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Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung zur temporären Befestigung von Bauteilen und ein Verfahren zum temporären Befestigen von Bauteilen, insbesondere für die Fertigung von Luftfahrzeugen. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Befestigungsvorrichtung in einem Greifsystem zum Greifen und/oder Positionieren von Bauteilen
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Bei der Herstellung von Luftfahrzeugen sowie in vielen anderen Anwendungsgebieten ist es erforderlich, Bauteile temporär oder zeitlich begrenzt zu halten oder miteinander zu befestigen. Dadurch können die Bauteile genau zueinander ausgerichtet oder positioniert werden, um auf diese Weise verschiedenartige Arbeitsschritte durchführen zu können. Beispielsweise werden temporäre Befestigungsvorrichtung verwendet, um plattenartige Bauteile temporär aneinander zu halten, sodass diese dann weiterbearbeitet werden können.
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Temporäre Befestigungsmittel bzw. Befestigungsvorrichtungen werden häufig dazu benutzt, Bauteile zunächst zu positionieren, um diese anschließend dauerhaft miteinander zu verbinden, beispielsweise durch permanente Befestigungsmittel oder -Befestigungsvorrichtungen, durch Kleben oder Ähnliches. Zweck der temporären Befestigungsvorrichtung ist es hierbei, die Teile korrekt zu positionieren und die Bauteile beim Anbringen oder Einsetzen von permanenten Befestigungsmitteln oder beim Klebevorgang an Ort und Stelle zu halten.
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Die Druckschrift
US 8,534,651 B2 beschreibt eine temporäre Befestigungsvorrichtung, die dazu dient, mehrere Bauteile temporär aneinander zu befestigen. Zu diesem Zweck sind in den plattenförmigen Bauteilen passende Löcher oder Öffnungen vorgesehen. Die Befestigungsvorrichtung hat eine innenliegende Hohlkammer, in der ein Spreizelement und drei Zinken gleitend angeordnet sind, die aus der Hohlkammer austreten können. Diese sind vorgespannt, sodass sie beim Austreten aus der Kammer auseinandergedrückt werden, um auf diese Weise von innen gegen die Öffnung in den zu verbindenden Bauteilen zu drücken, sodass diese aneinander befestigt werden.
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Die Druckschrift
US 2010/0154181 A1 beschreibt eine lösbare Befestigungsvorrichtung mit einem Shape Memory- bzw. Formgedächtnis-Polymer, um die Geometrie der Befestigungsvorrichtung zwischen einer Befestigungsgeometrie und einer Ablösegeometrie mithilfe eines elektrischen Signals zu ändern.
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Die Druckschrift
US 2013/0042461 A1 beschreibt verschiedenartige Shape Memory Polymervorrichtungen, welche ihre Formänderungen zum Befestigen und/oder zum Lösen nutzen. In einer ersten Geometrie wird die Bewegung von zwei Objekten relativ zueinander verhindert, und in einer zweiten Geometrie wird die Bewegung von zwei Objekten relativ zueinander erlaubt.
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Die Druckschrift
WO 2012/125360 A2 beschreibt ebenfalls eine Befestigungsvorrichtung mit einem Shape Memory Polymer. Die Befestigungsvorrichtung wird durch eine Aktivierungsenergie angeregt, um ihre Form zu ändern, beispielsweise durch einen elektrischen Strom.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Befestigungsvorrichtung zur temporären Befestigung von Bauteilen zu schaffen, die eine schnelle und präzise Positionierung von miteinander zu verbindenden Bauteilen erlauben, um diese zur weiteren Bearbeitung oder zur permanenten Befestigung fest an einem Ort zu halten. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem die miteinander zu verbindende Bauteile temporär befestigt werden können, um sie während des Vorgangs zur permanenten Fixierung oder Verbindung fest und präzise positioniert an einem Ort zu halten.
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Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Befestigungsvorrichtung zur temporären Befestigung von Bauteilen, umfassend ein Verbindungselement, das mindestens ein elektroaktives Polymerelement umfasst, zum temporären Befestigen einer Bauteilanordnung; Elektroden zum Anschließen an eine Spannungsquelle, um das Verbindungselement durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einen aktiven Zustand zu bringen und durch Trennen von der elektrischen Spannung in einen passiven Zustand zu bringen; wobei das Verbindungselement derart gestaltet ist, dass es im aktiven Zustand in Längsrichtung mit mindestens einem Teilbereich in eine Öffnung der Bauteilanordnung einführbar ist und im passiven Zustand eine kraftschlüssige Verbindung mit der Bauteilanordnung herstellt.
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Bevorzugt ist das Verbindungselement derart ausgebildet, dass es nach seiner Positionierung in der Bauteilanordnung an mindestens einer Seite der Bauteilanordnung herausragt und nach dem Trennen des Verbindungselements von der Spannungsquelle der herausragende Bereich des Verbindungselements über die Öffnung hinaus seitlich expandiert, um das Verbindungselement in der Öffnung zu fixieren.
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Vorteilhaft hat das Verbindungselement zumindest in einem in die Öffnung einzuführenden Teilbereich eine seitliche Erstreckung, die im aktiven Zustand kleiner ist als im passiven Zustand.
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Insbesondere ist das Verbindungselement so gestaltet, dass es beim Übergang in den passiven Zustand seitlich expandiert, um innerhalb der Öffnung von innen gegen die Bauteilanordnung zu drücken.
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Beispielsweise ist das Verbindungselement so gestaltet, dass es beim Übergang in den passiven Zustand in seiner Längsrichtung kontrahiert.
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Bevorzugt ist das Verbindungselement als ein Zylinder ausgestaltet, dessen Durchmesser durch das Trennen von der Spannungsquelle expandiert, und/oder es ist als ein Zylinder gestaltet, dessen Länge durch das Trennen von der Spannungsquelle kontrahiert.
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Insbesondere kann das Verbindungselement mindestens einen End- oder Begrenzungsbereich umfassen, der eine größere seitliche Erstreckung hat als der einführbare Teilbereich, um im aktiven Zustand die Einführtiefe des Verbindungselements in die Öffnung der Bauteilanordnung zu begrenzen.
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Insbesondere kann das Verbindungselement an einem und/oder an beiden Enden ein Endstück aufweisen, dessen seitliche Erstreckung größer ist als die seitliche Erstreckung des in die Bauteilanordnung einzuführenden Teilbereichs.
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Zum Beispiel kann das Verbindungselement an einem und/oder an beiden Enden ein Endstück aufweisen, dessen seitliche Erstreckung im aktivierten Zustand geringer ist als die Weite der Öffnung der Bauteilanordnung.
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Bevorzugt ist das Verbindungselement so gestaltet, dass sich sein Teilbereich zwischen den Endstücken beim Übergang in den passiven Zustand verkürzt und eine gegeneinander gerichtete Klemmkraft auf die Endstücke ausübt, um die Bauteilanordnung von zwei gegenüberliegenden Seiten her einzuklemmen.
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Vorteilhaft umfasst das Verbindungselement mindestens ein erstes und mindestens ein zweites elektroaktives Polymerelement, die ineinandergreifend angeordnet sind.
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Bevorzugt sind die elektroaktiven Polymerelemente so geformt, dass beim Trennen von der elektrischen Spannungsquelle das zweite elektroaktive Polymerelement das erste elektroaktive Polymerelement seitlich auseinanderdrückt.
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Beispielsweise sind die elektroaktiven Polymerelemente so geformt, dass sich das zweite elektroaktive Polymerelement in das erste elektroaktive Polymerelement hinein erstreckt.
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Vorteilhaft sind die elektroaktiven Polymerelemente so geformt, die mindestens zwei elektroaktiven Polymerelemente eine männlich/weibliche Geometrie bzw. eine Stecker-/Buchse-Geometrie aufweisen.
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Insbesondere hat das zweite elektroaktive Polymerelement eine konische Form, die im passiven Zustand von innen gegen das erste elektroaktive Polymerelement drückt, um es auseinander zu spreizen.
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Vorteilhaft sind die elektroaktiven Polymerelemente so geformt, dass beim Trennen der elektrischen Spannungsquelle das zweite elektroaktive Polymerelement mindestens einen seitlich hervorstehenden Abschnitt des ersten elektroaktiven Polymerelements zur Seite und zusätzlich in einer senkrecht dazu gerichteten Richtung drückt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung in einem Greifsystem zum Greifen und/oder Positionieren einer Bauteilanordnung verwendet, die eines oder mehrere Bauteile umfasst.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum temporären Befestigen von Bauteilen angegeben, umfassend die Schritte: Positionieren eines Verbindungselements, das mindestens ein elektroaktives Polymerelement umfasst, an einer Öffnung einer Bauteilanordnung; Kontrahieren mindestens eines Teilbereichs des Verbindungselements durch Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei es in einen aktiven Zustand gebracht wird; Einführen des Verbindungselements im aktiven Zustand zum Beispiel in seiner Längsrichtung in eine Öffnung der Bauteilanordnung; Trennen des Verbindungselements von der elektrischen Spannung, wobei es in einen passiven Zustand gebracht wird, in dem es eine kraftschlüssige Verbindung mit der Bauteilanordnung bildet.
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Vorteilhaft expandiert beim Trennen des Verbindungselements von der Spannungsquelle ein Bereich des Verbindungselements, der an mindestens einer Seite der Baueilanordnung herausragt, zum Beispiel seitlich über die Öffnungsweite der Bauteilanordnung hinaus.
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Bevorzugt wird das Verbindungselement zumindest in seinem in die Öffnung eingeführten Teilbereich durch Übergang in den passiven Zustand innerhalb der Bauelementanordnung expandiert und drückt von innen zur Seite hin gegen die Bauteilanordnung.
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Bevorzugt wird das Verbindungselement durch Übergang in den passiven Zustand in seiner Längsrichtung kontrahiert und die Bauelementanordnung wird zum Beispiel zwischen Endbereichen des Verbindungselements eingeklemmt, die an beiden Enden des eingeführten Teilbereichs angrenzen.
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Bevorzugt wird das Verbindungselement beim Trennen von der elektrischen Spannung durch mindestens zwei elektroaktive Polymerelemente, die ineinandergreifend angeordnet sind, seitlich auseinandergedrückt.
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Vorteilhaft wird beim Trennen der elektrischen Spannungsquelle von dem Verbindungselement mindestens ein seitlich hervorstehender Abschnitt eines elektroaktiven Polymerelements zur Seite und zum Beispiel zusätzlich in einer senkrecht dazu gerichteten Richtung gedrückt.
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Bevorzugt wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Befestigungsvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1a-c eine Befestigungsvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beim Befestigen einer Bauteilanordnung in einer schematischen Darstellung;
- 2a und 2b die Befestigungsvorrichtung beim Übergang vom passiven Zustand in den aktiven Zustand in vergrößerter Darstellung;
- 3a-c eine Befestigungsvorrichtung mit einem Verbindungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 4a-c schematisch ein Verbindungselement einer Befestigungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Zuständen beim Befestigen einer Bauteilanordnung, jeweils als Schnittansicht;
- 5a und 5b den in den 4b bzw. 4c dargestellten Zustand in einer räumlichen Ansicht schräg von oben;
- 6a und 6b ein Verbindungselement einer Befestigungsvorrichtung gemäß einer vierte Ausführungsform der Erfindung mit zwei elektroaktiven Polymerelementen im aktivierten bzw. im deaktivierten Zustand;
- 7a-c schematisch die Verwendung der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung zur temporären Befestigung von Bauteilen in einem Greifsystem in verschiedenen Verfahrensschritten;
- 8 schematisch verschiedene Schritte eines Beispiels für das erfindungsgemäße Verfahren zum Greifen und Bewegen einer Komponente bzw. eines Bauteils;
- 9 schematisch verschiedene Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem weiteren Beispiel, wobei die eine Bauteilanordnung aus gestapelten Komponenten transportiert wird;
- 10a und 10b als schematische Darstellung eine räumliche Ansicht einer Rollenstruktur, die bevorzugt als Verbindungselement in der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung verwendet wird.
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Die 1a bis 1c zeigen eine Befestigungsvorrichtung 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Dabei zeigt die 1a die Befestigungsvorrichtung 10 in einem Zustand vor dem Einführen in eine Bauteilanordnung 11, während die 1b die Befestigungsvorrichtung 10 in einem Zustand zeigt, indem sie in die Bauteilanordnung 11 eingeführt ist, und die 1c die Befestigungsvorrichtung 10 in einem Zustand zeigt, in dem sie in die Bauteilanordnung 11 eingeführt ist und eine kraftschlüssige Verbindung mit der Bauteilanordnung 11 herstellt.
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Die Befestigungsvorrichtung 10 dient zum Positionieren und zum temporären Verbinden von mehreren Bauteilen 11a, 11b der Bauteilanordnung 11. Dabei ist ein erstes Bauteil 11a auf einem zweiten Bauteil 11b angeordnet. Die Bauteile 11a, 11b der Bauteilanordnung 11 weisen jeweils mindestens ein vorgeformtes Loch 11a, 11b auf und sind so übereinanderliegend angeordnet, dass die beiden vorgeformten bzw. vorgebohrten Löcher 11a, 11b fluchtend angeordnet sind und gemeinsam ein Loch bzw. eine Öffnung 12 in der Bauteilanordnung 11 bilden.
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Die Befestigungsvorrichtung 10 umfasst ein zylindrisch geformtes Verbindungselement 13, das mindestens ein elektroaktives Polymerelement aufweist. An der Oberseite und an der Unterseite des zylindrischen Verbindungselements 13 ist jeweils eine Elektrode 14 angeordnet, um das Verbindungselement 13 mit einer elektrischen Spannungsquelle 15 elektrisch zu verbinden. Die Spannungsquelle 15 ist durch elektrischen Leitungen 16 mit den Elektroden 14 des Verbindungselements 13 verbunden, wobei ein Schaltelement 16a vorgesehen ist, um die elektrische Verbindung zu unterbrechen.
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Das Verbindungselement 13 bzw. das elektroaktive Polymerelement bildet einen Zylinder 17, der sich in Längsrichtung L erstreckt und einen Durchmesser D aufweist. Die Elektroden 14 sind jeweils an einer Stirnseite des Zylinders 17 bzw. des Verbindungselements 13 angeordnet, das heißt sie befinden sich an den in Längsrichtung L sich gegenüberliegenden Enden des zylindrisch geformten Verbindungselements 13. Der Durchmesser D des Verbindungselements 13 ist größer als der Innendurchmesser bzw. die Öffnungsweite W der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11, wenn sich das Verbindungselement 13 im passiven Zustand befindet.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zum temporären Befestigen von Bauteilen anhand der 1a bis 1c beschrieben.
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Schritt 1: Zum Befestigen der Bauteile 11a, 11b wird das Verbindungselement 13 bzw. das zylindrisch geformte elektroaktive Polymerelement zunächst an der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 positioniert.
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Im passiven Zustand liegt keine elektrische Spannung an dem elektroaktiven Polymerelement des Verbindungselements 13 an. In diesem Zustand ist das Verbindungselement in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung L expandiert, d. h. in Richtung des Durchmessers D des Verbindungselements 13 (siehe 1a).
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Schritt 2: Falls das Verbindungselement 13 noch im passiven, bzw. expandierten Zustand ist, wird das Verbindungselement 13 in einen aktiven Zustand gebracht, in dem es dünner ist als im passiven Zustand. Um den aktiven Zustand des Verbindungselements 13 herzustellen, wird mittels der Spannungsquelle 15 eine elektrische Spannung an die Elektroden 14 des Verbindungselements 13 angelegt. Hierzu wird das Schaltelement 16a geschlossen. Dies kann zum Beispiel auch vor Schritt 1 erfolgen.
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Nun wird das Verbindungselement 13 im aktiven Zustand in seiner Längsrichtung L in das vorgebohrte Loch 12 der Bauteilanordnung 11 eingeführt, das durch die fluchtend zueinander ausgerichteten, übereinander liegenden Löcher 12a, 12b der Bauteile 11a, 11b gebildet wird.
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Am Ende des zweiten Verfahrensschritts befindet sich das Verbindungselement 13 im aktiven Zustand innerhalb der Bauteilanordnung 11 in dessen Öffnung 12, wobei das Verbindungselement seitlich kontrahiert ist und somit einen geringeren Durchmesser D' aufweist als die Öffnungsweite W der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 (siehe 1b).
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Schritt 3: Im nächsten Schritt des Verfahrens wird das Verbindungselement 13 aus dem aktiven Zustand zurück in den passiven Zustand gebracht. Dies wird durch Trennen des Verbindungselements 13 von der elektrischen Spannungsquelle 15 bewirkt. Die Elektroden 14 des Verbindungselements 13 werden von der elektrischen Spannungsquelle 15 getrennt, wodurch der Durchmesser des Zylinders 17, der durch das Verbindungselement 13 gebildet ist, expandiert.
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Durch die seitliche Expansion des Verbindungselements 13 innerhalb der Öffnung 12 wird eine kraftschlüssige Verbindung mit der Bauteilanordnung 11 gebildet, bei der die äußere Wand des zylindrischen Verbindungselements einen Druck auf die Innenwand der Öffnung 12 ausübt. Dadurch ist das Verbindungselement 13 an einer Bewegung innerhalb der Öffnung 12 gehindert. Dies geschieht zum Teil aufgrund der Reibung zwischen dem Verbindungselement 13 und der Innenwand der Öffnung 12, und auch aufgrund der Expansion des in die Öffnung 12 eingeführten Teils des zylindrischen Verbindungselements 13, das auf diese Weise automatisch eine Hülse bildet (siehe 1c).
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Das in den 1a bis 1c gezeigte Verbindungselement 13 kann mit einem vergrößerten Fußbereich und/oder Kopfbereich ausgestattet sein, um je nach Anwendungsfall ein Durchziehen oder Durchrutschen des Verbindungselements 13 durch die Öffnung 12 zu verhindern. Die Ausgestaltung eines in seinem Durchmesser vergrößerten, zylindrischen Kopf- und/oder Fußbereichs am Ende des zylindrischen Verbindungselements 13 wird weiter unten im Detail beschrieben.
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Die 2a und 2b zeigen in vergrößerter Darstellung die Befestigungsvorrichtung 10 beim Übergang vom passiven Zustand (2a) in den aktiven Zustand (2b), den es zum Einführen in das Bauteil 11a, 11b bzw in die Bauteilandordnung 11 einnimmt. Im passiven Zustand gemäß 2a hat das zylindrische Verbindungselement 13 einen größeren Durchmesser bzw. eine größere seitliche Erstreckung als im aktiven Zustand und ist von der Spannungsquelle 15 getrennt. Es liegt keine elektrische Spannung an den elektroaktiven Polymerelemente bzw. dem Verbindungselement 13 an. Der Schalter 16a ist geöffnet.
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Im aktiven Zustand gemäß 2b liegt eine elektrische Spannung an dem Verbindungselement 13 an. Das Schaltelement 16a ist zu diesem Zweck geschlossen. Das zylindrische Verbindungselement 13 hat nun einen geringeren Durchmesser D'als im passiven Zustand. Dadurch kann es in die Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 eingeführt werden.
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Das Verbindungselement 13 ist demnach so gestaltet, dass es im aktiven Zustand einen reduzierten Durchmesser aufweist, der so bemessen ist, dass er die Einführung in die Löcher 12a, 12b der Bauteile 11a, 11b erlaubt, jedoch dabei möglichst groß ist. Der Durchmesser D' bzw. die seitliche Erstreckung des Verbindungselements 13 im passiven Zustand ist dagegen so bemessen, dass durch die Expansion des Verbindungselements 13 in der Öffnung 12 eine kraftschlüssige Verbindung zu den Bauteilen 11a, 11b innerhalb ihrer Öffnungen 11a, 11b hergestellt wird.
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Die 3a bis 3c zeigen eine Befestigungsvorrichtung 10 mit einem Verbindungselement 23 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Verbindungselement 23 weist ebenfalls ein elektroaktives Polymerelement auf. Dabei zeigt die 3a das Verbindungselement 23 in einem passiven Zustand beim Positionieren an der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11. Die 3b zeigt das Verbindungselement 23 in einem aktiven Zustand beim Einführen in die Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11. Die 3c zeigt das Verbindungselement 23 wiederum im passiven Zustand innerhalb der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11, wobei es eine kraftschlüssige Verbindung zu den Bauteilen 11a, 11b der Bauteilanordnung 11 herstellt.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform hat das Verbindungselement 23 die Form eines Zylinders mit vergrößerten Endbereichen 23a, 23b, die an den beiden Enden des sich in Längsrichtung L erstreckenden Verbindungselements 23 angeordnet sind. Dabei bildet der Endbereich 23a einen vergrößerten Kopf des Zylinders und der Endbereichen 23b einen vergrößerten Fuß des Zylinders.
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Der zylindrische Kopfbereich 23a und der zylindrische Fußbereich 23b haben einen größeren Durchmesser als ein zylindrischer Zentralbereich 23c des zylindrischen Verbindungselements 23. Im Übrigen ist das Verbindungselement 23 und die Befestigungsvorrichtung 10 so gestaltet wie oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
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Das Verbindungselement 23 ist ebenfalls wie oben unter Bezugnahme auf die 1a bis 1c beschrieben elektrisch an eine elektrische Spannungsquelle 15 gekoppelt, mit der eine elektrische Spannung an das Verbindungselement 23 angelegt werden kann, wobei die elektrische Verbindung auch wieder getrennt werden kann.
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Die Bauteilanordnung 11 mit dem ersten Bauteil 11a und dem zweiten Bauteil 11b ist wie oben und unter Bezugnahme auf die 1a bis 1c beschrieben ausgestaltet.
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Nachfolgend wird anhand der 3a bis 3c ein Verfahren zum Befestigen der Bauteile 11a, 11b aneinander beschrieben.
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Schritt 1: Das Verbindungselement 23 wie oben beschrieben an der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 angeordnet, um es in einem späteren Verfahrensschritten in seiner Längsrichtung L in die als Bohrung gestaltete Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 einzuführen. Das Verbindungselement 23 wird dabei so positioniert, dass seine Längsrichtung L mit der Längsachse der Öffnung 12 übereinstimmt (siehe 3a).
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Im passiven Zustand des Verbindungselements 23, wie er in 3a dargestellt ist, ist die elektrische Verbindung zur Spannungsquelle 15 unterbrochen, d. h. das Schaltelement 16a ist geöffnet. In diesem Zustand ist das Verbindungselement 23 radial expandiert, d. h. sein Durchmesser ist größer als der Innendurchmesser bzw. die Öffnungsweite W der Öffnung 12. Die Länge des Zentralbereichs 23c ist kleiner als die Dicke der Bauteilanordnung 11, d.h. T-Δ.
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Schritt 2. Falls das Verbindungselement 23 mit seinem elektroaktiven Polymer noch im passiven Zustand ist, wird es zum Einführen in die Öffnung 12 durch Anlegen der elektrischen Spannung aktiviert. Dadurch wird sein Durchmesser reduziert und sein Fußbereich 23b, der nun ebenfalls einen reduzierten Durchmesser hat, kann durch die vorgebohrten Löcher 12a, 12b der übereinander angeordneten Bauteile 11a, 11b geführt werden.
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Hierzu ist der Durchmesser des Fußbereich 23b des Verbindungselements 23 im aktivierten Zustand geringer als der Innendurchmesser bzw. die Öffnungsweite W der Öffnung 12. Zusätzlich ist der zylindrische Zentralbereich 23c des Verbindungselements 23 im aktivierten Zustand ebenfalls in seinem Durchmesser reduziert, und der Zentralbereich 23c weist eine Länge T auf, die größer ist als im passiven Zustand und auch größer als die Dicke T der Bauteilanordnung 11, d.h. T+Δ. Dabei ist T die Summe der Dicken t1, t2 der Bauteile 11a, 11 b.
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Nach der Einführung des Verbindungselements 23 in die Öffnung 12 befindet sich sein Zentralbereich 23c innerhalb der Öffnung 12, während sein Kopfbereich 23a und sein Fußbereich 23b an beiden Enden der durchgehenden Bohrung oder Öffnung 12 herausragen (siehe 3b).
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Schritt 3: Nun wird das Verbindungselement 23 durch Trennen von der Spannungsquelle 15 wieder in den passiven Zustand gebracht, d. h. deaktiviert. Dadurch vergrößert sich der Durchmesser D des zentralen Bereichs 23c des zylindrischen Verbindungselements 23 und presst innerhalb der Öffnung 12 radial nach außen gegen die aus den Bauteilen 11a, 11b gebildete Bauteilanordnung 11.
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Gleichzeitig wird durch das Deaktivieren die Länge T des zentralen Bereichs 23c des Verbindungselements 23 reduziert, wodurch der am oberen Ende hervorstehende Kopfbereich 23a gegen den am unteren Ende hervorstehenden Fußbereich 23b gezogen wird, d. h. die beiden Endbereichen 23a, 23b des zylindrischen Verbindungselements 23 werden in Z-Richtung bzw. in Längsrichtung L gegeneinander gedrückt, wenn der deaktivierte Zustand eintritt.
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Da die Durchmesser der Endbereiche 23a, 23b im passiven Zustand größer sind als die Öffnungsweite W der Löcher 11a, 11b und sich am oberen und am unteren Ende der Öffnung 12 über jeweils einen Randbereich der Bauteilanordnung 11 erstrecken, bewirkt das Gegeneinanderziehen der beiden Endbereiche 23a, 23b beim Deaktivieren, dass die beiden plattenförmigen Bauteile 11a, 11b durch die Endbereiche 23a, 23b zusammengeklammert und gegeneinander gepresst werden (siehe 3c).
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Die miteinander zu verbindenden Komponenten bzw. Bauteile 11a, 11b werden somit durch das Verbindungselement 23 beim Übergang in den passiven Zustand zwischen dem hervorstehenden Kopfbereich 23a und dem hervorstehenden Fußbereich 23b eingeklemmt. Zu diesem Zweck ist die Länge des Verbindungselements 23 bzw. die Länge seines zentralen Bereichs 23c so bemessen, dass sie im passiven Zustand geringer ist als die Dicke T der Bauteilanordnung 11, die sich aus den einzelnen Decken t1, t2 der beiden übereinanderliegenden Bauteile 11a, 11b zusammensetzt, d.h. T+Δ. Im aktiven Zustand des Verbindungselements 23, das heißt zum Einführen in die Öffnung 12, ist dagegen die Länge des zentralen Bereichs 23c so bemessen, dass sie größer ist als die Dicke T der Bauteilanordnung 11, d.h. T+Δ.
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Das aus einem elektroaktiven Polymer gefertigte Verbindungselement, kurz auch EAP-Befestigungselement genannt, bildet mit seinem vergrößerten Kopf- und/oder Fußbereich einen Niet aus einem elektroaktiven Polymer, das eine Klemmkraft und eine Flächenpressung erzeugt.
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In dem in 3a dargestellten Zustand ist das Verbindungselement oder EAP-Befestigungselement 23 inaktiv und sein zylindrische mittlerer Bereich 23c ist etwas kürzer als die Summe der jeweiligen Dicke der beiden Platten bzw. Bauteile 11a, 11b, die miteinander zu verbinden sind.
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In dem in 3b dargestellten Zustand ist das Verbindungselement oder EAP-Befestigungselement 23 aktiviert, und alle seine zylindrischen Teilbereiche 23a, 23b, 23c sind in ihren Dicken reduziert bzw. dünner, sodass die Befestigungsvorrichtung 23 in dem vorgebohrten Loch 12 positioniert werden kann. Die Längen der Zylinder 23a, 23b, 23c bzw. der zylindrischen Teilbereiche des Verbindungselements 23 sind aufgrund des Poisson-Effekts vergrößert.
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In dem in 3c dargestellten Zustand ist das Verbindungselement oder EAP-Befestigungselement 23 deaktiviert, wobei sämtliche Zylinder 23a, 23b, 23c, welche Teilbereiche des Zylinders 23 bzw. des Verbindungselements 23 bilden, dicker und kürzer sind als im aktivierten Zustand. Das Verbindungselement 23 ist in dem vorgebohrten Loch bzw. in der Öffnung 12 positioniert. Der Klemm- und Anpressdruck ist in diesem Zustand aktiviert und wirkt von beiden Seiten auf die Bauteile 11a, 11b, die auf diese Weise durch das Verbindungselement 23 aneinander befestigt werden. Die Längen der Zylinder oder Teilzylinder 23a, 23b, 23c sind aufgrund des Poisson-Effekts reduziert.
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Die 4 und 5 zeigen schematisch ein Verbindungselement 33 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Zuständen in einer Bauteilanordnung 11 sowie in unterschiedlichen Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Befestigen der Bauteile 11a, 11b.
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Dabei ist in den 4a bis 4c jeweils eine Schnittansicht dargestellt. Das Verbindungselement 33 ist wie oben beschrieben zylindrisch geformt und weist im Inneren ein elektroaktives Polymerelement 33a auf. Das Verbindungselement 33 ist wie oben im Detail beschrieben ausgestaltet. An seinem unteren Ende befindet sich ein vergrößerter Bereich bzw. Fußbereich 34, der als ein relativ flacher Zylinder ausgebildet ist und einen größeren Durchmesser aufweist als der zylindrische Hauptbereich 33c des Verbindungselements 33, der sich an den Fußbereich 34 anschließt.
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Der Hauptbereich 33c des Verbindungselements 33 hat gegenüber den Fußbereich 34 eine relativ große Länge in seiner Längsrichtung L.
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In dem in 4a und 4b gezeigten Zustand befindet sich das Verbindungselement 33 in einem aktiven Zustand, in dem es in seinem Hauptbereich 33c einen reduzierten Durchmesser aufweist. Dabei ist es in seiner Längsrichtung L expandiert, d. h. es weist eine größere Länge auf als im deaktivierten bzw. passiven Zustand. Der hier dargestellte aktive Zustand wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das elektroaktive Polymerelement 33a bewirkt, wie es oben bereits detailliert beschrieben ist.
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Die Bauteilanordnung 11 wurde ebenfalls oben bereits im Detail beschrieben. Zwei plattenartig oder flächig ausgebildete Bauteile 11a, 11b weisen jeweils eine Bohrung 12a bzw. 12b auf und sind flächig aneinandergrenzend bzw. übereinanderliegend angeordnet. Dabei sind die Bauteile 11a, 11b so positioniert, dass die Löcher oder Bohrungen 12a, 12b übereinander liegen und gemeinsam eine durchgehende Öffnung 12 bzw. ein durchgehendes Loch bilden.
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In dem in 4a gezeigten Zustand wird das Verbindungselement 33 in die Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 in Längsrichtung L eingeführt.
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Im vollständig eingeführten Zustand, wie er in 4b gezeigt ist, stößt der äußere Rand des Fußbereichs 34 gegen die Bauteilanordnung 11, die auf diese Weise einen Anschlag für das Element 34 bildet. Dabei ist das Verbindungselement 33 weiterhin im aktiven Zustand.
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Nun wird das Verbindungselement 33 durch Trennen von der Spannungsquelle 15 (siehe 1c) in den passiven Zustand gebracht. Dieser Zustand ist in 4c schematisch dargestellt. Beim Übergang in den passiven Zustand vergrößert sich der Durchmesser des Hauptbereichs 33c des Verbindungselements 33, sodass es sich radial nach außen hin vergrößert. Dabei erstreckt sich ein äußerer Bereich 33b des Verbindungselements 33 radial nach außen und überdeckt die Bauteilanordnung 11 an einem Randbereich auf der dem Fußbereich 34 gegenüberliegenden Seite der Bauteilanordnung 11. Gleichzeitig wirkt im passiven Zustand ein radial nach außen gerichteter Druck auf die Innenseite der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11
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Durch die Deaktivierung bzw. durch den passiven Zustand des Verbindungselements 33 wird seine Länge reduziert, sodass die Bauteilanordnung 11 zwischen dem Fußbereich 34 und dem äußeren Bereich 33b mit einer Klemmkraft eingeklemmt wird. Auf diese Weise wird durch das Herstellen des passiven Zustand eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement 33 und der Bauteilanordnung 11 hergestellt, die sowohl im Inneren der Öffnung 12 in radialer Richtung wirkt als auch von beiden Seiten, d. h. von oben und von unten gegen die Bauteilanordnung 11 drückt.
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Das hier gezeigte, aus einem elektroaktiven polymergefertigte Verbindungselement 33 bildet ein EAP-Verbindungselement, das als ein Niet ausgebildet ist und auf diese Weise herkömmliche Verbindungssysteme ersetzen kann. Bei dem EAP-Verbindungselement kann eine Deformation bis zu 40 % erreicht werden. Bevorzugt werden hierfür gestapelte EAP-Elemente verwendet.
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5a zeigt den in 4b dargestellten Zustand in einer räumlichen Ansicht schräg von oben. 5b zeigt den in 4c dargestellten Zustand in einer räumlichen Ansicht schräg von oben. Beide Zustände wurden oben bereits im Detail beschrieben.
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Die 6a und 6b zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Dabei weist das Verbindungselement 43 zwei oder mehr elektroaktive Polymerelemente auf. 6a zeigt das Verbindungselement 43 im aktivierten Zustand, während 6b das Verbindungselement 43 im deaktivierten Zustand zeigt.
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Die aus den Bauteilen 11a, 11b gebildete Bauteilanordnung 11 mit dem darin ausgebildeten durchgehenden Loch bzw. der Öffnung 12 wurde oben bereits im Detail beschrieben.
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Das elektroaktive, temporäre Verbindungselement 43, das auch als EAP-Verbindungselement 43 bezeichnet wird, umfasst ein erstes elektroaktives Polymerelement bzw. EAP-Element 44 und ein zweites elektroaktives Polymerelement bzw. EAP-Element 45. Es können auch eine größere Anzahl von EAP-Elementen einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung verwendet werden.
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Das erste EAP-Element 44 hat einen relativ großen Endbereich 46, der einen Kopfbereich bildet und zum Beispiel zylindrisch geformt ist bzw. die Form eines flachen Zylinders aufweist.
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An den Kopfbereich 46 anschließend erstreckt sich unterhalb davon im ersten EAP-Element 44 ein Zentralbereich 48, der durch zwei Finger bzw. Arme 44a, 44b gebildet wird. Die beiden Finger oder Arme 44a, 44b erstrecken sich in Längsrichtung L des Verbindungselements 43, d. h. sie verlaufen von der Unterseite des Kopfbereichs 46 ausgehend senkrecht dazu nach unten.
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Das Verbindungselement 43 ist derart geformt, dass es im aktivierten Zustand mit seinen Armen 44a, 44b innerhalb der Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 platziert werden kann, wobei der Kopfbereich 46 größer ist als die Öffnungsweite der Öffnung 12 und daher einen Anschlag für die Bauteilanordnung 11 bildet, wenn das Verbindungselement 43 in die Öffnung 12 eingeführt wird.
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Die Außenseiten der Arme 44a, 44b verlaufen parallel zueinander, sodass sie nach dem Einführen des Verbindungselements 43 in die Öffnung 12 sich parallel zur Innenseite bzw. Innenwand der Öffnung 12 erstrecken.
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Zwischen den beiden Armen 44a, 44b des ersten EAP-Elements 44 ist ein konischer Raum mit einer konischen Geometrie ausgebildet, in dem formschlüssig das zweite EAP-Element 45 angeordnet ist. Seine Seiten 45a, 45b laufen in einem spitzen Winkel aufeinander zu und liegen flächig an den sich gegenüberliegenden Innenseiten der Arme 44a, 44b an, die ebenfalls in demselben spitzen Winkel aufeinander zu laufen. D. h., beide EAP-Elemente 44, 45 sind konisch geformt bzw. haben eine konische Geometrie, wobei das zweite EAP-Element einen Keil bildet, der sich vom unteren Ende des Verbindungselements 43 her zwischen den beiden Armen 44a, 44b in das erste EAP-Element 44 hinein erstreckt.
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Am Ende der beiden Arme 44a, 44b, d. h. an dem Ende des Verbindungselements 43, dass dem Kopfbereich 46 gegenüberliegt, ist jeweils ein Halteelement 47a, 47b angeordnet. Die Halteelemente 47a, 47b erstrecken sich senkrecht zur Längsrichtung L des Verbindungselements 43 nach außen, um im expandierten Zustand des Verbindungselements 43 von der dem Kopfbereich 46 gegenüberliegenden Seite, in dem hier gezeigten Beispiel von unten, gegen die Bauteilanordnung 11 zu drücken.
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Zum Einführen des Verbindungselements 43 in seiner Längsrichtung in die Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 wird das Verbindungselement 43 mit seinen EAP-Elementen 44, 45 in den aktivierten Zustand gebracht, in dem seine seitliche Erstreckung, d. h. senkrecht zur Längsrichtung L, geringer ist als die Öffnungsweite der Öffnung 12. Dadurch können die seitlich über die Arme 44a, 44b hinaus nach außen hervorstehenden Halteelemente 47a, 47b vollständig durch die Öffnung 12 geschoben werden, bis der relativ breite Kopfbereich 46 an die Bauteilanordnung 11 anschlägt. Die Halteelemente 47a, 47b befinden sich nun außerhalb der Öffnung 12 an der dem Kopfbereich 46 gegenüberliegenden Seite der Bauteilanordnung 11, in diesem Beispiel an dessen Unterseite.
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Nach dem vollständigen Einführen des Verbindungselements 43 in die Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 wird das EAP-Verbindungselement 43 wieder in den passiven Zustand gebracht. Zu diesem Zweck wird es von der Spannungsquelle 15 (siehe 1c) getrennt. Sowohl das erste EAP-Element 44 als auch das zweite EAP-Element 45 dehnen sich in der deaktivierten Phase radial nach außen bzw. senkrecht zur Längsrichtung L des Verbindungselements 43 aus. Als Folge drückt das sich ausdehnende zweite EAP-Element 45 die Finger 44a, 44b des ersten EAP-Elements 44 nach außen.
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Aufgrund der buchsenartigen Geometrie oder Form des ersten EAP-Elements 44 werden die Halteelemente 47a, 47b bzw. Klemmstücke nach außen und zugleich nach oben geschoben d. h. in Richtung des Kopfbereichs 46. Auf diese Weise drücken Sie von unten gegen die Bauteilanordnung 11, während von der gegenüberliegenden Seite, in diesem Fall von oben, der relativ breite Kopfbereich 46 gegen die Bauteilanordnung 11 drückt. Somit ergibt sich eine Klemmwirkung, die von beiden Seiten her auf die Bauteilanordnung 11 ausgeübt wird.
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Aufgrund der Deaktivierung reduziert sich gleichzeitig die Länge der Finger oder Arme 44a, 44b, sodass die Halteelemente 47a, 47b zum Kopfbereich 46 hin gezogen werden, wodurch die Klemmwirkung erzeugt wird.
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Gleichzeitig verbreitert sich durch die Deaktivierung der durch die beiden Arme 44a, 44b gebildete Zentralbereich 48, sodass diese von innen her gegen die Öffnung 12 drücken und damit eine kraftschlüssige Verbindung mit den Bauteilen 11a, 11b der Bauteilanordnung 11 sowie zwischen den Bauteilen 11a, 11b herstellen.
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Je nach den Erfordernissen des konkreten Anwendungsfall können die Geometrie und die Form der EAP-Elemente variieren, die das Verbindungselement 43 bilden. Anders ausgedrückt, die als Buchse bzw. buchsenartig geformten EAP-Elemente 44, 45 können aus verschiedenen Fingern bzw. Armen 44a, 44b gebildete sein, welche durch die sich ausdehnenden steckerartigen EAP-Elemente von 49 auseinander gespreizt werden, wenn sich das Verbindungselement 43 im passiven Zustand befindet. Die Klammerpunkte der Halteelemente 47a, 47b verlaufen dann näherungsweise auf einem zirkulären Pfad außen und nach oben, um die zu verbindenden Bauteile 11a, 11b aneinander zu klammern.
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Das aus zwei oder mehr EAP Komponenten gebildete Verbindungselement 43 kann nach den jeweiligen Erfordernissen für unterschiedliche Lochdurchmesser und für unterschiedliche erforderliche Klemmkräfte gestaltet werden.
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Die 7a bis 7c zeigen schematisch die Verwendung der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung zur temporären Befestigung von Bauteilen in einem Greifsystem 60, das zum Greifen und Transportieren von Bauteilen dient.
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Die Befestigungsvorrichtung 10, wie sie oben beschrieben ist, ist an einem Greifarm 61 angeordnet, der an einer bewegbaren Plattform 62 befestigt ist. Zum Greifen einer Bauteilanordnung 11, die aus einem Bauteil oder aus mehreren Bauteilen bestehen kann, wird das Verbindungselement 13 an einer Öffnung 12 der Bauteilanordnung 11 so positioniert, dass es in die Öffnung 12 eingeschoben bzw. eingebracht werden kann.
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Die Positionierung des Verbindungselements 13 ist schematisch in 7a dargestellt. Um das Verbindungselement 13 in die Öffnung 12 einzubringen, muss es mit seinem elektroaktiven Polymer in einen aktiven Zustand gebracht werden, da es in seinem passiven Zustand einen größeren Durchmesser bzw. eine größere seitliche Erstreckung oder Ausdehnung hat als die Öffnung 12 in der an dem Verbindungselement 13 zu befestigenden Bauteilanordnung 11. Da das Verbindungselement 13 so gestaltet ist, dass es in seinem aktiven Zustand in die zu greifende Bauteilanordnung 11 bzw. in dessen Öffnung 12 eingebracht werden kann, wird es zum Einbringen in die Öffnung 12 in den aktiven Zustand gebracht. Hierzu wird, wie oben zu anderen Ausführungsformen beschrieben, eine elektrische Spannung an das Verbindungselement 13 angelegt.
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Die Elektroden zum Anlegen der elektrischen Spannung sind derart an bzw. in dem Verbindungselement 13 angeordnet, dass das elektroaktive Polymer des Verbindungselements 13 beim Anlegen der elektrischen Spannung eine Ausdehnung des Verbindungselements 13 innerhalb der Bauteilanordnung 11 bzw. des darin befindlichen Lochs 12 bewirkt, um eine kraftschlüssige Verbindung mit der Bauteilanordnung 11 einzugehen und diese dadurch zu greifen und anzuheben.
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7b zeigt das Greifsystem in einem Zustand, in dem das Verbindungselement 13 in die Bauteilanordnung 11 eingebracht ist. Nach dem Einbringen in die Bauteilanordnung 11 wird das Verbindungselement 11 wieder zurück in den passiven Zustand gebracht, was durch Trennen der Spannungsquelle vom Verbindungselement 13 bewirkt wird. Die dadurch bewirkte Ausdehnung innerhalb der Bauteilanordnung 11 bewirkt dessen temporäre Befestigung an den Greifarm 61 des Greifsystems 60.
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7c zeigt das Greifsystem 60 mit dem daran befestigten Bauteil 11, nachdem es durch das Greifsystem 60 an eine andere Position und/oder Lage gebracht wurde. Nachdem das Bauteil 11 in der anderen Position befestigt oder montiert wurde, wird das Verbindungselement 13 der Befestigungsvorrichtung 10 durch Anlegen der elektrischen Spannung wieder in den aktiven Zustand gebracht, wodurch sich die Ausdehnung des Verbindungselements 13 in dem Bauteil 11 reduziert, sodass es aus diesem gelöst und herausgeführt werden kann.
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In dem hier gezeigten Fall wird das Verbindungselement 13 der Befestigungsvorrichtung 10 als Endeffektor eines Greif- und/oder Transportsystems verwendet. Hierzu wird das gleiche Prinzip benutzt, wie es oben bei den dort beschriebenen Ausführungsformen im Detail gezeigt ist. Der auf diese Weise gebildete Endeffektor kann neben Anordnungen mehrerer Bauteile auch einzelne Komponenten bzw. Bauteile greifen und positionieren. Diese Art eines Endeffekttors erlaubt zum Beispiel auch das Transportieren, Positionieren und Klammern verschiedener Komponenten oder Bauteile in einem Schritt.
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Das auf einem elektroaktiven Polymer (EAP) basierende Verbindungselement 13 bildet auf diese Weise eine Alternative zu Roboterarmen mit herkömmlichen Greifmechanismen. Das hier gezeigte EAP-Greifsystem 60 ist als ein Roboter ausgestaltet.
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Die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Befestigungsvorrichtung gemäß der Erfindung dient zur temporären Befestigung von Bauteilen, sie kann jedoch auch zur permanenten bzw. dauerhaften Befestigung verwendet werden, wobei die Möglichkeit besteht, die permanente Befestigung durch Aktivieren des EAP, insbesondere durch Anlegen einer elektrischen Spannung, wieder zu lösen.
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8 zeigt schematisch ein Verfahren zum Greifen und Bewegen einer Komponente bzw. eines Bauteils 11 mit Hilfe eines EAP-Endeffekttors als Teil eines Transportsystems, wie es zum Beispiel in 7 dargestellt ist und oben beschrieben wurde.
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Der EAP-Endeffektor wird in diesem Beispiel durch das oben beschriebene Verbindungselement 13 gebildet. An einer Stirnseite des zylindrischen EAP-Endeffektors ist der Arm 61 des Greifsystems 60 befestigt. Mithilfe eines Gelenks 63 ist das Verbindungselement 13 um zwei Achsen schwenkbar an dem Greifarm 61 befestigt. Über den Greifarm 61 wird die zur Formänderung des EAP erforderliche elektrische Spannung an das Verbindungselement 13 angelegt.
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Zum Greifen des Bauteils 11 wird der EAP-Endeffektor in das Loch 12 des Bauteils 11 eingeführt, während er sich im aktiven Zustand befindet (siehe Punkt 1).
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Nun wird das EAP-Element deaktiviert, was zu einer Vergrößerung seines Durchmessers führt und eine Klemmkraft auf das Bauteil 11 bewirkt (siehe Punkt 2).
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Nun wird die Komponente bzw. das Bauteil 11 an die gewünschte Position bewegt und in die gewünschte Lage bzw. Orientierung gebracht (siehe Punkt 3).
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Die Komponente befindet sich nun in der neuen, geänderten Position (siehe Punkt 4).
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In 9 ist die Handhabung bzw. der Transport einer Bauteilanordnung 11 aus gestapelten Komponenten anhand verschiedener Schritte gezeigt.
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In diesem Beispiel wird ein erstes Bauteil 11a bereitgestellt, dass wie oben beschrieben an den EAP-Endeffektor gehalten ist, d. h. das Verbindungselement 13 befindet sich in seinem passiven, d. h. ausgedehnten Zustand in der Öffnung 12 des ersten Bauteils 11a. Die so gebildete Anordnung wird an einem zweiten Bauteil 11b positioniert, wobei das Verbindungselement 13 an der Öffnung 12b des zweiten Bauteils 11b angeordnet ist, um in einem nachfolgenden Schritt darin einzutauchen (siehe Punkt 1).
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Nach dem Anfügen des Verbindungselements 13 an die Öffnung 12b des zweiten Bauteils 11b kann dieses zunächst noch nicht in die Öffnung 12b eingeführt werden, da es sich noch im passiven Zustand befindet, d. h. es liegt noch keine Spannung an und sein Durchmesser ist größer als die Öffnungsweite der Öffnung 12b (siehe Punkt 2).
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Im nächsten Schritt wird über den Greifarm 61 eine Spannung an das Verbindungselement 13 bzw. an dessen EAP angelegt, sodass es in den aktiven Zustand gerät, bei dem sich sein Durchmesser reduziert, wobei der reduzierte Durchmesser kleiner ist als die Öffnungsweite der Öffnungen 12a, 12b der beiden Bauteile 11a, 11 b. Ein an der Unterseite des ersten Bauteils 11a herausragender Teilbereich des Verbindungselements 13 wird nun in die Öffnung 12b des zweiten Bauteils 11b geführt. (siehe Punkt 3).
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Nun befindet sich das Verbindungselement 13 innerhalb der durchgehenden Öffnung 12, die durch die beiden Öffnungen 12a, 12b der Bauteile 11a, 11b gebildet wird (siehe Punkt 4).
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Die anliegende elektrische Spannung wird nun abgeschaltet, sodass das Verbindungselement 13 innerhalb der Öffnung 12 expandiert und auf diese Weise durch seine kraftschlüssige Verbindung mit den beiden Bauteile 11a, 11b diese zusammen klemmt (siehe Punkt 5).
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Im nächsten Schritt wird das Verbindungselement 13 vom Greifarms 61 bzw. von dessen Endeffektor gelöst. Als Ergebnis ergibt sich eine aus zwei Komponenten bestehende Bauteilanordnung, wobei die beiden Komponenten 11a, 11b mithilfe des wird im passiven Zustand befindlichen Verbindungselements 13 miteinander verbunden sind (siehe Punkt 6).
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10 zeigt als schematische Darstellung eine räumliche Ansicht einer Rollenstruktur 70, die bevorzugt in der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung als Verbindungselement verwendet wird. Dabei zeigt die 10a die Rollenstruktur, während die 10b einen Teil der Schichtanordnung der Rollenstruktur als Querschnitt in vergrößerter Darstellung zeigt.
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Die Rollenstruktur wird aus mindestens zwei Schichten 71, 72 gebildet, die flächig aneinandergefügt und aufgerollt sind. Die Schichten sind jeweils aus einer Folie gebildet, die ein dielektrisches elektroaktives Polymer (DEAP) umfasst bzw. aus einem DEAP gebildet ist.
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Die aneinandergrenzenden DEAP-Folien weisen an ihren aneinandergrenzenden Flächen elektrische Verbindungselemente bzw. Elektroden auf, die beim Anlegen einer Spannung eine gegenseitige Abstoßung von jeweils zwei benachbarten DEAP-Folien bzw. -Filmen bewirken. Dabei erlaubt die Elastizität der Elektroden die Bildung eines radial wirkenden Aktivators durch die aufgerollten die EAP-Folien. Das so gebildete DEAP-Element hat beim Anlegen der elektrischen Spannung eine Hubrichtung, die vom Umfang des die PAP-Elements radial nach außen gerichtet ist.
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Die Erfindung hat insbesondere folgende vorteilhafte Eigenschaften:
- 1. Sie erlaubt eine schnelle Montage und Vorfixierung ohne zu bohren (große Toleranzbreite).
- 2. Sie ermöglicht eine finale Fixierung mit einem Fixiermittel (zum Beispiel Klebematerial, kleine Bereiche, usw.), das Lücken an der Schnittstelle füllt, wodurch sich eine automatisierte Endpositionierung bzw. eine Selbstpositionierung ergibt.
- 3. Optional kann eine Endpositionierung der vorgefertigten Anordnung vor der finalen Fixierung mittels eines Morphing-Werkzeugs bzw. eines seine Form ändernden Werkzeugs erfolgen.
- 4. Es wird eine korrekte Positionierung von Teilen ohne die Notwendigkeit einer separaten Positionierungsprozedur bzw. eines separaten Positionierungswerkzeugs ermöglicht
- 5. Es können Teile oder Bauteile ohne die Anwendung separater Befestigungsmitteln zusammengefügt werden.
- 6. Es können Teile zusammengefügt werden, ohne dass dabei ein Bohren erforderlich ist.
- 7. Es wird das Härten eines Klebemittels ohne Anwendung des Klebemittels ermöglicht.
- 8. Es wird das Härten des Klebemittels ohne separate Heizkabel ermöglicht.
- 9. Die zum Härten erforderliche Wärme kann an das Material der Bauteile und deren Dicken angepasst werden.
- 10. Die Dauer des Härtens kann an das Material der Bauteile und an deren Dicken angepasst werden.
- 11. Die Vorrichtung arbeitet weitgehend geräuscharm im Vergleich zu den Bohr- und Nietvorgängen, die dadurch ersetzt werden.
- 12. Die Klemmkraft ist variabel.
- 13. Der Anpressdruck ist variabel.
- 14. Die Löcher können variable bzw. unterschiedliche Durchmesser haben.
- 15. Es wird ein universell einsetzbarer Niet ermöglicht.
- 16. Es kann eine Anwendung als temporäres Befestigungsmitteln erfolgen.
- 17. Die Anwendung kann als ein permanentes Befestigungsmittel erfolgen, zum Beispiel für System- oder Kabinenausstattungen bzw. -anordnungen und für niedrigbelastete Klasse 3 Anwendungen.
- 18. Sie ermöglicht ein Greifen und Platzieren von Teilen oder Komponenten durch Roboter.
- 19. Sie ermöglicht ein schnelles Lösen der Befestigung.
- 20. Sie ermöglicht eine automatisierte Montage.
- 21. Es wird eine automatisierte Demontage von Komponenten ermöglicht.
- 22. Sie ist für Mechanismen zum beabsichtigten Lösen geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Befestigungsvorrichtung
- 11
- Bauteilanordnung
- 11a, 11b
- Bauteile
- 12a, 12b
- Loch / Öffnung
- 13, 23, 33, 43
- Verbindungselement
- 14
- Elektroden
- 15
- elektrische Spannungsquelle
- 16a
- Schaltelement
- 17
- Zylinder
- 23a, 23b
- Endbereiche bzw. Kopf- und Fußbereich
- 23c
- Zentralbereich
- 33a
- elektroaktives Polymerelement
- 34
- Fußbereich
- 33b
- äußerer Bereich
- 33c
- Hauptbereich
- 34
- Endbereich
- 44, 45
- erstes und zweites EAP Element
- 44a, 44b
- Arme
- 46
- Endbereich
- 47a, 47b
- Halteelement
- 60
- Greifsystem
- 61
- Greifarm
- 62
- Plattform
- 63
- Gelenk
- 70
- Rollenstruktur
- 71, 72
- Schichten
- D
- Durchmesser groß
- D'
- Durchmesser klein
- L
- Längsrichtung
- W
- Öffnungsweite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8534651 B2 [0004]
- US 2010/0154181 A1 [0005]
- US 2013/0042461 A1 [0006]
- WO 2012/125360 A2 [0007]
