DE102022117133A1 - Joining element made of shape memory steel and method for producing a detachable joining connection - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Fügeelement (1) zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung, wobei das Fügeelement (1) zumindest teilweise aus einem Formgedächtnisstahl besteht und zur Herstellung einer Fügeverbindung mit einem Fügepartner (2, 2A, 2B) ausgehend von einem Grundzustand durch Krafteinwirkung in einen Fügezustand verformbar ist sowie zur Aufhebung der Fügeverbindung durch Wärmeeintrag wenigstens teilweise aus dem Fügezustand in einen Demontagezustand rückverformbar ist. Die vorliegende Erfindung umfasst des Weiteren ein System (5) zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung und ein Verfahren zum Herstellen und Lösen einer Fügeverbindung.The present invention comprises a joining element (1) for producing a detachable joining connection, wherein the joining element (1) consists at least partially of a shape memory steel and for producing a joining connection with a joining partner (2, 2A, 2B) starting from a basic state by applying force into one Joining state is deformable and can be at least partially deformed back from the joined state into a disassembly state to remove the joint connection by heat input. The present invention further comprises a system (5) for producing a detachable joining connection and a method for producing and releasing a joining connection.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeelement aus Formgedächtnisstahl zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung und ein Verfahren zum Herstellen und Lösen einer Fügeverbindung unter Verwendung eines solchen Fügeelements.The present invention relates to a joining element made of shape memory steel for producing a releasable joining connection and a method for producing and releasing a joining connection using such a joining element.
In vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich, zwei Bauelemente miteinander zu verbinden. Klassische mechanische Fügeverfahren sind beispielsweise das Nieten, Krimpen oder Verbinden mittels Schließringbolzen um Bauelemente mechanisch zuverlässig miteinander zu verbinden. Derartige Verfahren sind bekannt für ihre Irreversibilität, da darin verwendete Fügepartner durch Pressvorgänge plastisch verformt werden und somit ein unumkehrbarer Fügeprozess stattfindet. Dies verhindert sowohl die einfache, zerstörungsfreie Demontage solcher Fügeverbindungen als auch die einfache Recyclebarkeit der Bauelemente und Fügepartner.In many areas of technology it is necessary to connect two components together. Classic mechanical joining methods include riveting, crimping or connecting using locking ring bolts to mechanically reliably connect components to one another. Such processes are known for their irreversibility, since the joining partners used in them are plastically deformed by pressing processes and thus an irreversible joining process takes place. This prevents both the simple, non-destructive dismantling of such joints and the easy recyclability of the components and joining partners.
In jüngster Zeit stehen wirtschaftliche Aspekte der Demontage und der Wiederverwendbarkeit von Rohstoffen im Fokus. Mit anderen Worten die Recyclebarkeit und Demontage darf nicht nur bei Produkten mit sehr wertvollen Rohstoffen wirtschaftlich sein. In der Forschung wurde das Thema bereits in verschiedenen Ansätzen betrachtet. Einige Ideen basieren darauf Aktoren aus Formgedächtniswerkstoffen in Produkte zu integrieren. Den Formgedächtniswerkstoffen ist gemein, dass sie bei Über- bzw. Unterschreiten eines bestimmten Schaltsignals von einer ersten Festkörperphase in eine zweite von der ersten verschiedenen Festkörperphase schalten. Durch ein Schaltsignal, wie beispielsweise durch ein Überschreiten einer Schalttemperatur kann ein vorangegangen plastisch verformtes Formgedächtnismaterial in ihre Ursprungsform gebracht werden. Somit kann, von außen getriggert, eine Aktivierung erfolgen, um ein Bauelement beispielsweise durch Erwärmung in einen Zustand rückzuführen, der eine einfachere Demontage ermöglicht.Recently, the focus has been on economic aspects of dismantling and the reusability of raw materials. In other words, recyclability and dismantling must not only be economical for products with very valuable raw materials. The topic has already been examined in various approaches in research. Some ideas are based on integrating actuators made of shape memory materials into products. What the shape memory materials have in common is that when a certain switching signal is exceeded or fallen below, they switch from a first solid-state phase to a second solid-state phase that is different from the first. A previously plastically deformed shape memory material can be brought into its original shape by a switching signal, such as when a switching temperature is exceeded. Thus, activation can take place, triggered from outside, in order to return a component to a state, for example by heating, which enables easier disassembly.
Beschreibung des Stands der TechnikDescription of the prior art
Fügeverfahren mit lösbaren Fügeelementen, welche die Demontage der verfügten Bauelemente erleichtern, sind im Stand der Technik bekannt. Patentdokument
Oben beschriebenes Fügeelement bringt allerdings auch einige Nachteile mit sich: Die klassischen Formgedächtnislegierungen sind thermoelastisch. Thermoelastizität beschreibt die Eigenschaft eines Materials zwischen zwei Festkörperphasen reversibel zu sein und die Festkörperphase nur durch Änderung der Temperatur wechseln zu können. Dabei wird die Phase, die im kalten Zustand vorliegt, Martensit und die Warmphase Austenit genannt. Klassisch weist die Formgedächtnislegierung im Martensit eine Zwillingsstruktur (zweidimensional vorstellbar wie ein Fächer) auf. Wird die Formgedächtnislegierung deformiert, wird diese Zwillingsstruktur entzwillingt (glattgezogen). Durch Erwärmen wird die Formgedächtnislegierung in Austenit überführt und das Aufziehen und die makroskopische Deformation rückgängig gemacht. Wird die Legierung anschließend abgekühlt, bildet sich wieder verzwillingtes Martensit und der Kreislauf schließt sich. Dabei besteht nur eine kleine Differenz im Temperaturübergangsbereich klassischer Formgedächtnislegierung, die sogenannte Hysterese. Diese beschreibt den Temperaturunterschied zwischen der Martensitzu-Austenit- und der Austenit-zu-Martensit-Umwandlung. Dieser beträgt wenige Grad Celsius (im ein- bis unteren zweistelligen Kelvin Bereich).However, the joining element described above also has some disadvantages: The classic shape memory alloys are thermoelastic. Thermoelasticity describes the property of a material to be reversible between two solid phases and to be able to change the solid phase only by changing the temperature. The phase that is present in the cold state is called martensite and the warm phase is called austenite. Classically, the shape memory alloy in martensite has a twin structure (imaginable in two dimensions like a fan). If the shape memory alloy is deformed, this twin structure is detwinned (smoothed out). Heating converts the shape memory alloy into austenite and reverses the stretching and macroscopic deformation. If the alloy is then cooled, twinned martensite forms again and the cycle closes. There is only a small difference in the temperature transition range of classic shape memory alloys, the so-called hysteresis. This describes the temperature difference between the martensite to austenite and the austenite to martensite transformation. This is a few degrees Celsius (in the one to two-digit Kelvin range).
Für den Einsatz in Fügeverbindungen weisen klassische Formgedächtnislegierungen einige Nachteile auf. Der größte Nachteil sind die sehr hohen Kosten die sich aus den hohen Materialkosten und den hohen Produktionskosten aufgrund der komplexen und aufwändigen Verarbeitung ergeben. Allein diese Kosten machen den Einsatz größerer Mengen Formgedächtnislegierungen unwirtschaftlich. Weiter liegen die Umwandlungstemperaturen in Bereichen, die für die meisten Fügeelemente ungeeignet sind. Eine Anpassung dieser Temperaturen in passende Bereiche ist zum Teil möglich jedoch mit größeren Material und/oder Prozesskosten verbunden. Auch nachteilig für ein Fügeelement ist, dass die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und E-Modul im Martensit wesentlich geringere Werte aufweisen als im Austenit. Da die Formerholung im Übergang von entzwillingten Martensit zu Austenit erfolgt, muss die Formgedächtnislegierung im gefügten Zustand im Martensit vorliegen. Dadurch kann das Material nur einen Bruchteil seines Potentials entfalten.Classic shape memory alloys have some disadvantages when used in joints. The biggest disadvantage is the very high costs resulting from the high material costs and the high production costs due to the complex and time-consuming processing. These costs alone make the use of large quantities of shape memory alloys uneconomical. Furthermore, the conversion temperatures are in ranges that are unsuitable for most joining elements. Adjusting these temperatures to suitable ranges is sometimes possible, but involves larger material and/or process costs. Another disadvantage for a joining element is that the mechanical properties such as strength and modulus of elasticity in martensite have significantly lower values than in austenite. Since the shape recovery occurs in the transition from detwinned martensite to austenite, the shape memory alloy must be present in the martensite in the joined state. As a result, the material can only develop a fraction of its potential.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu lösen und ein in Herstellung und Anwendung wirtschaftliches, sowie mechanisch belastbares Fügeelement bereitzustellen, welches im technisch relevanten Temperaturbereich stabil ist und eine sehr einfach Demontage ermöglicht.The present invention is based on the object of solving the problems known from the prior art and of providing a joining element which is economical to manufacture and use and which is mechanically resilient is stable in the technically relevant temperature range and enables very easy dismantling.
Zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung ein Fügeelement nach Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Fügeelement dient zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung und besteht zumindest teilweise aus einem Formgedächtnisstahl und ist zur Herstellung einer Fügeverbindung mit einem Fügepartner ausgehend von einem Grundzustand durch Deformation in einen Fügezustand verformbar sowie zur Aufhebung der Fügeverbindung durch Wärmeeintrag wenigstens teilweise aus dem Fügezustand in einen Demontagezustand rückverformbar.To solve the problem defined above, the present invention discloses a joining element according to claim 1. The joining element according to the invention is used to produce a releasable joining connection and consists at least partially of a shape memory steel and is for producing a joining connection with a joining partner starting from a basic state by deformation into a joining state deformable and at least partially deformable from the joined state into a dismantling state to remove the joint connection by heat input.
Als Formgedächtnisstähle werden Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis bezeichnet. Aktuell sind zwei Basislegierungssystemen bekannt: Fe-Mn-Si und Fe-Ni-C. Die erfindungsgemäße Lösung nutzt die sehr speziellen Eigenschaften von Formgedächtnisstahl um günstige, stabile und nach Gebrauch einfach lösbare Verbindungen zu erzeugen. Die Vorteile dieser Legierung für Verbindungselemente, insbesondere zum mechanischen Verbinden von Bauelementen, liegen in der mechanisch induzierten Martensitbildung und dem breiten Temperaturbereich der meisten Anwendungen, in denen die erfindungsgemäßen Verbindungselemente stabil sind, da eine Rückwandlung erst ab ca. 50 - 80°C beginnt bei 200 - 300 °C vollendet ist. Weiter sind die mechanischen Eigenschaften phasenunabhängig.Shape memory alloys based on iron are referred to as shape memory steels. Two base alloy systems are currently known: Fe-Mn-Si and Fe-Ni-C. The solution according to the invention uses the very special properties of shape memory steel to create inexpensive, stable connections that can be easily detached after use. The advantages of this alloy for connecting elements, in particular for mechanically connecting components, lie in the mechanically induced martensite formation and the wide temperature range of most applications in which the connecting elements according to the invention are stable, since reconversion only begins at approx. 50 - 80 ° C 200 - 300 °C is completed. Furthermore, the mechanical properties are phase-independent.
Zudem weisen Formgedächtnisstähle wesentlich geringere Materialkosten und Prozesskosten auf, da Prozesse der konventionellen Herstellung hochlegierter Edelstähle genutzt werden können und die Formgedächtnisstähle eine gute Verarbeitbarkeit aufweisen, ähnlich anderer hochlegierter Stähle. Gute mechanische Eigenschaften wie hoher E-Modul, hohe Festigkeiten und sehr hohe Bruchdehnung sind weitere Vorteile von Fügeelementen aus Formgedächtnisstahl.In addition, shape memory steels have significantly lower material costs and process costs, since processes for the conventional production of high-alloy stainless steels can be used and the shape memory steels have good processability, similar to other high-alloy steels. Good mechanical properties such as high modulus of elasticity, high strength and very high elongation at break are further advantages of joining elements made of shape memory steel.
Die Eigenschaften der Formgedächtnisstähle sind dabei auf einen deformationsinduzierten Einwegeffekt zurückzuführen. Der Einwegeffekt von Formgedächtnisstählen basiert auf einer, durch mechanische Spannung induzierten Deformation, bei der Shockley Partialversetzungen gebildet werden. Diese Gitterfehler sind aufgespaltene Versetzungen, die Atomschichten nicht um einen vollständigen Atomabstand verschieben und so die Bildung von reversiblen ε-Martensit ermöglichen. Durch Wärmeeintrag (ca. 50 - 300 °C) können diese Versetzungen rückgebildet werden, wodurch sich die makroskopische Formerholung ergibt. Im Gegensatz zu den klassischen Formgedächtnislegierungen beträgt die Erholung nicht 100 % (je nach Umformung 80 % und weniger). Thermischer Martensit bildet sich erst bei sehr kalten Temperaturen (unter -20 °C) und ist für die meisten Anwendungen nicht relevant. Die Hysterese ist mit über 150 K sehr groß. Eine weitere wichtige Eigenschaft für Verbindungselemente ist, dass Formgedächtnisstähle, im Gegensatz zu thermoelastischen Formgedächtnislegierungen, keiner Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch Phasenwechsel unterliegen.The properties of shape memory steels can be attributed to a deformation-induced one-way effect. The one-way effect of shape memory steels is based on a deformation induced by mechanical stress, during which Shockley partial dislocations are formed. These lattice defects are split dislocations that do not move atomic layers a full atomic distance, allowing the formation of reversible ε-martensite. These dislocations can be reversed by applying heat (approx. 50 - 300 °C), which results in macroscopic shape recovery. In contrast to the classic shape memory alloys, the recovery is not 100% (80% or less depending on the forming). Thermal martensite only forms at very cold temperatures (below -20 °C) and is not relevant for most applications. The hysteresis is very large at over 150 K. Another important property for fasteners is that shape memory steels, in contrast to thermoelastic shape memory alloys, are not subject to any change in mechanical properties due to phase changes.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Es kann von Vorteil sein, wenn der Formgedächtnisstahl eine Formgedächtnislegierung auf Eisenbasis ist, vorzugsweise eine Fe-Mn-Si Legierung oder eine Fe-Ni-C Legierung. Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis zeigen einen guten nichtthermoelastischen Formgedächtniseffekt in Kombination mit guter Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und geringen Material- und Produktionskosten auf. Fe-Mn-Si Legierungen sind kostengünstig und weisen eine gute Bearbeitbarkeit und gute Schweißbarkeit auf.It can be advantageous if the shape memory steel is an iron-based shape memory alloy, preferably an Fe-Mn-Si alloy or an Fe-Ni-C alloy. Iron-based shape memory alloys demonstrate a good non-thermoelastic shape memory effect in combination with good machinability, corrosion resistance and low material and production costs. Fe-Mn-Si alloys are cost-effective and have good machinability and good weldability.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn das Fügeelement wenigstens einen Fügeabschnitt aufweist, der vorzugsweise vollständig aus Formgedächtnisstahl besteht. Somit kann die Fügeverbindung entsprechend der Fügepartner gestaltet werden. Zudem kann bei Erwärmung eine zielgerichtete Formänderung des Fügeelements ermöglicht werden.It can prove to be useful if the joining element has at least one joining section, which preferably consists entirely of shape memory steel. The joining connection can therefore be designed according to the joining partners. In addition, a targeted change in shape of the joining element can be made possible when heated.
Es kann hilfreich sein, wenn das Fügeelement als weibliches Fügeelement ausgebildet ist und eine Aufnahme aufweist, in welcher ein männlicher Fügepartner im Grundzustand einführbar und im Fügezustand kraftschlüssig und/oder formschlüssig fixiert ist, insbesondere durch Verkleinerung oder Verjüngung der Aufnahme, wobei die Aufnahme im Demontagezustand gegenüber dem Fügezustand erweitert ist, um den darin angeordneten Fügepartner freizugeben. Somit kann durch das Umschließen des männlichen Fügepartners durch das weibliche Fügeelement eine feste Verbindung zwischen dem weiblichen Fügeelement und dem männlichen Fügepartner garantiert werden. Außerdem wird die Lösbarkeit des Fügeelements verbessert, da lediglich eine Erwärmung erfolgen muss und keine Zugänglichkeit für ein mechanisches Lösen mit hohen Kräften gewährleistet sein muss.It can be helpful if the joining element is designed as a female joining element and has a receptacle in which a male joining partner can be inserted in the basic state and is non-positively and/or positively fixed in the joined state, in particular by reducing or tapering the receptacle, the receptacle being in the dismantling state is expanded relative to the joining state in order to release the joining partner arranged therein. Thus, by enclosing the male joining partner by the female joining element, a firm connection between the female joining element and the male joining partner can be guaranteed. In addition, the releasability of the joining element is improved, since only heating needs to take place and accessibility for mechanical release with high forces does not have to be guaranteed.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, dass das Fügeelement ringförmig ausgebildet ist und als Aufnahme eine Öffnung aufweist, in welche ein männlicher Fügepartner im Grundzustand einsteckbar ist und im Fügezustand fixiert ist und im Demontagezustand herausgezogen werden kann. Dies erleichtert die Montage des Fügepartners in das Fügeelement. Weitere Fügebauteile können mittels Durchgangsbohrung auf einfache Art und Weise hinzugefügt und auf einen der männlichen Fügepartner aufgesteckt werden.It can prove to be advantageous that the joining element is designed in a ring shape and has an opening as a receptacle into which a male joining partner can be inserted in the basic state and is fixed in the joining state and can be pulled out in the dismantling state. This makes it easier to assemble the joining partner into the joining element. Additional joining components can be easily added using a through hole and plugged onto one of the male joining partners.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Fügeelement als männliches Fügeelement, vorzugsweise als zylinder- oder quaderförmig mit einem Querschnitt ausgebildet ist und in einen weiblichen Fügepartner, der eine Aufnahme aufweist, im Grundzustand einführbar und im Fügezustand kraftschlüssig und/oder formschlüssig festgelegt ist, insbesondere durch Weiten des Querschnitts, wobei der Querschnitt im Demontagezustand gegenüber dem Fügezustand verkleinert ist, um den darin angeordneten Fügepartner freizugeben. Somit kann durch das Umschließen des weiblichen Fügepartners durch das männliche Fügeelement eine feste Verbindung zwischen dem männlichen Fügeelement und dem weiblichen Fügepartner garantiert werden. Außerdem wird die Lösbarkeit des Fügeelements verbessert, da lediglich eine Erwärmung erfolgen muss und keine Zugänglichkeit für ein mechanisches Lösen mit hohen Kräften gewährleistet sein muss.It can be advantageous if the joining element is designed as a male joining element, preferably as a cylindrical or cuboid-shaped cross-section and can be inserted into a female joining partner that has a receptacle in the basic state and is fixed in a force-fitting and/or form-fitting manner in the joining state, in particular by widening the cross section, the cross section being reduced in the dismantling state compared to the joining state in order to release the joining partner arranged therein. Thus, by enclosing the female joining partner by the male joining element, a firm connection between the male joining element and the female joining partner can be guaranteed. In addition, the releasability of the joining element is improved, since only heating needs to take place and accessibility for mechanical release with high forces does not have to be guaranteed.
Es kann nützlich sein, wenn das Fügeelement als Schließring, Hohlniet oder Krimpschuh ausgebildet ist. Demnach ist das Fügeelement vielseitig einsetzbar und kann auf eine Vielzahl von herkömmlichen Verbindungsverfahren angewendet werden.It can be useful if the joining element is designed as a locking ring, hollow rivet or crimp shoe. Accordingly, the joining element is versatile and can be applied to a variety of conventional connection methods.
Es kann praktisch sein, wenn der Formgedächtnisstahl im Grundzustand als Austenit und im Fügezustand als Martensit vorliegt. Somit kann das Martensit des Formgedächtnisstahls des Fügeelements durch Erwärmung in den Demontagezustand zurückgeführt werden.It can be practical if the shape memory steel is in the ground state as austenite and in the joined state as martensite. Thus, the martensite of the shape memory steel of the joining element can be returned to the dismantling state by heating.
Es kann sich als sinnvoll erweisen, wenn das Fügeelement durch Engen, Weiten, Längen, Stauchen, Quetschen, Bördeln, Kräuseln, Einspreizen, Verpressen aus dem Grundzustand in den Fügezustand überführbar ist. Demnach ist das Fügeverfahren zum Überführen des Fügeelements in den Fügezustand vielseitig wählbar und das Fügeelement kann in einer Vielzahl von herkömmlichen Verbindungsverfahren angewendet werden.It can prove to be useful if the joining element can be converted from the basic state into the joining state by narrowing, widening, lengthening, upsetting, squeezing, flanging, crimping, spreading, and pressing. Accordingly, the joining method for transferring the joining element into the joining state can be selected in a variety of ways and the joining element can be used in a variety of conventional joining methods.
Es kann aber auch von Nutzen sein, wenn das Fügeelement bei einer Temperatur im Bereich von 50°C - 300°C, vorzugsweise im Bereich über 100 °C vom Fügezustand in den Demontagezustand übergeht. Somit weist das Fügeelement selbst bei hohen Temperaturen weiterhin hohe Stabilität und Festigkeit auf. Das erfindungsgemäße Fügeelement ermöglicht demnach eine zuverlässige Verbindung in einem breiten Temperaturanwendungsgebiet.However, it can also be useful if the joining element changes from the joining state to the dismantling state at a temperature in the range of 50 ° C - 300 ° C, preferably in the range above 100 ° C. The joining element therefore continues to have high stability and strength even at high temperatures. The joining element according to the invention therefore enables a reliable connection in a wide range of temperature applications.
Es kann praktisch sein, wenn das Fügeelement im Fügezustand Biege- und/oder Scherkräfte auf einen Fügepartner ausübt. Dies bewirkt eine weitere Versteifung des Kraftschlusses zwischen dem Fügepartner und dem Fügeelement. Eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Fügepartner und dem Fügeelement kann somit gewährleistet werden.It can be practical if the joining element exerts bending and/or shearing forces on a joining partner in the joined state. This causes a further stiffening of the adhesion between the joining partner and the joining element. A reliable connection between the joining partner and the joining element can thus be guaranteed.
Zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung ein System zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung, umfassend ein Fügeelement, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, und einen Fügepartner, wobei das Fügeelement zumindest teilweise aus einem Formgedächtnisstahl besteht und zur Herstellung einer Fügeverbindung mit dem Fügepartner ausgehend von einem Grundzustand durch Krafteinwirkung in einen Fügezustand verformbar ist sowie zur Aufhebung der Fügeverbindung durch Wärmeeintrag wenigstens teilweise aus dem Fügezustand in einen Demontagezustand rückverformbar ist.To solve the problem defined above, the present invention discloses a system for producing a releasable joining connection, comprising a joining element, in particular according to one of the preceding claims, and a joining partner, wherein the joining element consists at least partially of a shape memory steel and for producing a joining connection with the joining partner Starting from a basic state, it can be deformed into a joining state by the action of force and can be at least partially deformed back from the joining state into a disassembly state by applying heat to remove the joining connection.
Zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen und Lösen einer Fügeverbindung, umfassend die Schritte: Schritt A: Bereitstellen eines Fügeelements, das zumindest teilweise aus einem Formgedächtnisstahl besteht, insbesondere eines oben erwähnten Fügeelements. Schritt B: Herstellung einer Fügeverbindung des Fügeelements mit einem Fügepartner ausgehend von einem Grundzustand des Fügeelements durch Krafteinwirkung und Verformung des Fügeelements in einen Fügezustand. Schritt C: Aufhebung der Fügeverbindung durch wenigstens teilweise Rückverformung des Fügeelements aus dem Fügezustand in einen Demontagezustand durch Wärmeeintrag. Zwischen den Schritten B und C kann eine Verwendung der Fügeverbindung stattfinden. Diese kann beliebig lange gewählt werden. Zwischen den einzelnen Schritten kann eine beliebig lange Zeitspanne liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu angewendet werden, um einen Fügeprozess ganzheitlich von dessen Montage bis zu dessen Demontage durchzuführen. Ein derartiges Verfahren bewerkstelligt die feste Verbindung von Bauelementen während des Fügezustands und ermöglicht eine Wiederverwendbarkeit der Ressourcen nach der Anwendung. Der Demontagezustand ermöglicht eine Demontage ohne Zusatzwerkzeuge oder Anleitung. Es ist zudem eine wirtschaftliche Demontage möglich ohne den Aufbau der Bauelemente oder des Fügeelements zu kennen oder identifizieren zu müssen (Demontage mit unbestimmter Wirkstelle möglich).To solve the problem defined above, the present invention discloses a method for producing and releasing a joining connection, comprising the steps: Step A: Providing a joining element which consists at least partially of a shape memory steel, in particular a joining element mentioned above. Step B: Establishing a joining connection of the joining element with a joining partner starting from a basic state of the joining element by applying force and deforming the joining element into a joining state. Step C: Elimination of the joining connection by at least partially deforming the joining element from the joining state into a dismantling state by applying heat. The joining connection can be used between steps B and C. This can be chosen for any length of time. There can be any length of time between the individual steps. The method according to the invention can be used to carry out a joining process holistically from its assembly to its disassembly. Such a method achieves the firm connection of components during the joining state and enables the resources to be reused after use. The disassembly state allows disassembly without additional tools or instructions. Economical dismantling is also possible without knowing or having to identify the structure of the components or the joining element (dismantling with an undetermined effective point possible).
Es kann praktisch sein, wenn in Schritt A eine Vielzahl einzelner Fügeverbindungen mit einer Vielzahl von Fügeelementen einzeln hergestellt wird. Der Vorgang kann demnach parallelisiert und somit effizient durchgeführt werden.It can be practical if, in step A, a large number of individual joining connections are made individually with a large number of joining elements. The process can therefore be parallelized and therefore carried out efficiently.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, dass in Schritt C eine Vielzahl von Fügeverbindungen gemeinsam aufgehoben wird. Somit kann durch einen globalen Wärmeeintrag eine Vielzahl von Fügeverbindungen gleichzeitig in den Demontagezustand überführt werden. Ein Wärmeeintrag kann gesamtheitlich auf die Vielzahl von Fügeelementen angewendet werden, ohne dass die Stelle, an der das Lösen der Verbindung stattfindet, bekannt ist. Ein derartiges Verfahren kann einzelne Demontageschritte einsparen und dadurch eine hohe Wirtschaftlichkeit aufweisen.It can prove to be advantageous that a large number of joining connections are canceled together in step C. This means that a large number of joint connections can be transferred to the dismantling state at the same time through global heat input. A heat input can be applied to the large number of joining elements without the point at which the connection will be released being known. Such a method can save individual disassembly steps and therefore be highly cost-effective.
Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart sind.Further preferred developments of the invention result from combinations of the features that are disclosed in the description, the claims and the figures.
Kurze Beschreibung der FigurenShort description of the characters
Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Fügeelements. -
2A eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus1 der ersten Ausführungsform eines Fügeelements in einem Grundzustand. -
2B eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus1 der ersten Ausführungsform des Fügeelements in einem Fügezustand. -
2C eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus1 der ersten Ausführungsform des Fügeelements in einem durch Wärmeeintrag rückgeführten Demontagezustand. -
3A eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Fügeelements in einem Grundzustand. -
3B eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Fügeelements in einem Fügezustand. -
3C eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Fügeelements in einem durch Wärmeeintrag rückgeführten Demontagezustand. -
4A eine Draufsicht auf eine Vielzahl von Systemen im Demontageverfahren. -
4B eine Seitenansicht auf eine Vielzahl von Systemen im Demontageverfahren in einem Demontagebecken.
-
1 a side view of a first embodiment of a joining element. -
2A a sectional view in the direction of section AA1 the first embodiment of a joining element in a basic state. -
2 B a sectional view in the direction of section AA1 the first embodiment of the joining element in a joining state. -
2C a sectional view in the direction of section AA1 the first embodiment of the joining element in a dismantling state returned by heat input. -
3A a sectional view of a second embodiment of a joining element in a basic state. -
3B a sectional view of the second embodiment of the joining element in a joining state. -
3C a sectional view of the second embodiment of the joining element in a disassembly state returned by heat input. -
4A a top view of a variety of systems in the dismantling process. -
4B a side view of a variety of systems in the dismantling process in a dismantling basin.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleDetailed description of the preferred embodiments
[Erste Ausführungsform][First Embodiment]
Formgedächtnisstahl ist eine Formgedächtnislegierung auf Eisenbasis, vorzugsweise eine Fe-Mn-Si Legierung oder eine Fe-Ni-C Legierung. Im Gegensatz zu den klassischen Formgedächtnislegierungen besitzen die Formgedächtnisstähle keine Thermoelastizität (unter Normalbedingungen) und weisen eine sehr große Hysterese auf. Bei Formgedächtnisstählen sind aufgrund der fehlenden Thermoelastizität, die mechanischen Eigenschaften sowohl im Austenit als auch im Martensit gleich.Shape memory steel is an iron-based shape memory alloy, preferably an Fe-Mn-Si alloy or an Fe-Ni-C alloy. In contrast to classic shape memory alloys, shape memory steels have no thermoelasticity (under normal conditions) and have a very large hysteresis. With shape memory steels, due to the lack of thermoelasticity, the mechanical properties of both austenite and martensite are the same.
[Zweite Ausführungsform][Second Embodiment]
Das Fügeelement 1 und der zugehörige Fügepartner 2, 2A, 2B bilden jeweils ein System 5 zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass ein Fügeelement 1 auch mit verschiedenen Fügepartnern eine lösbaren Fügeverbindung eingehen kann, wie beispielsweise das Fügeelement 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel, welches Fügepartner mit verschiedenen Querschnittsformen und Abmessungen zwischen den Fügeabschnitten festklemmen kann. Auch das Fügeelement 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel kann mit verschiedenen Fügepartnern eine lösbare Fügeverbindung eingehen, solange sich die Fügepartner im Fügezustand festlegen und im Demontagezustand wieder freigeben lassen. Vorzugsweise besteht der Fügepartner aus einem härteren Material als das Fügeelement, sodass sich die Fügeverbindung im Demontagezustand des Fügeelements leicht lösen lässt.The joining element 1 and the associated joining partner 2, 2A, 2B each form a system 5 for producing a detachable joining connection. It is within the scope of the invention that a joining element 1 can also form a releasable joining connection with different joining partners, such as the joining element 1 according to the first exemplary embodiment, which can clamp joining partners with different cross-sectional shapes and dimensions between the joining sections. The joining element 1 according to the second exemplary embodiment can also form a releasable joining connection with different joining partners, as long as the joining partners can be fixed in the joined state and released again in the dismantling state. The joining partner preferably consists of a harder material than the joining element, so that the joining connection can be easily released when the joining element is dismantled.
Im Allgemeinen lässt sich das Verfahren zum Herstellen und Lösen einer Fügeverbindung mit den vorliegenden Fügeelementen 1 aus den Ausführungsbeispielen auf die folgenden Schritte zusammenfassen: Schritt A: Bereitstellen eines Fügeelements 1, das zumindest teilweise aus einem Formgedächtnisstahl besteht. Schritt B: Herstellung einer Fügeverbindung des Fügeelements 1 mit einem Fügepartner 2, 2A, 2B ausgehend von einem Grundzustand des Fügeelements 1 durch Krafteinwirkung und Verformung des Fügeelements 1 in den Fügezustand. Schritt C: Aufhebung der Fügeverbindung durch wenigstens teilweise Rückverformung des Fügeelements 1 aus dem Fügezustand in einen Demontagezustand durch Wärmeeintrag.In general, the method for producing and releasing a joining connection with the present joining elements 1 from the exemplary embodiments can be summarized in the following steps: Step A: Providing a joining element 1, which consists at least partially of a shape memory steel. Step B: Establishing a joint connection of the joining element 1 a joining partner 2, 2A, 2B starting from a basic state of the joining element 1 by force and deformation of the joining element 1 into the joining state. Step C: Elimination of the joining connection by at least partially deforming the joining element 1 from the joining state into a dismantling state by applying heat.
Schritt C kann also gezielt durch Aufheizen eines einzelnen Fügeelements 1 oder global durch ein Aufheizen eines gesamten Systems 5 aus Fügeelement 1 und Fügepartner 2 oder eines ganzen Sammelbehälters von Systemen 5 erfolgen. Es ist also eine Demontage möglich, ohne den Aufbau des Systems 5 zu kennen oder identifizieren zu müssen (Demontage mit unbestimmter Wirkstelle).Step C can therefore be carried out specifically by heating an individual joining element 1 or globally by heating an entire system 5 made up of joining element 1 and joining partner 2 or an entire collecting container of systems 5. Dismantling is therefore possible without knowing or having to identify the structure of the system 5 (dismantling with an undetermined effective point).
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Abänderungen und Variationen der Ausführungsbeispiele sind im Rahmen des Schutzbereichs der Ansprüche denkbar. Analog zu der ersten oder zweiten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Idee auf alle mechanischen Fügeverfahren, bei denen mindestens ein Teil des Fügeelementes 1 aus einem Formgedächtnisstahl besteht, übertragbar. Dies sind insbesondere Nietverbindungen wie u.a. Hohlnieten etc. und weitere Krimpverbindungen.The present invention is not limited to the exemplary embodiments described. Further modifications and variations of the exemplary embodiments are conceivable within the scope of the claims. Analogous to the first or second embodiment, the idea according to the invention can be transferred to all mechanical joining processes in which at least part of the joining element 1 consists of a shape memory steel. These are in particular rivet connections such as hollow rivets etc. and other crimp connections.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Fügeelementjoining element
- 1A1A
- Grundplattebase plate
- 1 B1 B
- Fügeabschnittjoining section
- 1C1C
- Öffnungopening
- 2, 2A, 2B2, 2A, 2B
- Fügepartnerjoining partner
- 33
- Bauelement, Runddraht, BlechComponent, round wire, sheet metal
- 44
- Bauelement, Runddraht, BlechComponent, round wire, sheet metal
- 55
- Systemsystem
- 66
- Wärmequelleheat source
- 77
- WärmeeintragHeat input
- 88th
- Demontagebecken, DemontagecontainerDismantling basins, dismantling containers
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10109222 [0004]DE 10109222 [0004]
Claims (15)
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