EP4551827A1 - Fügeelement aus formgedächtnisstahl und verfahren zur herstellung einer lösbaren fügeverbindung - Google Patents

Fügeelement aus formgedächtnisstahl und verfahren zur herstellung einer lösbaren fügeverbindung

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Publication number
EP4551827A1
EP4551827A1 EP23739505.8A EP23739505A EP4551827A1 EP 4551827 A1 EP4551827 A1 EP 4551827A1 EP 23739505 A EP23739505 A EP 23739505A EP 4551827 A1 EP4551827 A1 EP 4551827A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
joining
state
joining element
shape memory
connection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23739505.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai Thüsing
Thomas Kropp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4551827A1 publication Critical patent/EP4551827A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B37/00—Nuts or like thread-engaging members
    • F16B37/08—Quickly-detachable or mountable nuts, e.g. consisting of two or more parts; Nuts movable along the bolt after tilting the nut
    • F16B37/0807—Nuts engaged from the end of the bolt, e.g. axially slidable nuts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2/00—Friction-grip releasable fastenings
    • F16B2/02—Clamps, i.e. with gripping action effected by positive means other than the inherent resistance to deformation of the material of the fastening
    • F16B2/06—Clamps, i.e. with gripping action effected by positive means other than the inherent resistance to deformation of the material of the fastening external, i.e. with contracting action
    • F16B2/10—Clamps, i.e. with gripping action effected by positive means other than the inherent resistance to deformation of the material of the fastening external, i.e. with contracting action using pivoting jaws
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B35/00—Screw-bolts; Stay-bolts; Screw-threaded studs; Screws; Set screws
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2200/00—Constructional details of connections not covered for in other groups of this subclass
    • F16B2200/77—Use of a shape-memory material

Definitions

  • 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.
  • Patent document DE 101 09222 shows a joining element for connecting two objects, the joining element partly consisting of a shape memory alloy and having a first shape in the initial state and a second shape that mechanically connects the objects in the final assembly position.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the present invention is based on the object of solving the problems known from the prior art and of providing a joining element that is economical to manufacture and use and can withstand mechanical loads, which is stable in the technically relevant temperature range and enables very easy disassembly.
  • 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 can be deformed into a joining state by deformation to produce a joining connection with a joining partner, starting from a basic state, and can be at least partially deformed back from the joining state into a disassembly state to remove the joining connection by applying heat.
  • 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.
  • 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.
  • 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 e-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.
  • 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.
  • 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.
  • a targeted change in shape of the joining element can be made possible when heated.
  • 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.
  • a firm connection between the female joining element and the male joining partner can be guaranteed.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the female joining partner by the male joining element, a firm connection can be created between the male joining element and the female joining partner be guaranteed.
  • 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.
  • 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.
  • the shape memory steel is in the ground state as austenite and in the joined state as martensite.
  • the martensite of the shape memory steel of the joining element can be returned to the dismantling state by heating.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • the joining element consists at least partially of a shape memory steel and for producing a joining connection with the joining partner
  • 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).
  • step A 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.
  • step C It can prove to be advantageous that a large number of joining connections are canceled together in step C.
  • 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.
  • Fig. 1 is a side view of a first embodiment of a joining element.
  • Fig. 2A is a sectional view in the direction of section AA from Fig. 1 of the first
  • Embodiment of a joining element in a basic state Embodiment of a joining element in a basic state.
  • Fig. 2B is a sectional view in the direction of section AA from Fig. 1 of the first
  • Embodiment of the joining element in a joining state Embodiment of the joining element in a joining state.
  • Fig. 2C is a sectional view in the direction of section AA from Fig. 1 of the first
  • Embodiment of the joining element in a dismantling state returned by heat input Embodiment of the joining element in a dismantling state returned by heat input.
  • 3A shows a sectional view of a second embodiment of a joining element in a basic state.
  • 3B shows a sectional view of the second embodiment of the joining element in a joining state.
  • 3C shows a sectional view of the second embodiment of the joining element in a disassembly state that has been returned by heat input.
  • Fig. 4A is a top view of a variety of systems in the disassembly process.
  • Fig. 4B is a side view of a variety of systems in the dismantling process in a dismantling basin.
  • Fig. 1 shows a side view of a first embodiment of a joining element 1.
  • the joining element 1 has a flat base plate 1A.
  • Two joining sections 1B extend vertically upwards from the base plate 1A. There is a gap between the joining sections 1B.
  • the joining sections 1B can therefore be formed independently of one another.
  • Fig. 1 shows two joining partners 2A, in the form of round wires 2A, which are arranged on the base plate 1A of the joining element 1 with their faces inclined towards one another.
  • the round wires 2A, 2B extend along the base plate 1A and lie in the longitudinal direction of the base plate 1A in the area of the two joining sections 1B, so that the end faces of the round wires 2A, 2B meet in the area of the gap of the joining sections 1B.
  • the round wires 2A, 2B are shown shortened in the longitudinal direction.
  • the joining element 1 is in the basic state, i.e. the joining element 1 is not mechanically connected to the round wires 2A, 2B.
  • the joining sections 1B preferably consist entirely of shape memory steel.
  • 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 the classic ones Shape memory alloys 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.
  • Fig. 2A shows a sectional view in the direction of section AA from Fig. 1 of the first embodiment of the joining element 1 in a basic state.
  • Fig. 2A shows that the joining element 1 has a U-shaped cross section and the U-shaped cross section forms two joining sections 1B.
  • the U-shaped cross section includes a receptacle for the round wire 2B and forms a female joining element 1, while the round wire 2B represents a male joining partner 2B.
  • FIG. 2B shows a sectional view in the direction of section AA from FIG. 1 of the first embodiment of the joining element 1 in a joining state.
  • the joining element 1 is transformed into a joining state.
  • the austenite of the shape memory steel changes into reversible martensite.
  • the joining sections 1B enclose the round wire 2B in order to clamp the round wire 2B in a force-fitting manner and, if necessary, to lock it in a form-fitting manner in the receptacle.
  • the joining element 1 exerts bending and/or shearing forces on the joining partner 2, 2A, 2B, here the round wire 2B.
  • the round wire 2B is fixed in the joining element 1.
  • the round wire 2A is fixed to the base plate 1A of the joining element 1 by the further joining sections 1B (not shown).
  • the connection process shown in Fig. 2B is called crimping.
  • the joining element can alternatively be transferred from the basic state to the joining state by tapering, squeezing, flanging, crimping or folding.
  • Fig. 2C shows a sectional view in the direction of section AA from Fig. 1 of the first embodiment of the joining element 1 in a dismantling state returned by heat input.
  • the heat input 7 into the joining sections 1B causes the martensite to reshape into the austenite due to the shape memory effect.
  • the joining sections 1B reform at least partially (the deformation compared to the basic state is at best between 2 and 8%).
  • the receptacle of the joining element 1 in the dismantling state is thus expanded compared to the joining state and the round wire 2B arranged therein is released.
  • the joining connection is canceled.
  • the round wire 2A is released by the further joining sections 1B of the joining element 1, which are subjected to the heat input 7 (not shown).
  • the joining element 1 changes from the joining state (martensite) to the dismantling state (austenite) at a temperature in the range of 50 ° C - 300 ° C.
  • FIG. 3A shows a sectional view of a second embodiment of a joining element in a basic state.
  • Fig. 3A shows a joining partner 2 in the form of a locking ring bolt 2, which is guided through a bore of two components 3, 4 to be joined (here sheets 3, 4).
  • the joining element 1 in the form of a locking ring 1 made of shape memory steel is placed on the locking ring bolt 2.
  • the joining element 1 is therefore ring-shaped and designed as a receptacle with an internal opening 1C.
  • the inner diameter of the opening 1C of the locking ring 1 is larger than an outer diameter of the locking ring bolt 2.
  • the locking ring 1 can therefore easily be placed on the locking ring bolt 2, or the male joining partner 2 in the form of the locking ring bolt 2 can be inserted into the female joining element 1.
  • the two sheets 3, 4 to be joined are arranged between a head of the locking ring bolt 2 and the locking ring 1.
  • FIG. 3B shows a sectional view of the second embodiment of the joining element 1 in a joining state.
  • the joining process is similar to that of a conventional locking ring bolt.
  • the element to be deformed here the locking ring 1 made of shape memory steel, is pushed onto the locking ring bolt 2.
  • the composite is then axially prestressed using a setting tool. This grips the locking ring bolt 2 in order to fix it, and then forms the locking ring 1 onto the locking ring bolt 2 by applying a force with a force F.
  • the deformation that occurs leads to the formation of reversible martensite in the locking ring 1.
  • the locking ring bolt 2 can have a tensile part with a predetermined breaking point, which breaks in a defined manner when the maximum forming force is reached and the connection is set.
  • 3C shows a sectional view of the second embodiment of the joining element 1 in a dismantling state returned by heat input 7.
  • the joining element 1 and the associated joining partner 2, 2A, 2B each form a system 5 for producing a detachable joining connection.
  • 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.
  • a releasable joining connection can be formed with different joining partners, as long as the joining partners can be fixed in the joining 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.
  • Step A Providing a joining element 1, which consists at least partially of a shape memory steel.
  • Step B Establishing a joining connection of the joining element 1 with a joining partner 2, 2A, 2B starting from a basic state of the joining element 1 by applying force and deforming 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.
  • FIG. 4A shows a top view of a large number of systems 5 in the dismantling step.
  • the multitude of systems 5 used in the joining state are collectively exposed to a heat input 7 from a heat source 6 in order to reform the joining elements 1 of the systems 5 and to transfer the joining elements 1 from a joining state to a dismantling state.
  • Fig. 4B shows a side view of a variety of systems 5 in the dismantling process in a dismantling container 8 or in a dismantling basin 8.
  • the dismantling container 8 or the dismantling basin 8 are filled with a warm fluid and thus all joining elements 1 are reached by the fluid and transferred to the dismantling state.
  • a disassembly method as shown by way of example in FIGS. 4A and 4B, can thus parallelize the disassembly and therefore make it more economical.
  • 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).
  • 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 applies to all mechanical joining processes in which at least part of the joining element 1 consists of a shape memory steel, transferable. These are in particular rivet connections such as hollow rivets etc. and other crimp connections.

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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.

Description

Fügeelement aus Formgedächtnisstahl und Verfahren zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung
Technisches Gebiet
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.
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 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.
Beschreibung des Stands der Technik
Fügeverfahren mit lösbaren Fügeelementen, welche die Demontage der verfügten Bauelemente erleichtern, sind im Stand der Technik bekannt. Patentdokument DE 101 09222 zeigt ein Fügeelement zum Verbinden zweier Gegenstände, wobei das Fügeelement teilweise aus einer Formgedächtnislegierung besteht und im Ausgangszustand eine erste Form und in der Montageendstellung eine zweite die Gegenstände mechanisch verbindende Form aufweist. Durch Aktivierung der Formgedächtnislegierung durch hinreichende Abkühlung auf die Schalttemperatur kann das Fügeelement wieder in den Ausgangszustand rückverformt werden. Dies erleichtert die Demontage nach abgeschlossener Verwendung des Fügeelements.
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 Martensit- zu-Austenit- und der Austenit-zu-Martensit-Umwandlung. Dieser beträgt wenige Grad Celsius (im ein- bis unteren zweistelligen Kelvin Bereich).
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der T echnik 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.
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.
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.
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.
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 e-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.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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).
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.
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.
Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Fügeelements. Fig. 2A eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus Fig. 1 der ersten
Ausführungsform eines Fügeelements in einem Grundzustand.
Fig. 2B eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus Fig. 1 der ersten
Ausführungsform des Fügeelements in einem Fügezustand.
Fig. 2C eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus Fig. 1 der ersten
Ausführungsform des Fügeelements in einem durch Wärmeeintrag rückgeführten Demontagezustand.
Fig. 3A eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Fügeelements in einem Grundzustand.
Fig. 3B eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Fügeelements in einem Fügezustand.
Fig. 3C eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Fügeelements in einem durch Wärmeeintrag rückgeführten Demontagezustand.
Fig. 4A eine Draufsicht auf eine Vielzahl von Systemen im Demontageverfahren.
Fig. 4B eine Seitenansicht auf eine Vielzahl von Systemen im Demontageverfahren in einem Demontagebecken.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
[Erste Ausführungsform]
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Fügeelements 1. Das Fügeelement 1 weist eine ebene Grundplatte 1A auf. Von der Grundplatte 1A erstrecken sich zwei Fügeabschnitte 1 B senkrecht nach oben. Zwischen den Fügeabschnitten 1 B besteht ein Spalt. Die Fügeabschnitte 1 B sind somit unabhängig voneinander umformbar. Fig. 1 zeigt zwei Fügepartner 2A, in Form von Runddrähten 2A, die einander stirnseitig zugeneigt auf der Grundplatte 1A des Fügeelements 1 angeordnet sind. Die Runddrähte 2A, 2B erstrecken sich entlang der Grundplatte 1A und liegen in Längsrichtung der Grundplatte 1 A jeweils im Bereich der beiden Fügeabschnitte 1 B, so dass sich die Stirnseiten der Runddrähte 2A, 2B im Bereich des Spalts der Fügeabschnitte 1 B treffen. Die Runddrähte 2A, 2B sind in Längsrichtung verkürzt dargestellt. Das Fügeelement 1 liegt im Grundzustand vor, d.h. das Fügeelement 1 ist mechanisch nicht mit den Runddrähten 2A, 2B verbunden. Die Fügeabschnitte 1 B bestehen vorzugsweise vollständig aus Formgedächtnisstahl.
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.
Fig. 2A zeigt eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus Fig. 1 der ersten Ausführungsform des Fügeelements 1 in einem Grundzustand. Fig. 2A zeigt, dass das Fügeelement 1 einen U-förmigen Querschnitt aufweist und der U-förmige Querschnitt jeweils zwei Fügeabschnitte 1 B ausbildet. Der U-förmige Querschnitt umfasst eine Aufnahme für den Runddraht 2B und bildet ein weibliches Fügeelement 1 , während der Runddraht 2B einen männlichen Fügepartner 2B darstellt.
Fig. 2B zeigt eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus Fig. 1 der ersten Ausführungsform des Fügeelements 1 in einem Fügezustand. Durch Krafteinwirkung mit einer Kraft F von außen auf die Fügeabschnitte 1 B wird das Fügeelement 1 in einen Fügezustand umgeformt. Durch die Deformation in den Fügezustand geht das Austenit des Formgedächtnisstahls in reversiblen Martensit über. Im Fügezustand umschließen die Fügeabschnitte 1 B den Runddraht 2B, um den Runddraht 2B kraftschlüssig festzuklemmen und ggf. formschlüssig in der Aufnahme zu verriegeln. Das Fügeelement 1 übt im Fügezustand Biege- und/oder Scherkräfte auf den Fügepartner 2, 2A, 2B, hier den Runddraht 2B aus. Durch Verkleinerung oder Verjüngung der Aufnahme wird der Runddraht 2B im Fügeelement 1 fixiert. Analog dazu wird der Runddraht 2A durch die weiteren Fügeabschnitte 1 B an der Grundplatte 1A des Fügeelements 1 fixiert (nicht dargestellt). Der in Fig. 2B dargestellte Verbindungsvorgang wird als Krimpen bezeichnet. Je nach Ausgestaltung kann das Fügeelement alternativ durch Verjüngen, Quetschen, Bördeln, Kräuseln oder Falten aus dem Grundzustand in den Fügezustand überführt werden.
Fig. 2C zeigt eine Schnittansicht in Richtung des Schnittes A-A aus Fig. 1 der ersten Ausführungsform des Fügeelements 1 in einem durch Wärmeeintrag rückgeführten Demontagezustand. Durch den Wärmeeintrag 7 in die Fügeabschnitte 1 B kommt es durch den Formgedächtniseffekt zur Rückformung des Martensits in den Austenit. Die Fügeabschnitte 1 B reformieren sich wenigstens teilweise (Die Deformation gegenüber dem Grundzustand beträgt bestenfalls zwischen 2 und 8 %). Die Aufnahme des Fügeelements 1 im Demontagezustand ist somit gegenüber dem Fügezustand erweitert und der darin angeordnete Runddraht 2B wird freigegeben. Die Fügeverbindung wird aufgehoben. Analog dazu wird der Runddraht 2A durch die mit dem Wärmeeintrag 7 beaufschlagten weiteren Fügeabschnitte 1 B des Fügeelements 1 freigegeben (nicht dargestellt). Das Fügeelement 1 geht bei einer Temperatur im Bereich von 50°C - 300°C vom Fügezustand (Martensit) in den Demontagezustand (Austenit) über. [Zweite Ausführungsform]
Fig. 3A zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Fügeelements in einem Grundzustand. Fig. 3A zeigt einen Fügepartner 2 in Form eines Schließringbolzens 2, der durch eine Bohrung von zwei zu fügenden Bauelementen 3, 4, (hier Bleche 3, 4) geführt ist. Auf den Schließringbolzen 2 wird das Fügeelement 1 in Form eines Schließrings 1 aus Formgedächtnisstahl aufgesetzt. Das Fügeelement 1 ist demnach ringförmig und mit einer innenliegenden Öffnung 1C als Aufnahme ausgebildet. Der Innendurchmesser der Öffnung 1C des Schließrings 1 ist dabei größer als ein Außendurchmesser des Schließringbolzens 2. Somit ist der Schließring 1 leicht auf den Schließringbolzen 2 aufsetzbar, bzw. der männliche Fügepartner 2 in Form des Schließringbolzen 2 in das weibliche Fügelement 1 einsteckbar. Die zwei zu fügenden Bleche 3, 4 sind zwischen einem Kopf des Schließringbolzens 2 und dem Schließring 1 angeordnet.
Fig. 3B zeigt eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Fügeelements 1 in einem Fügezustand. Der Fügevorgang verläuft analog wie mit einem herkömmlichen Schließringbolzen. Das zu deformierende Element, hier der Schließring 1 aus Formgedächtnisstahl, wird auf den Schließringbolzen 2 aufgeschoben. Anschließend wird der Verbund mittels eines Setzwerkzeuges axial vorgespannt. Dieses greift den Schließringbolzen 2, um diesen zu fixieren, und formt dann durch eine Krafteinwirkung mit einer Kraft F den Schließring 1 auf den Schließringbolzen 2 auf. Die dabei auftretende Deformation führt zur Bildung von reversiblem Martensit im Schließring 1. Der Schließringbolzen 2 kann ein Zugteil mit einer Sollbruchstelle aufweisen, welche definiert bricht, wenn die maximale Umformkraft erreicht und die Verbindung gesetzt ist.
Fig. 3C zeigt eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Fügeelements 1 in einem durch Wärmeeintrag 7 rückgeführten Demontagezustand. Durch die Verwendung des Formgedächtnisstahls und dessen Formgedächtniseffekt kann durch ein Aufheizen auf 200 - 300 °C das Aufformen des Schließrings 1 teilweise rückgängig gemacht werden, sodass sich die Verbindung zwischen dem Schließring 1 und dem Schließbolzen 2 löst. Bei geeigneter Halterung können sich der Schließring 1 und der Schließbolzen 2 mittels Gravitation voneinander trennen, ohne dass weiteres Eingreifen oder Werkzeug notwendig ist.
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.
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.
Fig. 4A zeigt eine Draufsicht auf eine Vielzahl von Systemen 5 im Demontageschritt. Die Vielzahl von verwendeten Systemen 5 im Fügezustand werden gesammelt mit einem Wärmeeintrag 7 aus einer Wärmequelle 6 beaufschlagt, um die Fügeelemente 1 der Systeme 5 zu reformieren und die Fügeelemente 1 von einem Fügezustand in einen Demontagezustand zu überführen.
Fig. 4B zeigt eine Seitenansicht auf eine Vielzahl von Systemen 5 im Demontageverfahren in einem Demontagecontainer 8 bzw. in einem Demontagebecken 8. Der Demontagecontainer 8 bzw. das Demontagebecken 8 sind mit einem warmen Fluid gefüllt und somit werden sämtliche Fügeelemente 1 durch das Fluid erreicht und in den Demontagezustand überführt. Ein Demontageverfahren, wie es beispielhaft in Fig. 4A und 4B gezeigt ist, kann somit die Demontage parallelisieren und demnach wirtschaftlicher machen.
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).
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.
Bezugszeichenliste
1 Fügeelement
1A Grundplatte
1 B Fügeabschnitt
1C Öffnung
2, 2A, 2B Fügepartner
3 Bauelement, Runddraht, Blech
4 Bauelement, Runddraht, Blech
5 System
6 Wärmequelle
7 Wärmeeintrag
8 Demontagebecken, Demontagecontainer

Claims

PATENTANSPRÜCHE 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 Deformation in einen Fügezustand verformbar ist sowie zur Aufhebung der Fügeverbindung durch Wärmeeintrag wenigstens teilweise aus dem Fügezustand in einen Demontagezustand rückverformbar ist. Fügeelement (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgedächtnisstahl eine Formgedächtnislegierung auf Eisenbasis ist, vorzugsweise eine Fe-Mn-Si Legierung oder eine Fe-Ni-C Legierung. Fügeelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) wenigstens einen vollständig aus Formgedächtnisstahl gefertigten Fügeabschnitt (1 B) aufweist, vorzugsweise vollständig aus Formgedächtnisstahl besteht. Fügeelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) als weibliches Fügeelement (1) ausgebildet ist und eine Aufnahme aufweist, in welcher ein männlicher Fügepartner (2, 2A, 2B) im Grundzustand einführbar und im Fügezustand kraftschlüssig und/oder formschlüssig festgelegt ist, insbesondere durch Verkleinerung oder Verjüngung der Aufnahme, wobei die Aufnahme im Demontagezustand gegenüber dem Fügezustand erweitert ist, um den darin angeordneten Fügepartner (2, 2A, 2B) freizugeben. Fügeelement (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) ringförmig ausgebildet ist und als Aufnahme eine Öffnung (1C) aufweist, in welche ein männlicher Fügepartner (2) im Grundzustand einsteckbar ist und im Fügezustand festgelegt ist und im Demontagezustand herausziehbar ist. Fügeelement (1) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) als Schließring, Hohlniet oder Krimpschuh ausgebildet ist. Fügeelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) als männliches Fügeelement (1), vorzugsweise als Zylinder- oder quaderförmig mit einem Querschnitt ausgebildet ist und in einen weiblichen Fügepartner (2, 2A, 2B), 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 (2, 2A, 2B) freizugeben. Fügeelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgedächtnisstahl im Grundzustand als Austenit vorliegt und im Fügezustand als Martensit vorliegt. Fügeelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) durch Engen, Weiten, Längen, Stauchen, Quetschen, Bördeln, Kräuseln, Einspreizen, Verpressen oder Falten aus dem Grundzustand in den Fügezustand überführbar ist. Fügeelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) bei einer Temperatur im Bereich von 50°C - 300°C, vorzugsweise über 100°C vom Fügezustand in den Demontagezustand übergeht. Fügeelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) im Fügezustand Biege- und/oder Scherkräfte und/oder Normalkräfte auf einen Fügepartner (2, 2A, 2B) ausübt. System (5) zur Herstellung einer lösbaren Fügeverbindung, umfassend ein Fügeelement (1), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, und einen Fügepartner (2, 2A, 2B), wobei das Fügeelement (1) zumindest teilweise aus einem Formgedächtnisstahl besteht und zur Herstellung einer Fügeverbindung mit dem 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. Verfahren zum Herstellen und Lösen einer Fügeverbindung, umfassend die Schritte: a. Schritt A: Bereitstellen eines Fügeelements (1), das zumindest teilweise aus einem Formgedächtnisstahl besteht, insbesondere eines Fügeelements (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche. b. 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 einen Fügezustand. c. Schritt C: Aufhebung der Fügeverbindung durch wenigstens teilweise Rückverformung des Fügeelements (1) aus dem Fügezustand in einen Demontagezustand durch Wärmeeintrag. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A eine Vielzahl einzelner Fügeverbindungen mit einer Vielzahl von Fügeelementen (1) einzeln hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt C eine Vielzahl von Fügeverbindungen gemeinsam aufgehoben wird.
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Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1569915A (en) * 1978-04-19 1980-06-25 Delta Materials Research Ltd Fastening devices
GB2210429A (en) * 1987-09-30 1989-06-07 Matsumoto Kokan Co Ltd Lock nut
DE10109222A1 (de) 2001-02-26 2002-09-12 Siemens Ag Montageelement zum Verbinden zweier Gegenstände
JP2003285862A (ja) * 2002-03-28 2003-10-07 Nec Tokin Corp 結束バンド
EP1576297A4 (de) * 2002-11-19 2006-11-22 Telezygology Inc Bolzenanordnung, verfahren und vorrichtung zur entriegelung und computersystem
DE102016219090A1 (de) * 2016-09-30 2018-04-05 Thyssenkrupp Ag Formgedächtnislegierungen aus einem Eisen-Cobalt-Aluminium System
DE102021100295A1 (de) * 2021-01-11 2022-07-14 Vega Grieshaber Kg Sicherung für eine Schraubverbindung

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