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Die
vorliegende Erfindung betrifft bewegliche Aufbauten und insbesondere
Gelenkplattenaufbauten zur Verwendung in einer Vielfalt von Anwendungen.
Insbesondere betrifft die Erfindung bewegliche Aufbauten, die mehrere
miteinander verbundene Module umfassen, wobei jedes Modul fähig ist,
sich in Bezug auf seinen Nachbarn zu drehen. Nach einem anderen
Gesichtspunkt betrifft die Erfindung einen beweglichen Aufbau, der
selektiv gesperrt und entsperrt werden kann.
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Bewegliche
Aufbauten sind in der Technik bekannt.
US 4,484,778 offenbart einen Matrixaufbau, der
eine Vielzahl von zwei unterschiedlich geformten Bestandteilen umfasst.
Der erste Bestandteil, der in
2 und
6 jenes
Dokuments gezeigt ist, weist einen Mittelabschnitt auf, der von
mehreren kugelförmigen
Vorsprüngen
umgeben ist, die strahlenförmig vom
mittleren Abschnitt wegführen.
Der zweite Bestandteil, der in
4 und
7 jenes
Dokuments gezeigt ist, weist einen mittleren Abschnitt mit einer entsprechenden
Vielzahl von radial angeordneten Vertiefungen auf. Die kugelförmigen Vorsprünge setzen
sich bei Verwendung derart in die Vertiefungen, dass ein flacher
plattenartiger Aufbau hergestellt werden kann, bei dem die neutrale
Achse des Gelenks aus dem kugelförmigen
Vorsprung/der Vertiefung in der Ebene der Platte liegt und durch
die Mitte von benachbarten Modulen verläuft. Die Form des kugelförmigen Vorsprungs
und der Vertiefungen ist derart, dass es nicht möglich ist, die Dichte der Matrixplatte
wesentlich zu verändern,
während
die Platte flach gehalten wird. Dies weist die Folge auf, dass es
nicht möglich
ist, die Platte glatt um komplexe Formen, zum Beispiel Verbundkurven,
die sich gleichzeitig in zwei Richtungen krümmen, z. B. kugelförmige Flächen, zu
formen. Wenn es nötig
ist, eine Platte herzustellen, die ein kompliziertes Oberflächenprofil aufweist,
ist es nötig,
Module zu entfernen oder hinzuzufügen, um die Dichte der Platte
an örtlich
begrenzten Positionen zu verändern,
um die richtige Form zu erzielen. Das Entfernen und Hinzufügen von Modulen
ist zeitaufwändig
und benötigt
einen erfahrenen Techniker.
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US 4,367,897 offenbart eine
Matrix, die mehrere Module umfasst. Die Gestaltung bedeutet, dass die
Fläche
nicht merklich verändert
werden kann, während
die Platte flach ist.
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US 4,688,853 offenbart eine
regulierbare Matrixplatte, die ebenfalls zwei unterschiedliche Arten
von Modulen aufweist. Das erste Modul stellt mehrere Arme bereit,
die fähig
sind, einen Zylinder von einer Richtung her zu erfassen, die senkrecht
zur Längsachse
dieses Zylinders verläuft.
Das zweite Modul umfasst mehrere Zylinder, die in einem Ring um
die Mitte des Moduls angeordnet sind. Bei Verwendung erfasst jeder
Arm des ersten Moduls einen Zylinder eines benachbarten zweiten
Moduls. Wie beim Aufbau von US '778
gestattet dieser Aufbau nicht, dass die Platte um komplexe Formen
angepasst wird, da es nicht möglich
ist, die Dichte der Platte zu verändern, während die Platte flach ist.
Es ist erneut nötig,
Module hinzuzufügen
oder zu entfernen, wenn örtlich
begrenzte Dichteänderungen
benötigt
werden.
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GB 2,235,030 offenbart einen
Plattenaufbau mit mehreren identisch geformten Modulen, die zu ihren
unmittelbaren Nachbarn und von diesen weg gleiten können. Es
ist keine Gelenkigkeit bereitgestellt, um ein Biegen der Platte
aus der Ebene zu bieten, und tatsächlich wird ein derartiges
Biegen, falls überhaupt,
nur durch die inhärente
Biegsamkeit des Materials, das zur Herstellung der Module verwendet wird,
bereitgestellt. Dieses Merkmal macht es schwierig, die Matrix um
komplizierte Formen anzupassen, da sich die Matrix nur durch eine
elastische Verformung aus der Ebene biegen kann, was zu einer entsprechenden
Rückstellkraft
führt,
die dazu neigt, die Platte flach zu machen, wenn die Anpassungskraft
aufgehoben wird.
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Jedes
der obigen drei Dokumente offenbart auch das selektive Sperren und
Entsperren des Plattenaufbaus. In allen drei Fällen wird dies durch Festziehen
einer Schraube entweder am Modul oder an der Verbindung zwischen
benachbarten Modulen erreicht. Daher ist es nötig, eine große Anzahl
einzelner Schrauben festzuziehen, um eine Platte von völlig biegsam
zu völlig
starr umzuwandeln. Dies weist den Nachteil auf, dass ein erfahrener
Techniker lange Zeit braucht, insbesondere, wenn man berücksichtigt, dass
Plattenaufbauten hunderte oder sogar tausende einzelner Module enthalten
können.
Darüber
hinaus ist es nötig,
ein Mittel zu finden, um die Platte für einen langen Zeitraum in
Position zu halten, während der
Vorgang des Festziehens der Schrauben ausgeführt wird, was einen anderen
Techniker oder eine komplizierte Klemmanordnung erfordern kann.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich den obigen und anderen Problemen,
indem sie einen biegsamen Plattenaufbau bereitstellt, der mehrere miteinander
verbundene Module umfasst, wobei die mehreren Module so miteinander
verbunden sind, dass eine Veränderung
der wirksamen Fläche
der Platte gestattet wird, während
die Platte flach bleibt, und dass eine Bewegung aus der Ebene gestattet wird;
und der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Fläche der Platte auf 80% oder
weniger ihrer ursprünglichen
Größe verringert
werden kann, während
sie flach bleibt, so dass die Platte sanft um komplexe Formen angepasst
werden kann. Vorzugsweise sind die mehreren Module miteinander verbunden,
so dass jedes Modul fähig
ist, sich in Bezug auf ein benachbartes Modul, mit dem es verbunden
ist, um eine erste und eine zweite Achse zu drehen, wobei die erste
Achse parallel zur Ebene der flach ausgelegten Platte verläuft, und
die zweite Achse rechtwinkelig zur Ebene der flach ausgelegten Platte
verläuft.
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Der
Umstand, dass jedes Modul fähig
ist, sich um eine Achse parallel zur Ebene der flach ausgelegten
Platte und um eine Achse rechtwinkelig zur Ebene der flach ausgelegten
Platte zu drehen, gestattet, dass ein Plattenaufbau, der gewöhnlich flach ist,
um eine Form angepasst wird, die sich in mehr als eine Richtung
krümmt
(z. B. eine kugelförmige
Fläche
oder eine andere Verbundkurve). Dies gestattet, dass ein Standardplattenaufbau
hergestellt und in einer flachen Ausrichtung verkauft wird, und
erlaubt dem Benutzer, ihn ohne die Notwendigkeit, Modulabschnitte
zu entfernen oder zusätzliche
Modulabschnitte hinzuzufügen,
einfach an die gewünschte Form
anzupassen.
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Vorzugsweise
kann sich ein Modul in Bezug auf seinen Nachbarn über zumindest
den vollen Bereich von –10° bis +10° und insbesondere über den vollen
Bereich von –20° bis +20°, aber vorzugsweise um
zwischen nicht mehr als –60° und +60° oder insbesondere
um zwischen nicht mehr als –30° und +30° um die Achse
parallel zur Ebene der flach ausgelegten Platte drehen.
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Vorzugsweise
kann sich ein Modul in Bezug auf seinen Nachbarn über zumindest
den vollen Bereich von –10° bis +10°, insbesondere über den
vollen Bereich von –30° bis +30°, und noch
besser über den
vollen Bereich von –80° bis +80° um die Achse rechtwinkelig
zur Ebene der flach ausgelegten Platte drehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist jedes Modul mehrere Knoten auf, und ist bei den Modulen an
der Innenseite der Platte jeder seiner Knoten mit jeweiligen Knoten
von anderen benachbarten Modulen verbunden. Bei den Modulen nahe
der Außenseite
der Platte müssen
nicht alle ihre Knoten mit den Knoten von anderen Modulen verbunden
sein. Es wurde herausgefunden, dass drei und nur drei Knoten pro
Modul gut arbeiten, wie auch vier und nur vier Knoten. Doch ein
einzelner Aufbau kann Kombinationen von Modulen umfassen, die unterschiedliche
Anzahlen von Knoten aufweisen, und auf diese Weise können einige
Module mit 2, 5 oder 6 Knoten benutzt werden.
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Die
Knoten befinden sich vorzugsweise am Ende von Armen, und die Arme
der Module liegen vorzugsweise parallel zur Ebene der flach ausgelegten
Platte. Die Knotenverbindungen zwischen benachbarten Gelenken sind
vorzugsweise einzelne Gelenke wie etwa Kugel/Kugelhülsen-Gelenke,
die, vorzugsweise gleichzeitig, eine Drehung rechtwinkelig zur Ebene
der Platte und parallel zur Ebene der Platte gestatten.
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Es
wurde als vorteilhaft befunden, dass das einzelne Gelenk eine neutrale
Achse aufweist (das heißt,
dass das Gelenk in Bezug auf seine mögliche Drehung zentriert ist),
die im Wesentlichen in 90° zur Ebene
der flach ausgelegten Platte ausgerichtet ist. Dies ist jedoch nicht
wesentlich, und die neutrale Achse kann im Wesentlichen parallel
zur Ebene der flach ausgelegten Platte oder in einem anderen Winkel
zur Ebene der Platte verlaufen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden Kopplungsbestandteile verwendet, um benachbarte
Module miteinander zu verbinden. Ein Kopplungsbestandteil kann eine
relative Drehung zwischen dem Modul und dem Kopplungsbestandteil
um eine Achse parallel zur Ebene der Platte gestatten, und kann
eine relative Drehung zwischen einem angrenzenden anderen Kopplungsbestandteil
um eine Achse rechtwinkelig zur Ebene der Platte gestatten. In diesem
Fall umfasst die Platte zwei unterschiedliche Arten von Gelenken,
eines parallel zur Ebene der Platte und eines rechtwinkelig zur
Ebene der Platte. Dies ist eine Alternative zur ersten Ausführungsform, bei
der durch ein einzelnes Kugel/Kugelhülsen-Gelenk für alle Bewegungen
gesorgt wird. Der Kopplungsbestandteil ist vorzugsweise ein gerader
Bestandteil mit zwei Knoten.
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In
allen Ausführungsformen
sind die Module vorzugsweise miteinander verbunden, um in der Ebene
der Platte ein regelmäßiges Muster
von geschlossenen Schleifen zu bilden. Die geschlossenen Schleifen
können
das Mittel zum Verändern
der Dichte der Platte in einem örtlich
begrenzten Bereich bereitstellen, da sich Module, die zum Umfang
jeder Schleife beitragen, um eine Achse rechtwinkelig zur Ebene
der flach ausgelegten Platte drehen können, um die Schleife zu einem „Stern" oder einer anderen geschlossenen
Form zu schließen.
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Vorzugsweise
kann die wirksame Dichte (und daher die Fläche, da die Masse bewahrt bleibt) der
gesamten Platte oder eines Teils davon verändert werden, während die
Platte flach bleibt. Dies ist jedoch nicht beschränkend, und
die wirksame Fläche der
gesamten Platte oder eines Teils davon kann auch verändert werden,
während
die Platte in irgendeine bestimmte Form verdreht ist. Es muss bemerkt
werden, dass eine Erhöhung
der örtlich
begrenzten wirksamen Fläche
im flachen Zustand zu einem Biegen der Platte aus dem flachen Zustand führt, während eine
Verringerung der örtlich
begrenzten wirksamen Fläche
im gebogenen Zustand zu einer Abflachung der Platte aus einer gebogenen
Position führt.
Die Fähigkeit,
die wirksame Fläche
an örtlich
begrenzten Positionen zu verändern,
gestattet, dass sich die Platte auf eine ähnliche Weise wie ein gummiartiger
Stoff über
einen Gegenstand anpasst, weist aber nicht den Nachteil von Gummi
auf, der elastisch verformt werden muss, wodurch eine unerwünschte Rückstellkraft
verursacht wird. Die Platte nach der bevorzugten Ausführungsform
kann verformt werden, um eine bestimmte Form anzunehmen, doch wird
sie sich in einer Position eines statischen Gleichgewichts befinden
(d. h., es wird keine Rückstellkräfte geben,
die dazu neigen, die Platte in ihre ursprüngliche Form zurückzuführen).
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In
einer Ausführungsform
ist zumindest eines der Module durch ein Gelenk mit mehreren Freiheitsgraden,
das eine neutrale Achse aufweist, die im Wesentlichen in 90° zur Ebene
der flach ausgelegten Platte ausgerichtet ist, mit einem anderen
Modul verbunden.
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Ebenso
wie im Wesentlichen in 90° zur
Ebene der flach ausgelegten Platte befindlich, ist das Kugel/Kugelhülsen-Gelenk vorzugsweise
auch mit seiner neutralen Achse im Wesentlichen in 90° zur Ebene
jedes Moduls ausgerichtet. Vorzugsweise sind alle Verbindungen in
der Platte von der Art, bei der ihre neutralen Achsen im Wesentlichen
in 90° zur Ebene
der flach ausgelegten Platte und/oder des flach ausgelegten Moduls
ausgerichtet sind.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Merkmale von Anspruch 1.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung umfasst mehrere erste und zweite verbundene Bestandteile,
wobei jeder erste Bestandteil durch ein Gelenk, das eine relative
Drehung um eine Achse parallel zur Ebene der flach ausgelegten Platte
gestattet, mit einem zweiten Bestandteil verbunden ist, und jeder
zweite Bestandteil durch ein Gelenk, das eine relative Drehung um
eine Achse rechtwinkelig zur Ebene der flach ausgelegten Platte
gestattet, mit einem benachbarten zweiten Bestandteil verbunden ist.
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Dieser
Aufbau gestattet, dass der Plattenaufbau an komplizierte Formen
angepasst wird, ohne dass es nötig
ist, einzelne Module hinzuzufügen
oder zu entfernen. Er weist auch den Vorteil auf, dass er keine
Kugel/Kugelhülsen-Gelenke
benötigt.
Alle Gelenke können
unter Verwendung einfacher Drehzapfen geschaffen werden.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist jedes der Module erste, zweite und dritte Arme
auf, wobei jeder der Arme regelmäßig von
den anderen beiden Armen beabstandet ist, wobei jeder Arm mit einem
Arm eines benachbarten Moduls verbunden ist, so das jedes Modul
der Platte fähig
ist, sich in Bezug auf sein benachbartes Modul um eine Achse rechtwinkelig
zur Ebene der flach ausgelegten Platte zu drehen.
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Um
das Problem des beschwerlichen und komplizierten manuellen Festziehens
jedes Moduls der Aufbauten des Stands der Technik anzusprechen,
sorgt ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung dafür, das zumindest
eine Verbindung zwischen zwei Modulen ein Sperrmaterial umfasst, das
fähig ist,
zumindest zwei Zustände
anzunehmen, wobei die zumindest zwei Zustände einen ersten Zustand, der
eine relative Bewegung der Bestandteile gestattet, und einen zweiten
Zustand, der eine derartige Bewegung zumindest im Wesentlichen verhindert,
beinhalten, wobei ein Übergang
zwischen den beiden Zuständen
durch die selektive Zuführung
von Energie zum Sperrmaterial bewerkstelligt wird.
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Die
Verwendung eines Sperrmaterials, das fähig ist zumindest zwei Zustände anzunehmen,
wobei ein Übergang
(entweder von gesperrt zu entsperrt oder von entsperrt zu gesperrt)
zwischen den beiden Zuständen
durch die selektive Zuführung
von Energie zum Sperrmaterial bewerkstelligt wird, gestattet, falls
gewünscht,
dass jede der Verbindungen zwischen benachbarten Modulen im gesamten
Aufbau durch eine einzelne Beaufschlagung mit einer bestimmten Form
von Energie selektiv gesperrt oder entsperrt wird. Zum Beispiel
kann das Sperrmaterial ein Material sein, das bei einer Erhitzung
schmilzt und/oder weich wird. In diesem Fall wird eine einfache
Erhitzung des gesamten Aufbaus genügen, um den Übergang
vom gesperrten zum entsperrten Zustand zu verursachen. Daraus folgt,
dass der Aufbau durch ein einfaches Kühlen des Aufbaus in seiner
Position gesperrt werden wird, obwohl es für die Erfindung nicht nötig ist,
dass der Übergang
umkehrbar ist.
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Vorzugsweise
ist der erste Zustand ein weicherer Zustand als der zweite Zustand,
wobei der zweite Zustand zum Beispiel ein erstarrter Zustand ist.
Die Beaufschlagung mit Energie könnte
in der Form von Hitze, zum Beispiel durch direkte Leitung, Konvektion
oder Strahlung, oder durch die Anwendung von Mikrowellen oder einer ähnlichen
Energie, welche dazu gestaltet ist, die physikalischen Eigenschaften
des Sperrmaterials, aber nicht von anderen Teilen des Moduls, anzuregen
oder abzuwandeln, erfolgen. Anstelle der Veränderung des Materials oder dem
Beginn zur Veränderung
seiner Phase kann das selektive Sperren durch den Umstand bewerkstelligt werden,
dass das Material einen bestimmten Wärmedehnungskoeffizienten aufweist.
In diesem Fall wird das Erhitzen des Aufbaus verursachen, dass sich
das Sperrmaterial ausdehnt, um eine relative Bewegung zu verhindern,
die andernfalls zwischen benachbarten Modulen auftreten könnte. Die
Ausdehnung kann durch Hitze oder durch jede beliebige andere Quelle
von Energie, zum Beispiel durch Elektrizität in einem elektro-rheologischen
Material oder einem piezoelektrischen Material, bereitgestellt werden.
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Eine
andere Möglichkeit
ist, dass die bereitgestellte Energie eine Härtung verursacht, zum Beispiel
ultraviolettes Licht, das eine chemische Zusammensetzung von einem
nicht gebundenen Zustand zu einem gebundenen Zustand härten kann.
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Ein
anderer Mechanismus, der verwendet werden kann, ist die selektive
Einbringung eines Fluiddrucks, zum Beispiel eines pneumatischen
oder eines hydraulischen Drucks, welcher Druck das Sperrmaterial
entweder mit Druck beaufschlagen oder seinen Druck herabsetzen kann,
um eine Sperrfunktion bereitzustellen oder zu verhindern.
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Für Kugel/Kugelhülsen-Ausführungsformen befindet
sich das Sperrmaterial ideal im Bereich außerhalb der Kugel, aber innerhalb
der Kugelhülse
im Kugel/Kugelhülsen-Gelenk.
Um die Sperrfähigkeit
zu verbessern, kann entweder die Außenseite der Kugel oder die
Innenseite der Kugelhülse
im Wesentlichen flache Abschnitte aufweisen, so dass der relativen Drehung
ein Widerstand geboten wird, wenn das Sperrmaterial nicht fähig ist,
seine Form zu verändern.
Um die Sperrfähigkeit
noch weiter zu verbessern, können
eine oder mehrere Rillen bereitgestellt sein, vorzugsweise in der
Richtung, die von der Basis der Kugel zur Spitze der Kugel verläuft, um
eine axiale Drehung um die neutrale Achse zu verhindern. Es ist
nicht wesentlich, Rillen zu verwenden, jede beliebige Oberflächentopographie,
die dazu dient, eine relative Drehung zu verhindern, wenn das Sperrmaterial
erstarrt ist, wird ausreichend sein.
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Die
gleichen Überlegungen
gelten, wenn das Gelenk ein Drehzapfen oder eine andere Art von
Gelenk als ein Kugel/Kugelhülsen-Gelenk
ist. Für
ein Drehzapfengelenk kann sich das Sperrmaterial zwischen einem
Schaftteil und einem ringförmigen
Teil befinden, und können
ferner ähnliche
Flachstellen oder Rillenabschnitte verwendet werden, um eine relative
Bewegung zu verhindern, sobald der Übergang zu einem gesperrten
Zustand stattgefunden hat.
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Thermoplastische,
eutektische und hitzehärtbare
Materialien sind alle als Ausführungsformen des
Sperrmaterials geeignet, obwohl andere Materialien zumindest ebenso
gut arbeiten können.
Besonders Polymere sind gute Kandidaten, da sie leicht herzustellen
sind und die gewünschten
Qualitäten aufweisen.
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Man
wird verstehen, dass alle beliebigen der hierin beschriebenen Verfahren
und Aufbauten zum selektiven Sperren mit jeder beliebigen der Ausführungsformen
des beweglichen Aufbaus kombiniert werden können, so dass die hierin beschriebenen
beweglichen Aufbauten selektiv gesperrt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders nützlich, wenn sie auf eine Wirbelsäulenbandage
angewendet wird. Die Fähigkeit
des beweglichen Aufbaus, sich um komplizierte Formen anzupassen,
gestattet, dass eine Wirbelsäulenbandage
geschaffen wird, die sich an die gewünschte Körperform anpasst, aber aus
einem anfänglich
flachen Materialstück
hergestellt ist. Es ist nicht nötig,
dass der orthopädisch-chirurgische
Techniker Module entfernt oder hinzufügt, wenn die Bandage angelegt
wird, und der Sperrmechanismus gestattet, dass die gesamte Bandage
sehr schnell und in einem Vorgang gesperrt oder entsperrt wird.
Als ein Beispiel für
eine Bandagenanlegeprozedur kann der Plattenaufbau anfänglich Mikrowellen
ausgesetzt werden, um ihn zu entsperren. Dies wird die Temperatur
der Module selbst nicht unangemessen erhöhen, so dass die Platte, während sie
locker ist, um den Körper
des Patienten angepasst werden kann, um die gewünschte Stütze bereitzustellen. Das Sperrmaterial
wird im Lauf der Zeit abkühlen,
entweder natürlich
oder mit Hilfe einer angewandten künstlichen Kühlung, so dass die Platte nur
für ein
kurzes Zeitausmaß in
ihrer Position gehalten werden muss, bevor sie erneut gesperrt ist. Die
vorliegende Erfindung verbessert daher das Schaffen und Anlegen
der Bandage sowohl vom Gesichtspunkt des Patienten als auch von
jenem der medizinischen Fachkraft deutlich.
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Nun
werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft beschrieben werden,
wobei
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1A eine
perspektivische Ansicht eines Teils einer Platte von Modulen in
einer ausgedehnten Gestaltung nach der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1B eine
perspektivische Ansicht eines Teils einer Platte von Modulen in
einer zusammengezogenen Gestaltung nach der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
Draufsicht auf eine Platte nach der ersten Ausführungsform in einer Gestaltung zeigt,
in der der Plattenaufbau in seiner Ebene am stärksten ausgedehnt ist;
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3 eine
alternative Draufsicht auf eine Platte nach der ersten Ausführungsform
in einer Gestaltung zeigt, in der der Plattenaufbau in seiner Ebene
am stärksten
zusammengepresst ist;
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4 eine
Draufsicht auf sechs Module der ersten Ausführungsform zeigt, die den bevorzugten sechseckigen
Ringaufbau zeigen;
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5 die
Module von 4 zeigt, die jedoch so gedreht
sind, dass die Gesamtdichte erhöht
ist und der Ringaufbau geschlossen ist;
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6 eine
Querschnittansicht entlang der in 4 gezeigten
Linie C-C zeigt, wenn die Module 120 und 130 in
Bezug auf eine Achse in der Ebene der biegsamen Platte neutral angeordnet
sind;
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7 eine
Querschnittansicht zeigt, die jener von 6 ähnlich ist,
wobei jedoch das Modul 120 um eine Achse gedreht wurde,
die in der Ebene der biegsamen Platte liegt und senkrecht zur Seite verläuft;
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8 die
biegsame Platte der ersten Ausführungsform
um die Oberfläche
eines Zylinders angepasst zeigt;
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9 die
biegsame Platte der ersten Ausführungsform
um die Oberfläche
einer Halbkugel angepasst zeigt;
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10A und 10B zwei
Gestaltungen von zwei Modulen einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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11A und 11B jeweils
sechs Module einer dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigen;
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12A und 12B zwei
Gestaltungen von zwei Modulen einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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13 eine
perspektivische Ansicht einer fünften
Ausführungsform
der Erfindung ist;
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14 eine
perspektivische Ansicht von zwei Modulen einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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15A bis 15C eine
Platte zeigen, die Module der sechsten Ausführungsform der Erfindung umfasst,
während
sie sich von ihrem geschlossenen Zustand zu ihrem offenen Zustand
ausdehnt;
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16A bis 16C vier
Module der sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen und veranschaulichen, wie sich
die Platte von ihrem geschlossenen Zustand zu ihrem offenen Zustand
ausdehnt, um eine Ausdehnung von 200% bereitzustellen;
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17 eine
neutrale Achse, die senkrecht zur Ebene der biegsamen Platte angeordnet
ist, schematisch zeigt;
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18 eine
neutrale Achse, die parallel zur Ebene der biegsamen Platte angeordnet
ist, schematisch zeigt;
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19 eine
siebente Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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20A bis 20F einen
Plattenaufbau, der für
jedes Modul nur vier Knoten verwendet, schematisch zeigt;
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21 eine
Querschnittansicht durch eine Kugel nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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22 eine
Querschnittansicht durch ein Modul, das zwei Kugelhülsen umfasst,
wobei jede Kugelhülse
eine Kugel enthält,
nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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23 eine
Querschnittansicht durch ein Modul, das zwei Kugelhülsen umfasst,
wobei jede Kugelhülse
eine Kugel enthält,
nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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24 eine
Querschnittansicht durch ein Modul, das zwei Kugelhülsen umfasst,
wobei jede Kugelhülse
eine Kugel enthält,
nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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25 eine
Querschnittansicht durch ein Modul, das zwei Kugelhülsen umfasst,
wobei jede Kugelhülse
eine Kugel enthält,
nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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26 eine
Querschnittansicht durch ein Modul, das zwei Kugelhülsen umfasst,
wobei jede Kugelhülse
eine Kugel enthält,
nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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27 eine
Querschnittansicht durch ein Modul, das zwei Kugelhülsen umfasst,
wobei jede Kugelhülse
eine Kugel enthält,
nach einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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28 eine
biegsame Platte nach der vorliegenden Erfindung zeigt, die in die
Form einer Wirbelsäulenbandage
geformt wurde und mit einem Hautmaterial bedeckt ist.
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1a und 1B sind
perspektivische Ansichten einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. 1A zeigt den Aufbau in einer
flachen, ausgedehnten Form, und 1B zeigt
den Aufbau in einer flachen, zusammengepressten Form. Wie ersichtlich
ist, umfasst der Plattenaufbau 100 mehrere Module 102,
wobei jedes Modul drei gleich beabstandete Arme 104 (d.
h., in Abständen
von 120° in
der gleichen Ebene angeordnet) aufweist und am Ende jedes Arms eine
Hälfte
eines Gelenks 106 aus einer Kugel und einer Kugelhülse aufweist.
Alle Module weisen die gleiche Form auf, und alle scheinen auf den
ersten Block visuell identisch zu sein. Doch es gibt tatsächlich zwei
unterschiedliche Arten von Modulen in der Platte; eine erste Art,
die am Ende jedes Arms eine Kugelhälfte eines Kugel/Kugelhülsen-Gelenks 106 trägt, und
eine zweite Art, die am Ende jedes Arms eine Kugelhülsenhälfte des
Kugel/Kugelhülsen-Gelenks 106 trägt. Dies
ist jedoch nur zur Bequemlichkeit der Herstellung der Fall, und es
ist für
die Erfindung nicht wichtig, dass jedes Modul nur eine Art von Kugel/Kugelhülsen-Gelenkshälfte trägt.
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Die
Module der Platten sind vorzugsweise in einem regelmässigen Muster
angeordnet, wie in der Draufsicht von 2 gezeigt
ist (d. h., die Ebene der Platte liegt parallel zur Ebene der Seite).
Wie ersichtlich ist, ist jeder Arm 104 jedes Moduls 102 mit
einem Arm 104 eines benachbarten Moduls 102 verbunden. Da
jedes Modul 102 drei Arme 104 aufweist, weist
jedes Modul 102 gewöhnlich
drei benachbarte Module auf. Wie in 1A und 2 gezeigt
verläuft
jeder Arm jedes Moduls parallel zum verbindenden Arm jedes benachbarten
Moduls, und dies führt
dazu, dass sich die biegsame Platte in ihrer am stärksten ausgedehnten
Gestaltung befindet. In dieser Ausführungsform ist die Verbindung
derart, dass die verbindenden Module nicht in der gleichen Ebene
liegen, und sich jedes Modul in einer unterschiedlichen Ebene zu
seinen drei nächsten
Nachbarn befindet. Es gibt daher zwei getrennte Ebenen von Modulen.
Dies ist vielleicht am besten in 1A und 1B ersichtlich. Die
beiden Ebenen, die die beiden Sätze
von Modulen enthalten, sind um die Länge der Verbindung 106 beabstandet,
die in dieser Ausführungsform
etwa 6 mm beträgt.
Die Verbindungen sind vorzugsweise Kugel/Kugelhülsen-Gelenke mit ihrer neutralen
Achse in einer Richtung senkrecht zur Seite (und somit auch senkrecht
zu den beiden Ebenen von Modulen, während die Platte flach bleibt).
Die „neutrale
Achse" des Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
ist als die Achse definiert, bei der die Kugel in der Kugelhülse zentriert ist.
Daher ist die neutrale Achse die Mitte des gesamten Bewegungsbereichs
für das
Kugel/Kugelhülsen-Gelenk.
Dies wird später
unter Bezugnahme auf 14 und 15 ausführlicher
beschrieben.
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Die
in 1A und 2 gezeigte Gestaltung zeigt
die Platte in ihrer am stärksten „gedehnten" oder ausgedehnten
Position. Mit anderen Worten ist diese Position diejenige, in der
die Dichte der Platte am geringsten ist (dies kann visuell bestätigt werden, indem
bemerkt wird, dass es in der Platte eine Anzahl von offenen sechseckigen „Ringen" gibt).
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Bei
Verwendung kann die Dichte der Platte, oder nur eines Teils davon,
erhöht
werden, während sie
flach bleibt, indem einige der Kugel/Kugelhülsen-Gelenke um Achsen rechtwinkelig
zur Ebene der Platte, das heißt,
um ihre neutralen Achsen, gedreht werden. 1B und 3 zeigen
das Ergebnis einer derartigen Drehung in dem Fall, in dem alle Module
in Bezug auf ihre Nachbarn um (und nur um) eine Achse rechtwinkelig
zur Ebene der Platte gedreht werden. Wie ersichtlich ist, wird die
gesamte Dichte der Platte stark erhöht (und daher die gesamte Fläche der
Platte stark verringert). Die Geometrie der vorliegenden Ausführungsform
ergibt eine derartige Verringerung der Fläche, dass die Fläche der
Platte, wenn diese am stärksten
zusammengepresst ist, etwa 70% der Fläche der gleichen Platte, wenn
diese am stärksten
ausgedehnt ist, beträgt.
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4 und 5 zeigen
eine Nahansicht des Bereichs, der in 2 als „A" bzw. in 3 als „B" markiert ist. Diese
Figuren dienen zur ausführlicheren
Erklärung
des Mechanismus der Dichteverringerung.
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Ein
einzelner „Ring" des Aufbaus ist
in 4 gezeigt. Der „Ring" ist aufgrund des Umstands, dass er
durch sechs Module begrenzt ist, die jeweils gleich beabstandete
Arme aufweisen, tatsächlich
sechseckig. Module, die mit 120 bezeichnet sind, befinden sich
in einer anderen Ebene als Module, die mit 130 bezeichnet
sind. Wie oben besprochen sind diese beiden Ebenen parallel, wenn
die biegsame Platte flach ausgelegt ist. In der Anordnung, die in 4 gezeigt
ist, befindet sich der Flächenschwerpunkt
jedes Moduls so weit als möglich
vom Flächenschwerpunkt eines
jeden der anderen Module in der Platte entfernt. Kein Modul kann
weiter von irgendeinem anderen Modul getrennt werden, und daraus
folgt, dass sich die Platte an ihrem Punkt der geringsten Dichte befindet.
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Wenn
man die in 4 und 5 gezeigten Knotenverbindungspunkte
a, b, c, d, e, f betrachtet, ist ersichtlich, dass die Zunahme der
Dichte durch Bringen der Knotenverbindungspunkte b, d, f zur Mitte
des „Rings" erreicht wird. Die
Position der restlichen Knotenverbindungen a, c, e bleibt während dieser
Bewegung verhältnismäßig statisch,
wie in 5 gezeigt ist. Es wird daher ersichtlich sein,
dass die Module fähig
sind, sich so zu drehen, dass sie sich „schließen", um den Raum in der Mitte des Rings,
der vorher nicht besetzt war, zu besetzen.
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Die
oben besprochene relative Drehung von angrenzenden Modulen um eine
Achse rechtwinkelig zur Ebene der flach ausgelegten Platte, um die
Dichte der gesamten Platte oder eines Teils davon zu verringern,
ist nur eine Bewegung, zu deren Ausführung diese Ausführungsform
der biegsamen Platte fähig ist.
Das Kugel/Kugelhülsen-Gelenk 106 dieser
Ausführungsform
ist auch fähig,
eine relative Bewegung zwischen Modulen um jede beliebige Achse
parallel zur Ebene der Platte zu gestatten.
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6 und 7 zeigen
zwei Querschnittansichten des Kugel/Kugelhülsen-Gelenks 106 entlang der
in 4 gezeigten Linie C-C gesehen. Wie ersichtlich
ist, befindet sich die Kugel 108 so in der Hülse 110,
dass sie nicht durch senkrechtes Ziehen entweichen kann. Die Kugel
kann sich um die neutrale Achse 150 des Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
drehen (um die oben besprochene Drehung um eine Achse rechtwinkelig
zur Ebene der Platte bereitzustellen), und die Kugel kann sich in
der Kugelhülse
auch um andere Achsen drehen.
-
In 6 befindet
sich das Gelenk aus der Kugel und der Kugelhülse in seinem „neutralen" Zustand. Es ist
ersichtlich, dass das Gelenk so gebildet ist, dass es ein gleiches
Ausmaß der
Drehung (in diesem Fall etwa 20°)
um jede beliebige Achse parallel zur Ebene der Platte gestattet.
-
Man
wird verstehen, dass die Kugel 108 nicht völlig kugelförmig ist,
sondern teilweise abgeschnitten ist, um an ihrer Basis einen im
Wesentlichen flachen Abschnitt 112 zu belassen. In der
gleichen Weise ist die Kugelhülse 110 teilweise
ausgefüllt,
um an ihrer Basis einen im Wesentlichen flachen Abschnitt 114 zu
belassen, obwohl sich diese Flachstelle 114 nicht so dicht
an der Mitte 116 der Kugel befindet, wie die Flachstelle 112 der
Kugel. Diese flachen Abschnitte 112/114 sind optional
und müssen nicht
bereitgestellt sein. Sie können
jedoch dabei helfen, wenn der Aufbau gesperrt werden soll, wie später beschrieben
werden wird. Der Ausdruck „Kugel/Kugelhülsen-Gelenk" soll wie in 6 und 7 veranschaulichte
Kugelhülsen
mit flachen Abschnitten wie auch herkömmliche Kugelhülsen, bei
denen die eingreifenden Teile der Kugel und der Kugelhülse kugelförmig sind,
und tatsächlich
jede beliebige Kugelhülse,
bei der ein Teil die Funktion der Kugel durchführt und ein anderer Teil die
Funktion einer Kugelhülse
durchführt,
abdecken. In allen Ausführungsformen
können
alle beliebigen Gelenke mit mehrfachen (z. B. 2, 3 oder mehr) Freiheitsgra den
verwendet werden, wobei das Kugel/Kugelhülsen-Gelenk ein Beispiel ist.
-
7 zeigt
die Position der Module, nachdem das Modul 120 in Bezug
auf das Modul 130 um eine Achse senkrecht zur Seite (d.
h., eine Achse parallel zur Ebene der Platte des biegsamen Aufbaus) gedreht
wurde. Es ist ersichtlich, dass das Modul 120 fähig ist,
sich um etwa 20° um
diese Achse zu drehen. In der gleichen Weise ist eine Drehung in
die andere Richtung um die gleiche Achse bis zu einem Höchstausmaß von etwa
20° möglich. Es
wurde herausgefunden, dass dies angemessen ist, um eine Anpassung
um komplexe Formen zu gestatten, ohne die mechanische Stärke des
Gelenks zu beeinträchtigen.
-
Diese
Bewegung um eine Achse parallel zur Ebene der Platte gestattet,
dass die Platte um einfache Formen wie etwa Zylinder gebogen wird,
wie in 8 gezeigt ist. In 8 wurde
nur ein Freiheitsgrad des Kugel/Kugelhülsen-Gelenks verwendet, um eine
Anpassung um die Zylinderfläche
zu erzielen, und eine Anpassung um einfache Formen wie etwa diese
kann im Allgemeinen erzielt werden, indem sich die Module lediglich
um eine Achse in der Ebene der Platte relativ zueinander drehen.
-
Die
vorliegende Erfindung findet jedoch die höchste Brauchbarkeit, wenn sie
zur Anpassung um komplizierte Formen, zum Beispiel die Körperform
eines Patienten, der eine Wirbelsäulenbandage benötigt, verwendet
wird. Falls gewünscht
ist, die Platte um eine komplexe Form anzupassen, werden mehr Freiheitsgrade
des Gelenks gleichzeitig verwendet, und insbesondere wird gleichzeitig
mit der Drehung um eine Achse parallel zur Ebene der Platte eine Drehung
rechtwinkelig zur Ebene der Platte durchgeführt.
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9 zeigt
eine Platte nach der ersten Ausführungsform,
die um die Fläche
einer Halbkugel angepasst ist. Man wird verstehen, dass dies durch Pressen
der anfänglich
flachen Platte von 3 um die Halbkugel erreicht
wurde. Bei diesem Pressen wird die Dichte der Platte in der Mitte
der Platte (d. h., an der Oberseite von 9) örtlich verringert,
während
die Dichte nahe den Außenkanten
der Platte (zur Unterseite von 9) hoch
bleibt. Daher gibt 9 ein Beispiel für eine örtlich begrenzte Änderung
der Dichte der Platte, die ihr eine Anpassung um eine komplexe Form
gestattet hat.
-
Die
Module dieser Ausführungsform
sind vorzugsweise aus Spritzgusskunststoff hergestellt. Jedes beliebige
geeignete Kunststoffmaterial kann verwendet werden, und es wurde
herausgefunden, dass Polyamid (Nylon) und Polycarbonat eine angemessene
Leistung erbringen.
-
Jedes
Modul kann aus einem flachen dreiarmigen Kunststoffelement hergestellt
werden, wie in 1 und 2 gezeigt
ist. Die Dicke des Elements kann jeder beliebige geeignete Wert
sein, z. B. 0,1 bis 5 mm, obwohl herausgefunden wurde, dass eine Dicke
von ungefähr
2 mm einen guten Kompromiss zwischen der Stärke, der Leichtigkeit und der
Anpassungsfähigkeit
ergibt. Die Länge
jedes Arms 104 von der Mitte des Moduls bis zum Drehzentrum
des Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
am Ende des Arms kann ebenfalls jeden beliebigen geeigneten Wert
annehmen, z. B. 5 bis 50 mm. Es wurde herausgefunden, dass eine
Armlänge
von 8 mm dem Aufbau gestattet, sich um die meisten praktischen Formen
zu bewegen. Wie in 1 und 2 gezeigt
können
die Arme entlang ihrer Länge
eine konstante Breite aufweisen, und können sie an ihren Abschlussenden aus
Sicherheitsgründen
(zur Verhinderung scharfer Ecken), und um dem Aufbau zu gestatten,
sich dichter zu schließen
(wie in 3 gezeigt), abgerundet sein.
Diese Breite kann jeden beliebigen geeigneten Wert annehmen, z.
B. 2 bis 20 mm, und es wurde herausgefunden, dass 7 mm eine gute
Leistung erbringen. Daher weist der in 1 gezeigte
Aufbau vorteilhaft eine Moduldicke von 2 mm, eine Armbreite von
7 mm und eine Armlänge
(d. h., der Abstand von der Mitte des Moduls zum Drehzentrum des
Gelenks) von 8 mm auf. Die beiden „Schichten" von Modulen 120, 130 können (von
der Mitte zur Mitte) um ein Ausmaß getrennt sein, das so gewählt ist,
dass es die gesamte Dicke des Plattenaufbaus definiert, zum Beispiel
wird eine Trennung von 8 mm eine gesamte Dicke von 10 mm ergeben,
wenn 2 mm dicke Module verwendet werden. Wenn jedes der flachen
Module 2 mm dick ist, kann eine Trennung der beiden Schichten von
8 mm erreicht werden, indem Kugel/Kugelhülsen-Gelenke gewählt werden,
die eine längsgerichtete
Länge (d.
h., eine Länge
in der Richtung der neutralen Achse) von 6 mm aufweisen. Die Kugeln des
Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
können
jeden beliebigen geeigneten Durchmesser aufweisen, z. B. 1 bis 10
mm. Die in 1 gezeigten Kugeln weisen
einen Durchmesser von 3 mm auf.
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Jedes
Modul 102 kann derart aus Kunststoff spritzgegossen werden,
dass die Kugel- oder die Kugelhülsenhälfte des
Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
einstückig
mit dem flachen Teil des Moduls ausgeführt ist. In diesem Fall können zwei
Arten von Modulen hergestellt werden; ein erstes Modul mit drei
Kugelhülsengelenken
und ein zweites Modul mit drei Kugelgelenken. In diesem Fall (wie
in 1 und 4 gezeigt
ist) bildet das erste Modul 120 eine „Schicht" der Platte, und bildet das zweite Modul 130 die
andere „Schicht" der Platte.
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Alternativ
können
viele ähnliche
Module gesondert aus den beiden Hälften der Kugel/der Kugelhülse gebildet
werden, und kann die passende Kugel/Kugelhülsen-Gelenkhälfte an
das flache Standard-Modulelement geklebt werden oder auf eine andere
Weise daran gebunden werden.
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10A und 10B zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Module 200, 220, wobei anstelle des Vorhandenseins
eines einzelnen Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
für jeden
Arm eines Moduls zwei derartige Kugel/Kugelhülsen-Gelenke bereitgestellt sind,
indem ein doppelseitiges Kugelverbindungsstück 202, 222 verwendet
wird und das Ende jedes Modularms mit einer verbindenden Kugelhülse 204, 224 versehen
wird. Dies gestattet, dass alle Module 202 identisch hergestellt
werden, wodurch die Leistungsfähigkeit
der Herstellung erhöht
wird. Diese Ausführungsform
wird auch theoretisch mehr Bewegung (d. h., größer als 20° in jeder Richtung) um Achsen
parallel zur Ebene der Platte gestatten, ohne die mechanische Stärke zu beeinträchtigen.
Der Mechanismus der Bewegung ist für praktische Zwecke im Wesentlichen
wie für
die erste Ausführungsform
beschrieben.
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In 10 sind zwei alternative Modulformen gezeigt.
In 10A umfasst die Mitte des Moduls einen hohlen
Ringaufbau. Dies maximiert die Stärke, während es das Gewicht verringert. 10B zeigt ein schlankeres Modul. Jede Art von
Modul kann ausschließlich
in einer einzelnen Platte verwendet werden, oder die verschiedenen
Module können
gemeinsam in der gleichen Platte verwendet werden. In beiden Fällen weisen
die Module abgerundete und geglättete
Kanten auf, um die Handhabung zu erleichtern.
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In 11A und 11B ist
eine dritte Ausführungsform
gezeigt. Die Bewegung der Module der biegsamen Platte in dieser
Ausführungsform
ist im Wesentlichen die gleiche wie die Bewegung der Module in der
ersten und in der zweiten Ausführungsform.
Doch bei dieser Ausführungsform
gibt es zwei ziemlich deutlich unterschiedliche Module; ein erstes Modul 160 mit
drei gleich beabstandeten Armen und einem am Ende jedes Arms befindlichen
Kugelelement; und ein zweites Modul 170 von dreieckiger Ausbildung,
das aus zwei parallelen Platten besteht, die in der Mitte (z. B.
durch Schrauben oder Klebstoff) verbunden sind und die Kugeln des
ersten Moduls 160 an den Ecken ergreifen. Das Ergreifen
erfolgt derartig, dass eine relative Drehung zwischen den ersten
und den zweiten Modulen sowohl um eine Achse rechtwinkelig zur Ebene
der Platte als auch um eine Achse parallel zur Ebene der Platte
gestattet wird. Aus 11 wird ersichtlich
sein, dass sich das Modul 160 über etwa 180° um eine
Achse rechtwinkelig zur Ebene der Platte in Bezug auf das Modul 170 bewegen
kann. Der Durchmesser der Kugeln im Vergleich zur Dicke der Arme
bestimmt das Ausmaß der
Bewegung, die um Achsen parallel zur Ebene der Platte erzielbar
ist. Vorzugsweise ist eine Drehung von zumindest 10° in jeder
Richtung möglich,
und vorzugsweise sind nicht mehr als 60° in jeder Richtung erlaubt,
um die strukturelle Stärke
der Arme, die nicht zu dünn
sein sollte, zu bewahren. Diese Ausführungsform weist den Vorteil
auf, dass sie dank der festen dreieckigen Module 170 eine
fortlaufende Fläche
besser simuliert. Es wird auch ersichtlich sein, dass die „neutrale
Achse" der Kugel/Kugelhülsen-Gelenke
in der Ebene der flach ausgelegten biegsamen Platte liegt. Dies
wird später
ausführlicher besprochen.
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12A und 12B zeigen
eine vierte Ausführungsform,
die im Allgemeinen einen ähnlichen
Aufbau wie jene von 11 aufweist. In
dieser Ausführungsform
weisen die beiden Module jedoch untereinander eine ähnliche
Form auf, und weisen sie Arme auf, die dem in 11 gezeigte
dreieckige Modul 170 näher
entsprechen. Sowohl in dieser als auch in der dritten Ausführungsform
liegt die neutrale Achse für
jedes der Kugel/Kugelhülsen-Gelenke
in der Ebene der Platte. Der Aufbau von 12B ist dem
von 12A sehr ähnlich, außer dass die ersten Module
von 12B an dem Punkt, an dem sie die
Kugeln des zweiten Moduls ergreifen, Durchgangsöffnungen aufweisen.
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13 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform
weisen die beiden Module 180, 190 sehr unterschiedliche
Formen auf. Das erste Modul 180 ist ring- oder donutförmig und
weist drei kugelförmige
Aussparungen auf, die gleichmäßig um seinen
Umfang beabstandet sind. Das zweite Modul 190 ist gerade
und weist an beiden Enden zwei im Allgemeinen kugelförmige Kugeln
auf, so dass es hantelförmig
ist. Die Kugel am Ende des zweiten Moduls 190 ist dazu
geeignet, auf die in 13 gezeigte Weise in die kugelförmige Aussparung
im ersten Modul 180 zu passen. Das Kugel/Kugelhülsen-Gelenk gestattet
eine Bewegung um mehrere Freiheitsgrade, und daher sind alle Bewegungen
der ersten bis vierten Ausführungsform
möglich.
Darüber
hinaus sind aufgrund des Umstands, dass es doppelt so viele Kugel/Kugelhülsen-Gelenke
wie in der ersten Ausführungsform
gibt, zusätzliche
Bewegungen verfügbar.
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14 zeigt
zwei Module einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung. Jedes Modul weist vier Knoten auf, die sich an Armen
befinden, welche sich in der Ebene der Platte senkrecht von einem länglichen „Rückgrat" erstrecken. Die
Knoten erstreckt sich aus der Ebene der Platte. Die Knoten, die sich
von Armen an einem Ende des Rückgrats
erstrecken, erstrecken sich in die entgegengesetzte Richtung zu
den Knoten der Arme am anderen Ende des Rückgrats. Das Modul ist daher
im Wesentlichen I-förmig.
Um die Ausdehnung in der Ebene bereitzustellen, ist der Abstand
zwischen den Knoten an einem Ende des Rückgrats geringer als die Länge des Rückgrats
minus der Breite eines der Arme. Dies gestattet, dass sich ein Modul
in Bezug auf sein benachbartes Modul um 180 Grad in der Ebene dreht.
-
15A und 16A zeigen
einen Teil einer Platte, die die Module der sechsten Ausführungsform
umfasst, in einer geschlossenen Anordnung. Diese Ausführungsform
weist den Vorteil auf, dass die Module mosaikartig angeordnet sind – das heißt, dass
sie zusammenpassen und zwischen ihnen keine Lücken belassen. Daher zeigt
die Platte von 15A eine im Wesentlichen flache
Fläche,
die keinerlei Lücken
oder Löcher
aufweist. 15B zeigt die Platte, wenn sie
etwas in der Ebene ausgedehnt wurde. Jedes Modul hat sich in Bezug
auf seinen Nachbarn um ungefähr
45 Grad gedreht. Als Ergebnis erscheinen in der Platte parallelogrammförmige „Löcher" – diese sind in 16B offensichtlicher.
-
15C und 16C zeigen
die Platte, wenn sich jedes Modul in Bezug auf seinen Nachbarn um
90 Grad gedreht hat. In dieser Position befindet sich die Platte
in ihrem am stärksten
ausgedehnten Zustand und ist die Platte doppelt so groß wie die Platte
von 15A. An diesem Punkt sind die
Löcher zwischen
den Modulen im Wesentlichen rechteckig und weisen ihre größtmögliche Fläche auf.
Eine fortgesetzte relative Drehung der Module wird dazu führen, dass
sich die Platte in sich selbst schließt, um ihre geschlossene Stellung
anzunehmen.
-
16A und 16C zeigen
einige bevorzugte Abmessungen für
die Module der Platte in Millimetern.
-
Wie
bei den anderen Ausführungsformen
gestattet die sechste Ausführungsform
ebenso wie eine Ausdehnung in der Ebene auch eine Bewegung aus der
Ebene, so dass die Platte um nicht flache Formen angepasst werden
kann. Um dies zu erreichen, werden an den Knoten Kugel/Kugelhülsen-Gelenke
verwendet, die eine gewisse Drehung um Achsen in der Ebene der flach
ausgelegten Platte gestatten. Die Kugel/Kugelhülsen-Gelenke sind vorzugsweise
so angeordnet, dass ihre neutrale Achse senkrecht zur Ebene der
flach ausgelegten Platte verläuft.
Wie bei den anderen Ausführungsformen
können
andere Gelenke als Kugel/Kugelhülsen-Gelenke
verwendet werden, wobei das Ausmaß der Drehung in der Ebene
und der Drehung aus der Ebene gemäß den gewünschten Qualitäten der
Platte gewählt
wird.
-
17 und 18 veranschaulichen
genauer, wie sich die Ausrichtung des Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
in jeder der Ausführungsformen
unterscheiden kann. In der ersten Ausführungsform verläuft die
neutrale Achse senkrecht zur Ebene der Platte. Dies ist in 17 veranschaulicht.
Wie in
-
17 gezeigt
befindet sich das Kugel/Kugelhülsen-Gelenk
in seiner „neutralen" Position, so dass
sich die Kugel in jeder bestimmten Richtung um ein gleiches Ausmaß in der
Kugelhülse
drehen kann. Man wird verstehen, dass die Kugel senkrecht in die Kugelhülse eingesetzt
wurde, und es sollte klar sein, dass die neutrale Achse des Kugel/Kugelhülsen-Gelenks in 17 daher
senkrecht ist.
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18 zeigt
eine alternative Gestaltung (zum Beispiel die der dritten, vierten
und fünften
Ausführungsform),
wobei die Kugel waagerecht in die Kugelhülse eingesetzt wurde. Erneut
ist die Kugel 108 in ihrer neutralen Position in Bezug
auf die Kugelhülse 110 gezeigt.
Man wird verstehen, dass die neutrale Achse für die Gestaltung von 18 in
der Ebene der Platte liegt.
-
Es
sollte bemerkt werden, dass die Ebene der Platte sowohl für 17 als
auch 18 parallel zur Linie X-X und senkrecht zur Seite
liegt.
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19 zeigt
eine siebente Ausführungsform der
Erfindung Anders als die erste bis sechste Ausführungsform verwendet diese
Ausführungsform
kein Kugel/Kugelhülsen-Gelenk,
um die Module miteinander zu verbinden. Stattdessen werden zwei
gesonderte Drehzapfengelenke verwendet. Ein erstes Drehzapfengelenk 304 soll
die nötige
Bewegung um eine Achse parallel zur Ebene der Platte bereitstellen,
und ein zweites Drehzapfengelenk 306 soll die nötige Bewegung
um eine Achse rechtwinkelig zur Ebene der Platte bereitstellen.
-
Ein
erstes Modul 300 der Platte weist wie in 19 gezeigt
drei gleich beabstandete Arme auf. Mit jedem Arm ist ein Kopplungsbestandteil 302 verbunden,
der im Allgemeinen gerade ist und an jedem Ende zueinander rechtwinkelige
Drehzapfengelenke aufweist. Die Drehzapfenverbindung 304 zwischen dem
Modul 300 und dem Kopplungsbestandteil 302 ist
derart, dass eine relative Bewegung um eine Achse, die parallel
zur Ebene der Platte verläuft
und sowohl der Ebene des Moduls 300 als auch jener des Kopplungsbestandteils 302 gemein
ist, gestattet wird. Eine Bewegung um diesen Drehzapfen 304 gestattet,
dass die Platte um Gegenstände
gebogen wird. Der Kopplungsbestandteil 302 ist über die
Drehzapfenverbindung 306 durch eine Achse, die senkrecht
zur Ebene der Platte verläuft,
mit einem anderen Kopplungsbestandteil 302 verbunden. Eine
relative Bewegung um diese Achse gestattet, dass die Dichte der
Platte reguliert wird. Wie man aus 19 verstehen
wird, ist jedes Modul 300 mit drei gesonderten Kopplungsbestandteilen 302 verbunden,
und ist jeder Kopplungsbestandteil 302 an einem Ende mit
einem Modul 300 und am anderen Ende mit einem anderen Kopplungsbestandteil 302 verbunden. Die
Module sind miteinander im gleichen sich wiederholenden Muster,
wie es oben für
die erste bis sechste Ausführungsform
beschrieben wurde, verbunden, um den im Allgemeinen sechseckigen „Ring"aufbau zu schaffen.
Dies kann man sich bildlich vorstellen, indem man bemerkt, dass
das Modul 300, das über Drehzapfen 304 mit
drei Kopplungsbestandteilen 302 verbunden ist, auf die
gleiche Weise wie ein einzelnes Modul 102 der ersten Ausführungsform
wirkt. Das heißt,
ein derartiges Modul 300 kann sich in Bezug auf andere
Module 300 sowohl um Achsen rechtwinkelig als auch Achsen
parallel zur Ebene der biegsamen Platte bewegen.
-
Vorzugsweise
weist der Kopplungsbestandteil 302 wie in 19 gezeigt
ein Joch auf, das unter Verwendung eines Spannstifts zur Schaffung
einer Drehzapfenverbindung 304 mit einem Arm eines Moduls 300 verbunden
ist. Das andere Ende des Kopplungsbestandteils 302 ist
vorzugsweise unter Verwendung eines Splints zur Schaffung einer
Drehzapfenverbindung 306 mit einem gleichartigen Kopplungsbestandteil 302 verbunden.
-
Wie
bei den anderen Ausführungsformen können die
Module abhängig
von der Anwendung, für die
sie verwendet werden, jede beliebige passende Größe annehmen. Die Kopplungsbestandteile 302 können zwischen
der rechtwinkeligen Achse eine Länge
von 5 bis 50 mm, zum Beispiel 18 mm, aufweisen, und können eine
Dicke von 1 bis 30 mm, zum Beispiel 10 mm, aufweisen. Wie in 19 gezeigt muss
die Breite nicht konstant sein, obwohl sie vorzugsweise im Bereich
von 3 bis 50 mm liegt und vorzugsweise geringer als 25 mm ist. Das
Modul 300 kann ähnliche
Abmessungen wie bei der ersten Ausführungsform aufweisen, außer dass
es im Allgemeinen viel dicker sein wird müssen, um durch seine Dicke
den Drehzapfen 304 unterzubringen. Um eine gleichmäßige Plattendicke
sicherzustellen, kann das Modul 300 die gleiche Dicke wie
der Kopplungsbestandteil 302 aufweisen, zum Beispiel 10
mm. Das Modul 300 weist vorzugsweise eine Armlänge von
8 mm und eine Armbreite von 5 mm auf.
-
Der
sechseckige „Ring"aufbau ist ein Ergebnis
der Verwendung von Modulen mit drei gleich beabstandeten Armen.
Wenn Module mit anderen Anzahlen von Armen verwendet werden, wird
der Ring eine andere Form aufweisen. Zum Beispiel zeigt 20 den Mechanismus der Dichteveränderung
in der Ebene der Platte, wenn jedes Modul 350 vier Knoten 360 aufweist,
schematisch. In diesem Fall ist der „Ring" quadratisch. Für andere Anzahlen von Knoten
und Formen des Moduls wird der „Ring" anders geformt sein. Dennoch wird der „Ring" als eine Fläche gekennzeichnet
sein, die frei von jeglichen Modulen ist.
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20A zeigt eine Gestaltung, bei der alle der Module 350 um
das Höchstausmaß von ihren Nachbarn
beabstandet sind. Dies die die Gestaltung mit der geringsten Dichte
und der größten Fläche. 20B bis 20D zeigen
Stufen in der relativen Bewegung der Module vom am stärksten ausgedehnten
Zustand der Platte zum am stärksten
geschlossenen Zustand der Platte, der in 20E gezeigt
ist. Es wird ersichtlich sein, dass die ausgedehnte Platte etwa
die doppelte Fläche
der nicht ausgedehnten Platte aufweist. 20F zeigt
einen größeren Plattenteil
zwischen dem ausgedehnten und dem nicht ausgedehnten Modus.
-
Nun
wird ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beschrieben
werden, bei dem ein bewegliches Merkmal selektiv gesperrt und entsperrt
werden kann. Im Allgemeinen umfasst dieser Gesichtspunkt der Erfindung
die Verwendung eines „Sperrmaterials", das heißt, eines
Materials, das sich bei der Beaufschlagung mit oder der Beseitigung
von externer Energie auf irgendeine Weise verändern kann. Diese Veränderung
kann zum Beispiel in der Form einer Phasenänderung, einer chemischen Veränderung
oder einer Größenveränderung
sein. Das Sperrmaterial befindet sich vorzugsweise direkt neben
bestimmten Teilen der Gelenke eines Aufbaus, um zu beeinflussen,
ob eine Bewegung im Gelenk leicht möglich ist, oder nicht.
-
Die
folgenden Beispiele betreffen ein Kugel/Kugelhülsen-Gelenk, obwohl man verstehen wird, dass
die Idee auf jede beliebige Art von Gelenk, zum Beispiel Drehzapfengelenke,
erweitert werden kann. Im Besonderen kann der Sperrgesichtspunkt der
Erfindung die Sperrsysteme, die in den oben besprochenen Dokumenten
des Stands der Technik (z. B.
US
4,484,778 ) gezeigt sind, ersetzen.
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6 zeigt
eine Querschnittansicht eines Kugel/Kugelhülsen-Gelenks. Wie bereits beschrieben
wurde, weist die Kugel einen flachen Abschnitt 112 auf,
und weist die Kugelhülse
einen flachen Abschnitt 114 auf, so dass zwischen dem Ende
der Kugel und dem Boden der Kugelhülse ein Raum vorhanden ist.
Wenn sich die Kugel von der Position in 6 in die
Position in 7 dreht, ändert sich die Form dieses
Raums. In diesem Raum kann ein Sperrmaterial 400 bereitgestellt
werden, und wird dazu dienen, die in 6 und 7 gezeigte
Drehung zu verhindern, wenn verursacht wird, dass es zu einer beliebigen
bestimmten Zeit fest ist. Wenn jedoch verursacht wird, dass das
Sperrmaterial fluid ist, wird die Drehung erneut möglich sein.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Sperrmaterials ist ein thermoplastisches Polymer. Ein derartiges
Material kann so eingerichtet werden, dass es bei Raumtemperatur „weich" und daher praktisch
fluid, aber bei einer niedrigeren Temperatur „erstarrt und daher praktisch
fest ist. Die Gelenke können
dann durch einfaches Verringern ihrer Temperatur gesperrt werden.
Alternativ kann das thermoplastische Polymer so eingerichtet werden,
dass es bei Raumtemperatur praktisch fest, aber bei einer höheren Temperatur
praktisch fluid ist, in welchem Fall die Gelenke durch Erhöhen der
Temperatur (d. h., Erhitzen der Gelenke oder des gesamten Aufbaus)
entsperrt werden können.
Es ist nicht nötig,
dass das thermoplastische Polymer eine Phasenänderung im strengen Sinn des
Wortes erfährt – was nötig ist,
ist, dass die Viskosität
des Sperrmaterials bis zu einem ausreichenden Grad verändert wird,
dass die Bewegung im „entsperrten" Zustand leicht möglich ist
und im „gesperrten" Zustand leicht unmöglich ist.
Daher ist es die relative Viskosität zwischen dem gesperrten und
dem entsperrten Zustand, die bedeutender ist, ob nun eine Phasenänderung
stattgefunden hat, oder nicht.
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Als
eine Alternative, oder zusätzlich
zu einem „Pfropfen" aus einem Sperrmaterial
zwischen dem Boden der Kugelhülse
und dem Ende der Kugel kann ein Sperrmaterial 400 als eine
dünne Beschichtung
um die Kugel und im Inneren der Kugelhülse aufgebracht werden. Um
die nötige
Sperrfunktion bereitzustellen, können
um die Kugel 108 Rillen 402 angeordnet werden
und um die Kugelhülse 110 Rillen 404 angeordnet
werden, wie in 21 gezeigt ist, um eine Bewegung
des Gelenks zu hemmen oder zu verhindern, sobald das Sperrmaterial
nicht länger ausreichend
fluid ist. Die Rillen sind so angeordnet, dass sie mit einer Ebene
senkrecht zur neutralen Achse des Gelenks ausgerichtet sind.
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Zusätzliche
oder alternative Rillen können
jedoch mit Ebenen parallel zur neutralen Achse ausgerichtet sein,
um eine Bewegung des Gelenks um die neutrale Achse zu hemmen oder
zu verhindern. Die Form der Rillen ist nicht besonders wichtig. 21 zeigt
Rillen mit rundem Profil an der Oberseite und Rillen mit dreieckigem
Profil an der Unterseite. Natürlich
werden die Rillen in einer praktischen Ausführungsform um die Kugel und
die Kugelhülse
herum das gleiche Profil aufweisen. Jedes beliebige topographische
Merkmal kann verwendet werden, um die Sperrfunktion zu erzielen,
und Rillen sollen nicht als beschränkend betrachtet werden. Zum
Beispiel können
Zapfen, Vertiefungen, Borsten und Oberflächenrauheiten verwendet werden.
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Unter
Bezugnahme auf 6 kann in der Kugelhülse eine
Zapfenform, die eine zylinderförmige
Vertiefung umfasst, parallel zur neutralen Achse 150 gebildet
werden. Diese Zapfenform kann entweder in der in 6 gezeigten
Kugelhülse
mit einem flachen Ende oder in einer innen kugelförmigen Kugelhülse verwendet
werden. Diese Zapfenaussparung ist mit dem Sperrmaterial 400 gefüllt und
wird dazu dienen, die Verhinderung der Drehung um alle anderen Achsen
als die neutrale Achse 150 zu verstärken. Um eine Drehung um die
neutrale Achse zu verhindern, können
Rillen, die mit Ebenen parallel zu dieser Achse ausgerichtet sind,
um die Kugel angeordnet werden, wie oben beschrieben ist. Die Zapfenvertiefung
kann sich alternativ anstelle in der Kugelhülse in der Kugel befinden und
muss nicht mit der neutralen Achse ausgerichtet sein. Zum Beispiel kann
sie versetzt oder mit irgendeiner anderen Achse ausgerichtet sein.
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Das
Material, das entweder die Kugel oder die Kugelhülse definiert, könnte das
Sperrmaterial 400 sein. Zum Beispiel könnte die gesamte Kugel 108 aus
einem thermoplastischen Material hergestellt sein, dass bei hohen
Temperaturen fluid wird. In diesem Zustand kann sich der Aufbau
bewegen, und die Form der Kugel/Kugelhülse kann so eingerichtet werden,
dass eine Bewegung nicht möglich
ist, sobald die Temperatur verringert ist.
-
Dieses
Sperrkonzept kann auch auf andere Gelenke wie etwa Drehzapfengelenke
angewendet werden. Wie bei den Kontaktflächen des obigen Kugel/Kugelhülsen-Gelenks
können
die Kontaktflächen des
Drehzapfens oder eines anderen Gelenks zylinderförmige oder vielflächige Rillen
aufweisen, die darin vertieft sind. Alternativ oder zusätzlich können flache
Abschnitte beinhaltet sein, so dass das Sperrmaterial fähig sein
muss, seine Form zu verändern,
bevor eine relative Bewegung stattfinden kann.
-
Alle,
einige, oder nur eines der Gelenke in einem Aufbau können durch
selektives Zuführen
der Energie zu allen, einigen, bzw. nur einem der Gelenke gesperrt
oder entsperrt werden. Es wird gewöhnlich eine einfache Angelegenheit
sein, Energie zur gleichen Zeit zu allen Gelenken eines Aufbaus
zuzuführen,
was das Entsperren/Sperren sehr schnell und einfach macht.
-
Das
obige Beispiel schlägt
die Verwendung von Hitze vor, um das Sperrmaterial zu erhitzen und fluid
zu machen. Diese Hitze kann durch jedes beliebige bekannte Mittel
einschließlich
Heißwasserbädern, Heißluftpistolen
und Öfen
bereitgestellt werden. Ferner kann die Hitze durch die Einwirkung
von Mikrowellen bereitgestellt werden, und diese Option ist für Fälle, in
denen es nicht erwünscht
oder nötig ist,
den tatsächliche
Aufbau der biegsamen Matrix zu erhitzen, besonders attraktiv. Das
Sperrmaterial kann aus einem mikrowellenempfindlichen Material hergestellt
werden (zum Beispiel durch Dotieren eines thermoplastischen Polymers
mit Kohlenstoff), so dass das Sperrmaterial gegenüber einer
Erhitzung viel empfindlicher als der umgebende Aufbau ist, wenn eine
Beaufschlagung mit Mikrowellen erfolgt.
-
Einige
alternative Sperrmechanismen sind in 22 bis 27 schematisch
gezeigt. Obwohl diese Figuren Kugel/Kugelhülsen-Gelenke zeigen, soll bitte
beachtet werden, dass der Sperrmechanismus auf jede beliebige Art
von Verbindung zwischen Modulen angewendet werden kann. Ferner können die Konzepte
auf einzelne Gelenke oder mehrere Gelenke (z. B. wie gezeigt zwei
Gelenke) angewendet werden.
-
22 zeigt
ein Beispiel einer thermomechanisch induzierten Formveränderung.
In diesem Beispiel ist die Kugel 108 aus einem Material
mit einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten
hergestellt, weist das Sperrmaterial 400 einen hohen Wärmedehnungskoeffizienten
auf, und weist die Kugelhülse 110 einen
mittleren Wärmedehnungskoeffizienten
auf. Wenn eine Beaufschlagung mit Hitze erfolgt, wird sich das Sperrmaterial
am meisten ausdehnen, wird sich die Kugel am geringsten ausdehnen,
und wird sich die Kugelhülse
um ein Ausmaß zwischen
diesen beiden ausdehnen. Daher wird als Ergebnis dieser Ausdehnung
eine Kraft zwischen der Kugel und der Kugelhülse geschaffen werden, die dazu
neigt, die Reibung sowohl zwischen dem Sperrmaterial und der Kugelhülse als
auch zwischen dem Sperrmaterial und der Kugel zu erhöhen. Dies
wiederum dient dazu, eine praktische Drehung der Kugel in der Kugelhülse zu verhindern.
Wie in 22 gezeigt kann die nötige Hitze
durch ein Element bereitgestellt werden, das durch das Sperrmaterial
läuft und
durch einen Draht durch den gesamten Aufbau bestromt wird.
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23 zeigt
ein Beispiel einer elektromechanisch induzierten Formveränderung.
In diesem Fall wird ein piezoelektrisches oder anderes elektroreaktives
Materials als Sperrmaterial 400 verwendet. Im entspannten
Zustand weisen sowohl die Kugel 108 als auch das Sperrmaterial
ineinandergreifende Rillen oder Riffelungen auf, so dass eine relative
Drehung verhindert wird. Bei der Bereitstellung eines elektrischen
Stroms kann das piezoelektrische Sperrmaterial dazu gebracht werden,
sich auf eine solche Weise zu bewegen, dass die Rillen oder Riffelungen
gelöst
werden und es für
die Kugel 108 möglich
wird, sich in der Kugelhülse 110 zu
bewegen.
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24 zeigt
die Verwendung eines elektro- oder magneto-rheologischen Fluids 420 in
der Kugelhülse 110,
das ein Paddel an einem Stab festklemmen kann und seine Bewegung
durch ein Fluid im Modul hemmen oder verhindern kann. Wie in 24 ersichtlich
ist jede der Kugeln 108 mit zumindest einem (zwei in 24)
Paddel 410 versehen. Wenn sich das elektro-rheologische
Fluid 420 in seinem fluiden Zustand befindet (der gewöhnlich sein
Ruhezustand ist), können
sich die Kugeln drehen, da sich die Paddel 410 (wenn auch
mit einem praktisch unbedeutenden Widerstand) durch das Fluid 420 bewegen
können.
Wenn ein elektrischer Strom an das elektro-rheologische Fluid 420 angelegt
wird, „erstarrt" es gewissermaßen, und
ist es den Paddeln 410 nicht länger praktisch möglich, sich
zu bewegen, wodurch die Kugeln 108 an ihrer Stelle festgeklemmt werden
und der Aufbau gesperrt wird.
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25 zeigt
ein Beispiel einer chemisch-mechanischen Sperrung. In diesem Fall
wird zwischen der Kugel 108 und der Kugelhülse 110 ein klebendes
vernetzendes Sperrmaterial 402 verwendet. Das Sperrmaterial
weist vorzugsweise umkehrbare klebende Bindungen auf und kann wie
in 25 gezeigt in Verbindung mit einem piezoelektrischen Material 404 verwendet
werden. Das piezoelektrische Material 404 kann dazu eingerichtet
sein, mit einer Frequenz zu schwingen, die ausreicht, um die Moleküle des Klebstoffs 402 anzuregen
und dadurch ihre Temperatur zu erhöhen und ein Härten des
Klebstoffs 402 zu verursachen. Die Wirkung kann abhängig von
den verwendeten Materialien zeitweilig oder dauerhaft sein.
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26 zeigt
ein Beispiel einer pneumatisch-mechanischen Sperrung. Wie in 26 gezeigt besteht
die Kugel 108 aus einem porösen Material, das einen ziemlich
hohen Widerstand gegenüber
einem Fluidfluss aufweist. Die Beaufschlagung der Kugel 108 mit
Druckluft wird daher dazu dienen, die Kugel auszudehnen, wodurch
ein reibender Sitz der Kugel 108 in der Kugelhülse 110 geschaffen
wird. Dieser neigt dazu, die Kugel an ihrer Stelle zu sperren. Die
Luft kann aus der Kugel abgesaugt werden, oder ihr Auslaufen gestattet
werden, um die Kugel zusammenzuziehen und erneut eine Bewegung zu
gestatten. Alternativ kann die Kugel mit einer Presspassung in der
Kugelhülse
hergestellt werden und Luft abgesaugt werden, um eine Bewegung zu
gestatten.
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27 zeigt
ein Beispiel einer hydraulisch-mechanischen Sperrung. In diesem
Fall ist das Kugelhülsenmaterial 110 porös hergestellt
und wird verursacht, dass es sich durch die Bereitstellung einer
druckbeaufschlagten Flüssigkeit
ausdehnt. Wie in 27 gezeigt dient eine derartige
Ausdehnung dazu, die Kugelhülse 110 gegen
die Kugel 108 zu klemmen, um eine Bewegung zu sperren.
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Eine
Alternative zur Ausführungsform
von 24 ist, in der Kugelhülse 110 ein thixotropes
oder rheopexes Fluid zu verwenden. Wenn ein thixotropes Fluid verwendet
wird, wird das Fluid unter einer geringen Scherbeanspruchung viskoser
(gesperrt) sein, und unter einer höheren Scherbeanspruchung weniger
viskos (entsperrt) sein. Dadurch wird der Aufbau als gesperrt erscheinen,
wenn darauf geringe Kräfte ausgeübt werden,
aber unter hohen Kräften
als entsperrt erscheinen. Dies ist für Aufbauten nützlich,
die dazu gestaltet sind, unter bestimmten Kräften zu brechen.
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Ein
rheopexes Fluid führt
die entgegengesetzte Funktion durch, indem es unter einer hohen Scherbeanspruchung
viskoser (gesperrt) sein wird, und unter einer geringen Scherbeanspruchung
weniger viskos (entsperrt) sein wird. Dies stellt einen besonders
vielversprechenden stoßfesten
Aufbau bereit, da der Aufbau gegenüber hohen Kräften beständiger ist,
als gegenüber
niedrigen Kräften.
Daher kann ein Aufbau bereitgestellt werden, der unter normaler
Verwendung biegsam ist, aber sich bei einem Stoß versteift.
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Für alle Ausführungsformen
der Sperrung kann je nach den Umständen Umkehrbarkeit bereitgestellt
sein, oder nicht. Für
einige Anwendungen kann es lediglich nötig sein, den Aufbau ein Mal
zu sperren oder zu entsperren, und in diesem Fall ist die Umkehrbarkeit
der Sperrung keine Vorbedingung. Doch viele der obigen Ausführungsformen
gestatten, dass umkehrbare Aufbauten bereitgestellt werden, wodurch
der Aufbau wiederverwendbar gemacht wird. Umkehrbarkeit wird bereitgestellt,
indem dafür gesorgt
wird, dass das Sperrmaterial fähig
ist, sich mehrere Male zwischen den Zustanden (fest/fluid, ausgedehnt/zusammengepresst,
klebrig/nicht klebrig usw.) hin und her zu verändern.
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Eine
Kombination von umkehrbaren und nicht umkehrbaren Sperrmechanismen
kann im gleichen Aufbau verwendet werden. Somit kann ein UV-härtbarer
Klebstoff zusammen mit einem der umkehrbaren Sperrmaterialien (z.
B. einem thermoplastischen Polymer) auf die Grenzfläche zwischen
der Kugel und der Kugelhülse
aufgebracht werden. Der sich ergebende Aufbau kann erhitzt werden,
um das thermoplastische Sperrmaterial zu verflüssigen und die Gelenke beweglich
zu machen, so dass der Aufbau in Position geformt werden kann. Der
Aufbau kann dann etwas abgekühlt
werden, um den Aufbau im Wesentlichen fest zu machen, aber nach
wie vor eine gewisse Bewegung zu gestatten, wenn auch mit einem
Reibungswiderstand. Dann kann schließlich, um den Aufbau an seine
Stelle zu sperren, sobald Feinänderungen
vorgenommen wurden, ein UV-Licht eingeschaltet werden, um den Klebstoff
zu härten und
den Aufbau dauerhaft zu sperren. Dies weist den Vorteil auf, dass
weitere Erhöhungen
der Temperatur den Aufbau nicht wieder biegsam machen. Die Module
können
durchsichtig hergestellt werden, um zu gestatten, dass das UV-Licht
den härtbaren
Klebstoff erreicht.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
macht die Aktivierung des aktiven Materials im Gelenk das Gelenk
für einen
gegebenen Zeitraum biegsam, bis die Aktivierungsenergie verbraucht
ist. Zum Beispiel kann eine Erhitzung des aktiven Materials gestatten,
dass sich das Gelenk für
ein begrenztes Zeitausmaß bewegt,
bis das Gelenk abkühlt.
Das aktive Material kann, anstelle eine Bewegung zu erlauben oder
zu verhindern, zusätzlich
oder alternativ vielmehr verwendet werden, um eine Binde- oder Entbindefunktion
bereitzustellen. Derartige Gelenke können so gestaltet werden, dass
sie ein aktives Material aufweisen, das bei einer Aktivierung Binde- oder
Entbindeeigenschaften aufweist. Zum Beispiel kann ein Gelenk gestaltet
werden, dass zwei oder mehr Materialien aneinander bindet, und das
die beiden Materialien bei der Zuführung von Energie entbindet.
Das Umgekehrte ist ebenfalls möglich,
wobei das aktive Material die beiden Materialien nicht aneinander
bindet, bis Energie zugeführt
wird, an welchem Punkt eine Bindung geschaffen wird. Wie bei allen
Ausführungsformen
der Erfindung ist dies auf mehr als lediglich Kugel/Kugelhülsen-Gelenke anwendbar
und kann das aktive Material, zum Beispiel, als Füllung in
einem sandwichartigen Aufbau verwendet werden, die zwei flache Materialien
aneinander bindet. Druck kann verwendet werden, um das Material
so zu aktivieren, dass eine Bindung zwischen den beiden Schichten
geschaffen wird, wenn Druck ausgeübt wird.
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Jeder
der Sperrmechanismen kann auf jeden beliebigen der hierin beschriebenen
beweglichen Aufbauten angewendet werden. Die Sperrmechanismen können auch
auf Aufbauten des Stands der Technik, einschließlich biegsamer Platten, angewendet
werden.
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28 zeigt
eine besonders vielversprechende Anwendung der vorliegenden Technologie – eine Wirbelsäulenbandage.
Diese Bandagen bieten eine Stütze
für Wirbelsäulen, die verformt
sind, und stehen gewöhnlich
für ein
bis zwei Jahre im Einsatz. Sie erfahren veränderliche und häufig zyklische
Belastungen. Derartige Bandagen wurden herkömmlich aus einem festen Stück eines
Polyethylenmaterials hoher Dichte hergestellt, das auf 160°C erhitzt
wird, um es biegsam zu machen, und um ein Modell geformt wird, während es
sich in dieser biegsamen Position befindet. Dies weist den Nachteil
auf, dass eine Form des Körpers
des Patienten genommen werden muss, um das Modell zu schaffen, bevor
die Bandage angelegt werden kann. Dies macht den Prozess des Anlegens
der Bandage langsam und teuer.
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In 28 ist
der biegsame Plattenaufbau im Inneren von zwei „Häuten" aus einem biegsamen Material gezeigt.
Der geschnittene Teil in der Figur zeigt einen Teil der Oberhaut
weggeschnitten, wodurch das Plattenaufbauskelett und die innere
Haut dahinter gezeigt werden. Die Haut gestattet, dass die Bandage
an empfindlichen Körperteilen
verwendet werden kann, ohne Unbehagen oder Reizungen zu verursachen.
Als Alternative zur Verwendung von Häuten kann ein Gel, ein Schaum
oder ein anderes Fluid über
den biegsamen Aufbau gegossen werden, um ihn einzukapseln, sobald
der biegsame Aufbau in seiner Position gesperrt wurde. Es kann ein
Polyurethan- oder ein Polypropylenschaum verwendet werden. Wenn
dem Fluid gestattet wird, hart auszuhärten, stellt dies dem Aufbau
weitere Starrheit bereit, um ihn zu einer dauerhaften Wirbelsäulenbandage zu
machen. Alternativ kann das Gel dazu eingerichtet sein, zu härten, aber
nach wie vor biegsam zu bleiben. In diesem Fall kann eine Wirbelsäulenbandage mit
einer fortlaufenden Oberfläche
bereitgestellt werden, die aber nach wie vor durch Entsperren der
Module auf eine der oben beschriebenen Weisen reguliert werden kann.
Die Beschichtungen und Überzüge können mit
jedem beliebigen der hierin offenbarten Aufbauten und für jede beliebige
Anwendung (nicht nur Wirbelsäulenbandagen)
verwendet werden.
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Die
Verwendung der vorliegenden Erfindung in einer Wirbelsäulenbandage
ist aus einer Anzahl von Gründen
einschließlich
der drei nachstehend ausführlich
besprochenen vorteilhaft.
- 1. Die hohe Anpassungsfähigkeit
des biegsamen Plattenaufbaus bei niedrigen Temperaturen bedeutet,
dass eine anfänglich
flache Platte ohne die Notwendigkeit, Formen und Modelle herzustellen,
und ohne die Notwendigkeit, jegliche Module zu entfernen oder neue
Module hinzuzufügen,
direkt um den Körper
eines Patienten angepasst werden kann. Dies bedeutet, dass durch den
Arzt ein Vorrat an flachen rechteckigen Platten unterhalten werden
kann und jede beliebige davon an jedem beliebigen Patienten verwendet werden
kann. Sobald die Platte in ihre Position angepasst wurde, kann sie
einfach und schnell gesperrt werden, ohne dass eine anstrengende Sperrtätigkeit
der einzelnen Module erduldet werden muss. Zum Beispiel kann eine
flache Platte mit einer Heißluftpistole
bestrahlt werden, um sie biegsam zu machen, kann sie um den Körper des Patienten
geformt werden, während
sie sich nach wie vor im biegsamen Modus befindet, und kann ihr
eine natürliche
Abkühlung
gestattet werden, damit sie starr wird und eine Wirbelsäulenstützfunktion
durchführt.
Dies alles kann mit einer anfänglich
flachen Standardplatte in einem sehr kurzen Zeitraum und ohne anstrengende
und mühsame
Festzieh- oder Lockerungsschritte durchgeführt werden.
- 2. Die sich ergebende Bandage wird viele Jahre lang halten,
und falls jegliche Regulierungen benötigt werden (wie es bei Bandagen
für Kinder
der Fall sein wird), können
diese schnell und leicht vorgenommen werden. Ferner ist das Bandagenmaterial
sauber und sicher und bietet es keine Gesundheitsgefährdung für den Patienten.
Die Bandage ist auch ausreichend starr, um die erforderlichen Lasten
zu tragen, und wird in ihrer Form verbleiben, sobald sie gesperrt
ist.
- 3. Um die Bequemlichkeit zu erhöhen, kann der biegsame Aufbau
ausgepolstert, abgedeckt oder gepolstert werden, damit der biegsame
Aufbau als ein bequemes Endoskelett wirkt.
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Im
Allgemeinen kann jeder der in dieser Anmeldung beschriebenen biegsamen
Aufbauten so abgewandelt werden, dass er über seine gesamte Fläche oder
einen Teil davon eine fortlaufende Oberfläche aufweist. Dies kann durch
Einkapseln des „Skelett"aufbaus mit einer
oder zwei Häuten,
die über das
Skelett gelegt und daran geklebt sind, oder durch Einbetten des
Skeletts in irgendeine Art von Fluid, dem dann gestattet wird, fest
zu werden, erreicht werden. Dieses Fluid kann die Form eines Schaums oder
eines Gels annehmen. Es können
Kombinationen dieser beiden Verfahren verwendet werden, wobei die
Lücken
zwischen den Modulen mit einem Schaum oder einem Gel gefüllt werden
und der sich ergebende Aufbau mit einer Haut überzogen wird. Wo keine Häute verwendet
werden, kann die Oberfläche
durch Schleifen oder dergleichen geglättet werden, um eine glatte
fortlaufende Oberfläche
bereitzustellen. Das genaue Verfahren, das verwendet wird, wird
von seiner Eignung für
die beabsichtigte Anwendung abhängen.
Es ist gedacht, dass diese Verfahren besonders für Verwendungen als stoßabsorbierende
Polsterung oder aerodynamische winddichte oder hydrodynamische wasserdichte
Formen (z. B. Flügel
oder Bootsrümpfe)
anwendbar sind.
-
Der
Aufbau der vorliegenden Erfindung kann in anderen Anwendungen, zum
Beispiel zur Handhabung empfindlicher Gegenstände oder für schnelle Maßformprozesse,
verwendet werden. Der Aufbau kann vergrößert oder verkleinert werden
und für
zusammenlegbare und wiederverwendbare Schutzunterkünfte verwendet
werden.
-
Andere
mögliche
Anwendungen (die nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung
betrachtet werden) beinhalten:
-
Luftfahrt und Verteidigung
-
- Raumanzüge;
Schutzanzüge;
kugelsichere Westen und Schutz; Reparatursätze; gefüllte Aufbauten; medizinische
Unfallopferversorgung; Flugzeugflügelbehälter für Kraftstoff; innere und äußere Flügel und Bugkonusse;
Kraftstofftanks; Tragflächen;
Fallschirme, Ultraleichtflugzeuge, Hängegleiter.
-
Maritim
-
- Taucheranzüge;
Boote, Kanus, Paddel; Netze zum Fangen von Fischen oder Unterseebooten;
starre Segel.
-
Bau und Architektur
-
- Notfallbauten; Zelte, Flüchtlings-,
Katastrophenhilfeunterkünfte;
akustische Aufbauten für
Hörsäle; Modelliermaterialien;
Bodenstabilisierung; Landschaftsarchitektur, Spaliere, Einzäunungen,
Teichauskleidungen; schmückende
und gebogene Aufbauten; Möbel
und Sitze; wiederverwendbare und zusammenlegbare Aufbauten; Wellenkraft-Elektrizitätserzeugung;
Baugerüste;
Tunnelverstärkung; Selbstbau-Basen
für gebogene
Aufbauten; Form-, Modellier- und Befestigungsmaterialien; Skulpturen; Kuppelgebäude; Rohrbau
und -reparatur; Ausstellungsstände;
Geschäftsdisplays;
Aufbauten an komplizierten Stellen; Ummantelungen und kleine Rohre für Bewässerungs-,
Heiz- oder Kühlzwecke;
künstlerische
und architektonische Basen für
Skulpturen.
-
Kraftfahrzeugsektor
-
- Fahrzeuggestaltung und -modellierung; Planen- und Festverdeck-Kabrioletts;
maßgeschneiderte
Sitze; anprallabsorbie rende Aufbauten einschließlich Airbagersetzungen; leicht
wiederzuverwertende Kraftfahrzeugbestandteile; Schnapp/Entschnapp-Technologien;
Lastwagen – Alternativen
zu Frachtnetzen; Unfallversuchspuppen; Winterreifen.
-
Bekleidung und Zubehör
-
- Körperschutz;
Hüte und
Helme; Fußbekleidung;
Discobekleidung; Schmuck – Halsketten
und Armbänder;
Modezubehör;
Einlagematerialien; Jacken, die über
eine Mikroverrohrung beheizt/gekühlt
werden; Schaufensterpuppen und Geschäftsdisplays; Damenunterwäsche – Korsetts,
Büstenhalter,
Turnüre.
-
Spielwaren und Kuriositäten
-
- Action-Figuren und Puppen; allgemeine Modelliermaterialien;
Bauspielzeuge in ihrer Grundform; Stressabbaumittel; 3D-Puzzles.
-
Sport und Freizeit
-
- Leichte, starre Aufbauten; Windsurfer, Skateboards, Snowboards,
Schi, Schischuhe, Schlitten; Sportkörperschutz; Cricket-Unterleibsschutz,
Fechten, Baseballhandschuhe, Polster und Polsterungen, Boxer-, Motorrad-,
Sturzhelm-, Eishockeyschutz; Zelte, Unterkünfte und Überlebensausrüstung für Kletterer und
Wanderer, Aufbauten von Koffern und Reisetaschen, Ledersättel-Aufbauten.
-
Medizinisch
-
- Orthesen; Stärkung
geschwächter
Glieder; Halsbandagen; Handgelenksstützen; Gipsabdrücke; Erste Hilfe
(chemische oder Epoxidfixierung); Tragbahren; Fixierungen/Schienen
zur Bewegung von Körpern
im Zustand der Auffindung; Modellierung von Gliedern, Schuheinlegsohlen;
Reisfeld-Bettschuhe; Wiederherstellungschirurgie auf Mikroebene;
Sperren von Körpergelenken,
Begrenzen der Gelenksbiegsamkeit, Fixieren des Bereichs und der
Richtung der Bewegung; Medizinische Messungen – Herzfrequenz, Atmung; Operationstische/Patientenpositionierung; Arzneiabgabe.
-
Elektronik und Telekommunikation
-
- Träger
für gebogene/geformte
dünne-LCD-Anzeigen;
3D-förmige Übertragungssensoren;
Plattformen für
tragbare Elektronik einschließlich
Mobiltelefonen; GSM-Computer; geformte Freisprech-Telefone; zusammenlegbare
Satellitenschüsseln;
Telekommunikationsmasten, provisorisch, zusammenlegbar, vorgefertigt;
Faraday-Käfige
und allgemeine elektromagnetische Störbeeinflussungs/Hochfrequenzstörungs-Abschirmungen,
Telefonzellen und akustische Hauben/Schutzräume.
-
Öl
und Gas
-
- Pipeline-Reparatursätze; Ölverseuchungseindämmungen;
strukturelle Abstützungen
beim Tunnelbau.
-
Verpackung
-
- Spezialverpackungen; Verpackungen für empfindliche Gegenstände.