische Bauteile angeordnet sein, etwa Greifelemente. Bei Opto-Elektronischen Baugruppen kann neben dem zweiten, optischen Bauteil 34 ein weiteres elektronisches Bauteil angeordnet sein, etwa ein elektronischer Sensor.
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Für manche Anwendungsfälle kann eine möglichst exakte Form oder Geometrie der Polymerschicht auf dem ersten Bauteil wünschenswert sein. Wird die mechanische Verbindung in einer späteren Anwendung beispielsweise von einem Medium, wie etwa Wasser, einer anderen Flüssigkeit oder Wind, umströmt, können Vorsprünge oder Materialüberhänge zu Angriffspunkte für eine Erosion bilden. Eine definierte geometrische Strukturierung der Polymerschicht bzw. Anpassung der Form des Verbindungsformteils kann diese Angriffspunkte reduzieren oder verhindern und ggf. Materialeinsparungen ermöglichen.
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Alternativ zu vorangehenden Ausführungsbeispielen kann das Verbindungsformteil auch eine größere Form als der Spalt zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil aufweisen. Material oder ein Volumen des Verbindungsformteils, welches nach der erhaltenen mechanischen Verbindung überschüssig ist, kann im Anschluss an die erhaltene mechanische Verbindung entfernt werden, etwa mechanisch oder optisch. Dies kann beispielsweise mittels eines Abbrechens, eines Abstreifens oder eines (Laser-)Abschneidens erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist beispielsweise einsetzbar bei der Anordnung eines Drucksensors auf einer Fluidführung, eines Strömungssensors auf einer Fluidführung mit/ohne Fluidkontakt, eines RFID-Chips auf einem Endoskop, zweier oder mehrerer Teilsensoren zusammen zu einem Gesamtsensor, einem Inertialsensor auf einem Keramikgehäuse oder allgemein zweier Gehäuseteile untereinander. Bei dem ersten Bauteil kann es sich beispielsweise auch um einen Windkraftflügel handeln, so dass das Polymermaterial eine Anbringung eines Sensors an den Windkraftflügeln ermöglicht, ohne möglicherweise durch eine Bohrung die Struktur des Windkraftflügels zu beschädigen.
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Ferner kann das Verbindungsformteil 36 bzw. die verwendeten Polymermaterialien (und/oder die einzelnen Polymerschichten) so gewählt sein, um etwaige unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material des ersten Bauteils 32 und dem Material des zweiten Bauteils 34 möglichst auszugleichen, so dass bei einem Einsatz der Vorrichtung 30 mit dem ersten und zweiten Bauteil 32 und 34 bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen möglichst geringe Verspannungen in den beiden Bauteilen 32 und 34 auftreten.
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5 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Endoskops 50, das das Endoskop-Rohr 32 (erstes Bauteil), ein Planglas 54 (zweites Bauteil) und ein Verbindungsformteil 56 aufweist. Das Planglas 54 unterscheidet sich von dem Planglas 34 der 3 und 4 dadurch, dass das Planglas 54 entlang einer Dickenrichtung parallel zu der Fluchtachse 38 (Ausrichtungsachse) eine Verjüngung 55 aufweist. Das bedeutet, dass die zylindrische Form des Planglases 54 einen veränderlichen Durchmesser aufweist. Das Verbindungsformteil 56 weist entlang der Dickenrichtung eine Verdickung 57, also ebenfalls einen veränderlichen (Innen-)Durchmesser auf, die bspw. der Verjüngung 55 des Planglases 54 entspricht. Das Verbindungsformteil 56 kann mittels eines Spritzgussverfahrens und einer Spritzgussform hergestellt werden. Das Verbindungsformteil 56 kann ferner an dem Planglas 54 angeordnet werden, bevor das Planglas 54 relativ zu dem Endoskop-Rohr 32 positioniert wird. Verallgemeinert weisen das Planglas 54 und das Verbindungsformteil 56 nicht ebene Oberflächen auf, insbesondere können das Planglas 54 und das Verbindungsformteil 56 zueinander hinterschnittene Kanten oder Oberflächen aufweisen, so dass eine Entformung des Planglases 54 von dem Verbindungsformteil 56 bzw. des Endoskop-Rohres 32 erschwert oder verhindert ist, wenn die bspw. mechanische oder chemische Verbindung hergestellt ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls vorstellbar, dass das Planglas 54 entlang der Dickenrichtung eine Verdickung und das Verbindungsformteil 56 eine Verjüngung aufweist.
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6 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Endoskops 60, bei dem das Material des Endoskop-Rohres 30 eine Verjüngung 58 aufweist. Bezogen auf einen Innenbereich (bspw. Innendurchmesser) des Endoskop-Rohres, kann dies als eine Vergrößerung des Endoskop-Rohres verstanden werden. Das Verbindungsformteil 56 weist eine entsprechende Verdickung auf, so dass die Verjüngung 58 eine Verankerung des Verbindungsformteils 56 mittels der Verdickung desselben ermöglicht. Das Verbindungsformteil 56 ist ausgebildet, um die Verjüngung 58 zumindest teilweise auszufüllen. Die hergestellte Verbindung kann basierend auf einer so erhaltenen zusätzlichen Verankerung am Außenrohr, d. h. am Endoskop-Rohr 32 eine zusätzliche Stabilisierung bereitstellen.
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Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls vorstellbar, dass das Endoskop-Rohr 32 eine Verdickung aufweist oder dass beispielsweise das Endoskop-Rohr 32 und/oder das Planglas 54 eine Verjüngung und/oder eine Verdickung aufweisen und das Verbindungsformteil 56, bevor der Schritt des Erwärmens durchgeführt wird, beispielsweise eine Ebene oder gerade Form in der Dickenrichtung (konstanter Außen- oder Innendurchmesser) aufweist. Das Polymermaterial kann beispielsweise während des Erwärmens und basierend auf der veränderten Viskosität von Orten der Verdickung des Endoskop-Rohrs 32 oder des Planglases 54 abfließen und/oder in Orte, an denen das Endoskop-Rohr 32 und/oder das Planglas 54 eine Verjüngung aufweist, hineinfließen. In anderen Worten kann das Verbindungsformteil basierend auf der Erwärmung und der geänderten Viskosität eine Formänderung ausführen.
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Ferner ist das erfindungsgemäße Konzept zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen zwei Bauteilen auf Bauteile mit beliebiger Größenordnung anwendbar und somit im Wesentlichen universell einsetzbar. Ferner kann das Verbindungsformteil auch magnetisch bzw. magnetisierbar sein.
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Ist das Verbindungsformteil ein mehrschichtiger Stapel mit ein oder mehreren Polymerschichten, so kann das Verbindungsformteil alternativ oder zusätzlich in optischen Anwendungen einsetzbar sein, wenn Linsenstrukturen aus zwei oder mehreren optischen Komponenten über teilweise oder vollständig transparente Polymerschichten verbunden werden. Das Verbindungsformteil kann ein fluoriertes Polymermaterial aufweisen.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
