KR102388985B1 - 물체의 상호 접합 - Google Patents

Abstract

제1 물체(1)에 제2 물체(2)를 접합시키는 방법은:
- 고체 상태의 열가소성 액화 가능한 재료를 포함하는 제1 물체를 제공하는 단계;
- 언더컷이 형성되어 있는 결합 구조부를 가진 표면부를 포함하여 제1 물체와 양각 끼워맞춤 결합할 수 있는 제2 물체를 제공하는 단계;
- 상기 제2 물체의 내부 결합 구조와 물리적으로 접촉하는 공구(7)에 의해 제2 물체를 제1 물체에 기계적 진동이 상기 공구에 결합되는 동안 압착하는 단계,
- 상기 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부가 액화되고 상기 제2 물체의 결합 구조부로 유입될 때까지 압착 및 상기 공구에 진동을 결합시키는 단계를 계속하는 단계,
- 상기 제1 물체의 열가소성 재료를 재고화되도록 하여 상기 결합 구조부를 상호 침투하는 액화 및 재고화된 유동부에 의해 상기 제1 및 제2 물체 간 양각 끼워맞춤 결합부를 생성시키는 단계를 포함한다.

Description

물체의 상호 접합{BONDING OBJECTS TOGETHER}

본 발명은 기계공학 및 건설, 특히 기계적 구조, 예를 들어 자동차공학, 항공기 제작, 조선, 기계 건설, 장난감 제작 등의 분야에 관한 것이다.

자동차, 항공 및 기타 산업에서는 철골 구조에서 벗어나 알루미늄 또는 마그네슘 금속 시트나 폴리머, 예를 들면 탄소 섬유 보강 폴리머 또는 유리 섬유 보강 폴리머 또는 보강이 없는 폴리머, 예를 들면 폴리에스테르, 폴리카보네이트 등과 같은 경량 재료를 대신 사용하려는 경향이 있다.

새로운 재료는 이들 재료의 부재를 접합, 특히 다소 평평한 물체를 또 다른 물체에 접합시 새로운 과제를 해결해야 한다.

이들 해결과제를 충족하기 위해서 자동차, 항공 및 기타 산업에서는 주로 접착제 접합을 많이 사용하여 시작하였다. 접착제 접합은 가볍고 고강도일 수 있지만, 예를 들면 취성 접착제로 인해 저하되는 접착제 접합이 결합을 완전히 해제하지 않고는 거의 검출할 수 없기 때문에 신뢰성을 장기간 제어할 가능성이 없는 단점이 있다.

FR 1 519 111은 열가소성 본체에 나사 또는 유사한 고정 부재를 체결하는 방법으로서 상기 열가소성 본체에 고주파 진동을 인가하여 열가소성 재료를 위치 이동시키고 상기 고정 부재의 내부 공동에서 흐르게 하는 방법을 교시하고 있다. US 5,271,785, FR 2,112,523, US 3,184,353, US 3,654,688과 GB 1,180,383은 금속 본체를 열가소성 본체에 고정시키는 것으로 상기 본체들을 접촉시키고 상기 열가소성 본체의 열가소성 재료가 액화되고 상기 금속 본체가 본질적으로 열가소성 본체에 완전히 싸이며 상기 열가소성 재료가 금속 본체의 리세스로 흐를 때까지 금속 본체에 기계적 진동을 가하는 것을 교시하고 있다. 이들 모든 방법은 심부의 열가소성 물체에 금속 부품을 고정하는 데만 적합하며 필요한 에너지 입력과 이에 따라 연결할 부품에 대한 영향은 상당하다.

US 2010/0079910은 플라스틱 하우징부와 금속 하우징부를 가진 전자 기기의 제조로서, 상기 플라스틱 하우징부가 초음파 접합부에 의해 금속 하우징부에 부착되어 있는 것을 교시하고 있다. US 2010/0079910에 교시되어 있는 개념의 적용은 제한적이다.

종래기술의 해결방안의 또 다른 개념은 너트와 같은 체결 부재가 압착되는 플랜지형 돌출부를 포함하도록 열가소성 본체를 성형하는 것을 포함한다. 그러나 이 개념은 용도에 따라 정밀하게 정의된 위치를 가질 필요가 있는 플랜지가 구비된 단순한, 예를 들면 시트형 형태를 가질 수 있는 플라스틱 부품을 성형할 때 더 복잡해지는 단점이 있는데, 이는 제조비용을 크게 증가시킨다.

본 발명의 목적은 종래기술의 방법의 결점을 극복하고 특히 폴리머계 재료의 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는데 특히 적합한, 2개의 물체를 상호 접합시키는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법을 실시하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 물체에 제2 물체를 접합하는 방법으로서, 상기 방법은:

- 고체 상태의 열가소성 액화 가능한 재료를 포함하는 제1 물체를 제공하는 단계;

- 언더컷이 형성되어 있는 결합 구조부를 가진 표면부를 포함하고/또는 후술하는 바와 같이 언더컷이 형성되어 있는 이러한 결합 구조부를 포함하도록 변형될 수 있어 제1 물체와 양각 끼워맞춤(positive-fit) 결합할 수 있는 제2 물체를 제공하는 단계;

- 상기 제2 물체의 내부 결합(coupling-in) 구조와 물리적으로 접촉하는 공구에 의해 제2 물체를 제1 물체에 기계적 진동이 상기 공구에 결합되는 동안 압착하는 단계,

- 상기 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부가 액화되고 상기 제2 물체의 결합 구조부로 유입될 때까지 압착 및 상기 공구에 진동을 결합시키는 단계를 계속하는 단계,

- 상기 제1 물체의 열가소성 재료를 재고화되도록 하여 상기 결합 구조부를 상호 침투하는 액화 및 재고화된 유동부에 의해 상기 제1 및 제2 물체 간 양각 끼워맞춤 결합부(양형 끼움 연결부)를 생성시키는 단계를 포함한다.

상기 유동부의 액화는 진동하는 제2 물체 및 제1 물체의 표면 간 마찰에 의해 주로 일어나는데, 상기 마찰은 제1 물체를 표면적으로 가열한다.

따라서 본 발명의 많은 구현예에 따른 방안은 또한 제1 및 제2 물체 간 접촉 구역에서 생성된 유동부가 제2 물체의 기존 공동으로 즉시 유입될 수 있어 공정 중에 발생되는 열에 의해 영향을 받는 상기 구역은 작게, 예를 들어 본질적으로 혼합 구역으로 한정되는 것을 특징으로 한다.

상기 유동부의 유동 거동은 본 발명에 따른 방안으로 인해 비액화성 재료(즉, 제2 물체; 수렴류(convergent flow))의 표면을 향해 재료 유동이 발생되고 상기 표면에는 진동과 마찰에 의해 열이 지속적으로 공급된다는 사실에 의해 영향을 받을 것이다. 이에 따라 일반적으로 열은 거의 흘러나오지 않는다. 따라서 짧은 공정 시간 이후에도 결합 구조부로 열가소성 재료가 매우 깊게 침투하할 수 있어 냉점(cold spot)과 접촉하는 액화 재료의 열손실에 의해 유동이 멈추지 않는다. 이것은 예를 들어 WO 98/42988에 기재되어 있는 "부트벨딩(우드웰딩)(Woodwelding)" 공정과는 대비되는 것으로, 경계 구역으로부터 흘러 나와 저온 상태에 있는 구조부로 열을 운반하는 액화 재료에 의해 분기류(divergent flow)가 존재한다.

상기 제1 및 제2 물체는 용어의 넓은 의미에서 구성 부품(구성 부재), 즉 자동차 공학, 항공기 제작, 조선, 건물 시공, 기계 건설, 장남감 제작 등의 기계공학 및 건설 분야에서 사용되는 부재들이다. 일반적으로 상기 제1 및 제2 물체는 모두 인공 물체이고 적어도 상기 제1 물체는 인공 재료를 포함하되; 상기 제1 및/또는 제2 물체에서는 목질계 재료와 같이 자생(비생체물) 재료의 추가 사용을 배제하는 것은 아니다.

상기 제1 물체 및 제2 물체의 재료는 균질 또는 불균질할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 물체는 열가소성 재료를 가질 수 있고 추가로 다른 비액화성 재료를 포함할 수 있고/또는 조성이 서로 다른 복수 개의 열가소성 재료 층을 가질 수 있다. 유사하게, 상기 제2 물체는 아래에서 더 상세하게 설명되어 있는 바와 같이 서로 다른 재료의 서로 다른 부분들을 포함할 수 있다. 추가로 또는 선택적으로, 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 복수 개의 물체(제1 물체와 적어도 하나의 추가 물체)를 관통하여 복수 개의 물체를 서로 고정시키도록 할 수 있는데, 이 또한 아래에 더 상세하게 설명되어 있다.

상기 내부 결합 구조부는 특히 공구로서 제공되는 별도의 초음파봉(sonotrode)용으로 경우에 따라 안내 구조부(공구의 해당 돌출부에 대한 안내 홀과 같은)이 있는 가장 가까운 단부면에 의해 구성된 내부 결합 면일 수 있다. 이와 다른 구현예에 있어서, 상기 내부 결합 구조부는 제2 물체를 진동 발생 장치에 직접 결합시키는 커플링을 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 진동 발생 장치는 공구로서 제공된다. 이러한 커플링은 예를 들면 나사산 또는 삽입형 커플링(bayonet coupling) 또는 이와 유사한 것일 수 있다. 이에 따라 이들 구현예에 있어서, 제2 물체는 동시에 진동 발생 장치에 결합되어 있는 초음파봉이다.

다른 구현예들에 있어서, 상기 공구는 진동 발생 장치에 체결되어 있는 용접봉이다. 이러한 종류의 초음파봉은 예를 들어 초음파 용접에 알려져 있다.

다른 구현예들에 있어서, 상기 공구는 초음파봉이 압착하고 공정 중에 적용되는 조건에서 액화하지 않는 재료로 이루어진 (제1 물체와 다른) 중간 부품일 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 측면에 따른 방안은 진동이 제1 물체를 통해서만 제2 물체에 결합되는 것을 배제하고; 이보다는 제2 물체와 진동 공구 간 물리적 접촉이 요구된다.

상기 열가소성 재료의 유동부는 공정 중에 그리고 기계적 진동의 효과로 인해 액화되어 흐르게 되는 열가소성 재료의 일부분이다.

제2 물체의 결합 구조부는 액화될 수 없는 재료로 이루어진다. 아래에서 더 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 상기 정의는 재료가 제1 물체의 재료보다 실질적으로 더 높은 온도, 예컨대 적어도 50℃ 만큼 더 높은 온도에서 액화될 수 있는 가능성을 포함한다. 추가로 또는 선택적으로, 상기 조건은 제1 물체의 열가소성 재료가 유동 가능한 온도에서 제2 물체의 재료의 점도가 제1 물체의 열가소성 재료의 점도보다 수 십배수, 예를 들어 적어도 10³ 내지 10⁵배 만큼 높도록 유지될 수 있다. 서로 다른 액화 온도 및/또는 서로 다른 유리전이온도를 가진 서로 다른 액화 기지 재료를 포함하는 것 외에 또는 이와 달리 예를 들어 섬유 충전제의 더 높은 충전도에 의해 달성될 수도 있다.

결합 구조부는 일련의 반경 방향 돌출부와 요입부(리브/홈과 같은), 개방 된 다공성 포말형 구조, 원위측 등을 향해 근말단측에 개방된 개구부를 포함할 수 있는데, 상기 개구부는 적어도 하나의 측면 방향으로 넓어짐으로써 언더컷을 한정한다. 축 방향에 대해 언더컷을 한정하는 모든 구조가 적합하다.

(예를 들어 제2 물체의 일부의 외부 표면 주위 또는 제2 물체의 내부 표면을 따라) 일련의 반경 방향 돌출부와 요입부를 포함하는 결합 구조부에서, 혼합 구역의 깊이(d)는 상기 유동부가 가장 바깥쪽의 돌출부에서 시작하여 침투하는 반경 방향 깊이로 정의될 수 있다. 개방형 다공성 구조를 포함하는 결합 구조부에서, 혼합 구역의 깊이는 열가소성 재료가 개방형 다공성 구조부의 표면에서 시작하여 침투하는 개방형 다공성의 깊이로서 정의될 수 있고, 상기 표면에 수직으로 측정된다. 유사하게, 원위측에 개방된 개구를 포함하는 결합 구조부에서, 혼합 구역의 깊이는 열가소성 재료가 원위단에서 대면하는 표면에서 시작하여 침투하는 깊이로서 정의 될 수 있다.

특히 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체의 기계적 진동 전달부는 금속 및/또는 다른 경질 재료(유리, 세라믹 등) 및/또는 열경화성 플라스틱 및/또는 열가소성 재료로 이루어져 전체 공정 동안 이들의 유리전이온도 미만에 있게 된다.

특정 일군의 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 제1 물체 열가소성 재료의 액화 온도보다 실질적으로 더 높은 액화 온도를 갖는 제2 열가소성 재료를 포함한다. 다음, 상기 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부를 액화시키는 단계 이후에 제2 열가소성 재료의 제2 유동부가 액화되어 제2 물체의 변형을 초래할 때까지 제2 물체로 (초기 세기 이상 또는 경우에 따라 심지어는 더 낮은 강도로) 결합 진동이 계속되는 동안 제2 물체를 지지부 또는 제1 물체의 비액화성부에 압착시킬 수 있다. 특히 상기 추가 공정 단계는 본 명세서에 참고로서 포함되는 WO 2015/117253에 기재되어 있는 바와 같이 추가 리벳 효과에 의해 제1 및 제2 물체를 접합시키기 위한 제2 물체의 풋(foot)부 및/또는 헤드(head)부가 생성될 때까지 실시할 수 있다.

상기 특정 일군의 구현예는 접합 공정 후 제1 물체를 통해 원위측에 도달하는 제2 물체를 포함하지만, 이와 다른 일군의 구현예들에서는 상기 원위측이 온전하게 남아 있는바. 즉 제1 및 제2 물체의 일부를 포함하는 혼합 구역은 원위측에 도달하지 않는다.

구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 고정 축을 따라 연장되어 있는 고정부와 경우에 따라 제2 물체의 외주면 상에 및/또는 제2 물체의 연장부의 내측 표면을 따라 배치되어 있는 구조 부재를 제2 물체에 제공함으로써 구비함으로써 심도 효과적인 방식으로 고정된다.

구현예들에 있어서, 특히 상기 제2 물체가 제1 물체에 침투하는 침투 깊이, 즉 제1 물체에 침투하는 제2 물체의 부분의 축 방향 연장부는 혼합 구역, 즉 접합 공정 후에 제1 및 제2 물체의 일부가 모두 존재하는 구역의 깊이보다 더 크다(예를 들어 실질적으로 더 크다). 다시 말해, 유효 깊이 고정부를 포함하는 이들 구현예에 있어서, 적어도 하나의 측방향 치수에서, 종종 양 측방향 치수 모두에서 제1 물체에 침투하는 제2 물체의 일부의 폭은 제2 물체가 제1 물체로 침투하는 침투 깊이보다 더 작다. 이 경우, 상기 혼합 구역의 깊이를 외주면 상의 구조 부재의 특성 깊이, 즉 고정 축에 수직으로 측정한 깊이로서 정의한다.

일군의 구현예들은 유효 깊이 고정부를 포함하는 것 외에 또는 이와 달리, 서로 측방향으로 이격되고/또는 경우에 따라 연장된, 예를 들어 원주 방향의 홈을 형성하는 복수 개의 구조 부재를 구비한 접합 표면은 제1 물체의 표면부에 이어진다. 예를 들면, 제1 물체가 평면이면 상기 구조 부재는 평면을 따라 연장되어 있다.

구현예, 예를 들어, 유효-깊이 고정부를 포함하는 구현예들은 압착 단계 이전에 제1 물체에 보어를 제공하는 단계를 포함할 수 있고 압착 단계에서 제2 물체의 일부가 상기 보어 내 압착된다. 이 경우, 보어 직경은 바람직하게는 보어 내로 압착되는 부분의 외경보다 작도록 선택된다. 이러한 보어는 막힌 홀 또는 관통 보어일 수 있다. 홈과 같은 다른 요입부에 고정 또한 가능할 수 있다.

또한 열가소성 시트와 같이 제2 물체가 비교적 얇은 구현예들에서는 관통 보어가 유리할 수 있다. 이 경우, 제2 물체를 제1 물체에 접합하는 방법은 예를 들어 또 다른 물체를 체결할 목적으로 관통 보어를 제2 물체로 라이닝(lining)하는 것을 포함하여 도통부(feedthrough)로서 제공하거나 소정의 조건에서만 관통할 수 있는 장벽으로서 제공하거나(격벽 또는 분리 가능한 커버 등을 구비한 제2의 물체인 경우에서와 같이) 다른 목적을 가질 수 있다. 이 특별한 카테고리의 구현예들에 있어서, 상기 제1 물체의 두께는 상호 침투 깊이(혼합 구역의 깊이)의 2-40배 또는 2-20배, 특히 3배 내지 10배에 상응할 수 있다.

또 다른 일군의 구현예들에 따르면, 상기 접합은 비교적 침투 깊이가 작은 “평면 접합” 또는 "다소 평평한 접합" 방식으로 실시된다. 이 구현예군은 제2 물체를 비교적 얇거나 손상에 취약하거나 제2 물체가 온전히 접합되는 것보다 다른 표면을 방치하는데 높은 요건을 갖는 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는데 특히 적합할 수 있다.

상기 구현예군에 있어서, 제2 물체는 액화된 재료가 유입되도록 하고 측면 방향으로 서로 이격되어 있는, 즉, 고정 중에 제1 물체의 표면에 평행한 면을 따라 연장되어 있거나 또는 경우에 따라 제1 물체의 다른 비평면형 표면을 따라 연장되어 있는 복수 개의 구조 부재를 포함한다. 특히 제1 및 제2 물체 사이의 접합은 제1 및 제2 물체 간 경계의 영역이 제1 물체의 표면에 실질적으로 평행하고 적어도 1차원, 바람직하게는 2개의 면내 차원으로 침투 깊이보다 실질적으로 더 큰, 예를 들면 적어도 2배 또는 3배, 적어도 5배 또는 적어도 10배만큼 더 큰 평면 접합일 수 있다. 이 경우, 상기 침투 깊이는 혼합 구역의 깊이와 동일하거나 작을 수 있다.

혼합 구역의 깊이에 비해 작은 침투 깊이로 접합하는 것을 포함하는 구현예는 또한 제1 물체의 비평면형 표면부에 제2 물체를 접합하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 물체는 소정의 근위단에서 대면하는 표면 형태를 가질 수 있고 제2 물체는 이 형태를 따르는 전체 형상을 갖거나 또는 갖도록 변형될 수 있다.

이와 달리, 제1 물체는 그의 주변을 따라 또 다른 구조부가 구비되어 있는 접시형(countersunk) 개구부를 가질 수 있는데, 이때 제2 물체는 그에 따라 적절하게 구성된 형상(예를 들어, 개구부가 접시형이면 원뿔형 형상)을 갖는다. 제1 물체가 비교적 얇고 원위단 표면에 대한 요건이 있는 구현예에 있어서, 이러한 구현예에서는 제2 물체의 구조 부재가 깊이에 맞게 구성될 수 있다. 특히 구조 부재의 상대적인 크기는 원위단을 향해 감소하여 유동성 재료를 수용하는 이들의 용량이 원위측을 향해 감소하고 이에 따라 열 충격을 일으킬 수 있다.

구현예들에 있어서, 액화된 재료가 흐를 수 있는 구조 부재(예를 들어, 요입부 또는 공극)의 체적이 바뀐 체적보다 더 커야하는 것이 설계 기준이다. 이는 결합 구조부를 포함하는 표면부를 따라 공극률이 특정 깊이에 대해 적어도 50%인 본 발명의 구현예에 대한 기준으로 이어진다. 본 명세서에서 공극률은 외부 볼록형 외피로부터 소정의 깊이(축 방향으로 측정했을 때 혼합 구역의 깊이에 해당)까지 측정했을 때 전체 체적 중 빈 공간이 차지하는 비율로서 정의되며; 이는 반드시 "공극"으로서 간주되지 않는 거시 구조부에도 적용될 수 있다. 이 선택적 설계 기준을 측정하면 체적을 표면 또는 옆 등으로 이동할 필요가 없다.

보다 일반적으로, 구현예들에 있어서, 상기 방법은 유동부를 요입부 및/또는 공극으로 흐르게 하고 유동부를 상기 제2 물체의 측방향 영역으로 흐르지 않게 하는 것을 포함할 수 있다.

이를 위해, 경우에 따라 상기 조건을 만족시키는 요입부/공극 체적을 제공하는 것 이외에도, 상기 방법은 또한 (비-진동) 유지 장치를 제2 물체 부근에서, 예를 들면 제1 및 제2 물체 사이의 경계 주변에서 제1 물체의 근위단 표면에 압착하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 유지 장치는 제2 물체가 제1 물체에 고정되는 위치 주변에서 융기 등을 막을 수 있다.

"평면 결합" 또는 다른 "다소 평평한 결합" 고정의 일군의 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 공동(요입부/공극) 이외에 예를 들어 에너지 디렉터로서 역할을 할 수 있는 말단 돌출 구조부를 포함한다. 특히 이러한 말단 돌출 구조부는 예를 들면 끝이 팁 또는 에지 또는 둥근 끝단부로 이어지는 것고 같은 원위측을 향해 좁아지는 부분이 있는 형상을 가질 수 있다. 이 경우에 상기 말단 돌출 구조부와 유동부를 수용하는 공동 사이의 측방향 거리가 최소일 수 있다. 특히 이러한 말단 돌출 구조부와 공동 사이의 임의의 간격을 피할 수 있어 원위단 표면에서 제2 물체의 전체 형상은 말단 돌출부와 공동 사이에서 파형이다.

앞서 설명한 모든 구현예군에 있어서, 축(근위단에서 원위단) 방향에 대한 언더컷을 포함하여 양각 끼워맞춤 결합을 가능하게 하는 결합 구조가 제2 물체의 소정의 특성이다.

추가로 또는 선택적으로, 상기 제2 물체는 변형부를 포함할 수 있고 상기 방법은 기계적 진동이 제2 물체에 결합되는 동안 제1 물체에 제2 물체를 압착하는 과정에서 양각 끼워맞춤 결합을 위한 구조부를 만드는 것을 포함할 수 있다.

예를 들면 상기 제2 물체는 변형이 가능한 구조부로서 실질적으로 축 방향으로 연장되어 있는 복수 개의 변형이 가능한 레그부 또는 변형이 가능한 칼라부를 포함할 수 있다. 공정 중에, 상기 변형이 가능한 구조부는 축 방향으로부터 멀리 굴곡되어 재고화 후에 언더컷이 형성된다.

이러한 변형 원리를 이용하는 구현예들은 유효 고정 영역이 변형으로 인해 제2 물체가 침투하는 제1 물체의 표면적 부분보다 더 클 수 있는바, 즉 바닥면은 변형이 없는 구현예에 비해 더 클 수 있다는 장점을 특징으로 한다.

또 다른 가능한 이점은 예를 들어 상기 변형이 가능한 부분에 대해 경량의 변형이 가능한 재료를 사용할 수 있다는 것이다. 특히 공정이 일어나는 온도에서 변형 가능하지만 실온(또는 보다 일반적으로 어셈블리를 사용할 온도)에서 실질적인 강성을 나타내는 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 변형부는 유동부가 형성되는 제1 물체 열가소성 재료의 유리전이온도보다 실질적으로 더 높은 유리전이온도를 가진 열가소성 재료로 이루어질 수 있다.

이 원리를 가진 특정 구현예에 있어서, PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트)가 약 180℃의 온도에서 유동성이 되는 제1 물체 열가소성 재료로서 사용하였고 PEEK를 변형부를 포함하는 제2 물체의 일부의 재료로서 사용하였다. PEEK는 180℃에서 액상/유동성이 아니지만 유리전이온도(약 140℃임) 보다 높은 온도에서는 액상/유동성이다.

보다 일반적으로, 상기 변형부가 열가소성 재료를 포함하는 구현예에 있어서, 상기 변형부의 유리전이온도가 제1 물체 열가소성 재료의 유리전이온도와 열가소성 재료가 충분히 유동성이 있게 되는 온도 사이인 것이 유리할 수 있다.

본 명세서에서 액상화 온도 또는 열가소성 재료가 유동성이 되는 온도는 결정성 폴리머의 용융 온도이고 비결정성 열가소성 수지의 경우에는 충분히 유동성이 되게 하는 유리전이온도보다 높은 온도로 인 것으로 추정되는데, 때로는 "유동 온도"라고 하며(때로는 압출이 가능한 최저 온도로 정의됨), 예를 들어 점도가 10⁴ Pa*s(구현예들에 있어서 특히 섬유 보강이 없는 폴리머를 사용하여 10³ Pa*s) 미만으로 떨어지는 온도라고 한다.

압착력에 대한 대항력을 가하기 위해서 제1 물체를 지지부, 예를 들어 비진동 지지부에 대향 배치할 수 있다. 제1 선택안에 따르면, 이러한 지지부는 제1 물체를 압착하는 지점에 대면하여, 즉 이 지점의 원위단에 지지면을 포함할 수 있다. 상기 제1 선택안은 제1 물체 자체가 상당한 변형이나 심지어 결함 없이 압착력에 견딜 수 있는 충분한 안정성을 갖지 않더라도 접합을 실시할 수 있기 때문에 유리할 수 있다.

상기 제2 물체를 제1 물체에 압착하는 공정 중에 제2 물체를 변형시키는 것을 포함하는 구현예에 있어서, 상기 지지부는 변형 공정을 돕는 성형 형상부를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 지지부는 변형이 가능한 구조부를 각각 바깥쪽으로 굴곡 또는 안쪽으로 굴곡시키는 성형 돌출부 또는 성형 요입부를 갖도록 성형될 수 있다.

또한 상기 방법은 제1 물체의 열가소성 재료에 대한 지지부의 냉각 효과를 이용하여 제1 물체의 열가소성 재료가 더 낮은 온도에서 유지되어 지지부와의 경계에서 더 경질이 되도록 할 수도 있다. 이렇게 함으로써, 상기 변형이 가능한 구조부는 지지부와의 경계에 너무 가깝게 되지 않도록 변형될 것이다.

제2 선택안에 따르면, 상기 제1 물체의 원위측은 예를 들면 측면 등을 따라 고정될 제1 물체에 의해 노출될 수 있다. 상기 제2 선택안은 제2 물체가 원위측에 도달하지 않으면 원위단 표면에 하중이 가해지지 않고 영향을 받지 않게 될 것이라는 장점을 특징으로 한다.

구현예들에 있어서, 상기 제1 물체는 지지부와 제1 물체 사이에 탄성 또는 완충 부재 없이 지지부에 대향 위치되어 지지부가 제1 물체를 견고하게 지지한다.

일군의 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 사이에 갭이 있는 내측부와 외측부를 포함한다. 이 경우, 상기 제2 물체의 결합 구조는 내측부의 외부 구조부 및/또는 내측부의 외부 구조부 및/또는 외측부의 외부 구조부를 포함할 수 있고 유동부를 유동시키는 단계는 갭으로 유동시키는 것을 포함한다.

일 선택안에 따르면, 내부 및 외측부는 함께 일체형으로 이루어질 수 있다.

일군의 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 제1 재료의 제1 부분과 제2 재료의 제2 부분을 포함한다. 상기 일군의 구현예는 예를 들면 제1 부분이 제1 및 제2 물체의 조립체에 또 다른 부재를 연결시키기 위한 나사산 또는 그 외 다른 구조부와 같은 임계 단면(critical section)을 포함하고 고품질의 건축 재료, 예를 들면 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 구리 등으로 제조되는 한편 상기 제2 부분은 저가 재료를 포함할 수 있고 제1 물체에 대한 제2 물체의 안정화를 위해 일차적으로 제공될 수 있는 경우에 비용을 절감할 수 있다.

특히 상기 제2 물체가 내측부와 외측부를 포함하는 경우에 내측부는 제1 재료로 이루어질 수 있고 외측부는 제2 재료로 이루어질 수 있다. 이렇게 함으로써 갭으로 유동부의 유입에 의해, 상기 제1 물체에 접합되는 것 외에도, 제2 물체 자체가 안정화된다.

제1 재료의 제1 부분과 제2 재료의 제2 부분을 포함하는 구현예들은 예를 들어 변형이 가능한 부분을 포함하는 위에서 논의한 일군의 구현예들을 포함할 수 있다. 이들에서, 상기 변형이 가능한 부분은 예를 들어 제2 재료의 제2 부분에 속할 수 있고, 추가의 물체를 제1 물체에 장착하거나 또 다른 기능을 위한 장착 구조부는 또 다른 비변형성 재료, 예컨대 경질 금속로 이루어질 수 있다.

(경우에 따라 위에서 논의한 장점을 가진 변형이 가능한 부분을 포함하는 것 이외에) 제1 및 제2 재료를 가진 구현예들의 또 다른 장점은 이들이 예를 들어 나사산 또는 다른 기능 구조부와 함께 제1 물체에 의해 구성되는 충분히 안정적인/강성의 기능성 부분을 가질 가능성을 유지하면서 많은 공간(예를 들어 상기 의미에서 충분히 큰 바닥면을 얻기 위해)을 완전히 사용하는 제2 물체의 부분들에 대해 경량 및/또는 저가 재료를 사용할 가능성을 제공하다는 점이다.

상기 제2 재료 자체가 제1 물체 재료의 액화 온도보다 높은 온도에서 변형이 가능하고 경우에 따라서는 유동이 가능한 경우에 상기 방안은 제1 및 제2 부분이 처음에는 서로 연결되어 있지 않거나 단지 느슨하게 연결되어 있으면 경우에 따라 즉각 조립할 수 있는 추가 장점을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 재료는 제1 재료에 대해 유동하여 제1 부분의 일부를, 예를 들어 양각 끼워맞춤 방식으로 매립할 수 있다.

일군의 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 제1 물체에 추가 물체를 장착하기 위한 장착 부품(장착 필라, 장착 플러그 등)을 구성할 수 있다. 특히 상술한 종류의 내측부는 나사산 또는 삽입형 끼움 구조부 또는 안내 부싱 또는 스냅-온 구조부 등과 같은 장착 구조부를 포함할 수 있다. 상기 외측부는 장착 구조부를 체결하기 위한 체결 플랜지로서 역할을 할 수 있다. 이 방안은 종래기술의 체결 플랜지와 비해 다음과 같은 상당한 장점이 있다:

- 체결 플랜지를 제공하고 상기 체결 플랜지에 체결 부재를 장착하기 위한 2개의 개별 단계 대신에 전체 구조부를 하나의 단일 단계로 부착할 수 있다.

- 장착 부품의 위치를 예를 들어 다른 부품에 대해 및/또는 예를 들어 다른 물체가 있는 상태에서 위치시킨 후에, 그렇지 않고 완료된 제1 물체에서 직접 경우에 따라 조정할 수 있다. 이에 따라, 제1 물체 자체를 제조하는 중에 정밀한 정렬 단계가 필요 없다. 따라서 최종 제품에 대한 위치 조정 정밀도가 크게 높아질 수 있다.

- 본 발명에 따른 방안에 의해 제1 물체가 비교적 얇은 상황 및/또는 1 물체의 또 다른 원위단 표면이 영향을 받지 않을 필요가 있는 상황에서도 장착 구조부의 고정 또한 효과적이다. 이는 열가소성 물체에 금속체(나사선이 있는 부시 등)를 밀어 넣는 것을 포함하는 위에서 논의한 종래기술의 방안과 대조적이다.

특히 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 압착 단계에서 제1 물체에 압착되는 복수 개의 원위단 연장부를 근위단 본체와 그의 원위측에 포함한다. 특히 상기 원위단 연장부는 적어도 하나의 외부 연장부와 적어도 하나의 내부 연장부를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 근위단 본체는 위에서 언급한 의미에서 제2 재료의 일부와 그 안에 매립된 제1 재료의 일부를 포함할 수 있고, 상기 제1 재료의 일부는 열가소성 재료가 재고화되도록 하는 단계 후에도 근위측으로부터 접근이 가능하고 장착 구조부를 가질 수 있다. 상기 제1 재료의 일부는 원위측으로 연장되어 원위단 연장부들 중 적어도 하나(중앙의 돌출부와 같은)를 형성하거나 근위측에 제한될 수 있다.

일군의 구현예들에 있어서, 상기 제1 물체는 예를 들어 폴리머 판, 예를 들면 폴리머 커버와 같은 다소 평평한 물체이다.

상기 제2 물체와 제1 물체 사이의 접합은 두 물체 간 모든 접합 목적을 가질 수 있다. 예를 들면, 자동차 또는 항공 산업에서 접합은 플라스틱 구조 부재(제1 물체)와 금속 또는 복합 재료 구조 부재 간 접합일 수 있다.

일군의 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 또 다른 부재를 제1 물체에 체결하기 위한 제1 물체 내 앵커일 수 있다.

또 다른 일군의 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 여기에 본 명세서에 기재된 방법에 의해 추가 제3 물체를 제1 물체에 접착시키는 커넥터일 수 있다. 이에 따라 이들 구현예는:

제2 물체를 제1 물체에 접합하여 상기 제1 물체에 제3 물체를 고정함으로써 상기 제3 물체를 제1 물체에 연결하는 방법으로서, 상기 방법은:

- 고체 상태의 열가소성 액화 재료를 포함하는 제1 물체를 제공하는 단계;

- 제3 물체를 제공하는 단계;

- 언더컷을 가진 결합 구조를 갖고/또는 언더컷을 가진 이러한 결합 구조를 포함하도록 변형될 수 있는 표면부를 포함하여 상기 제1 물체와의 양각 끼워맞춤 결합할 수 있는 제2 물체를 제공하는 단계;

- 상기 제1 물체에 대해 제3 물체를 배치하는 단계,

- 제2 물체의 내부 결합 구조와 물리적으로 접촉하는 공구에 의해 기계적 진동이 상기 공구에 결합되는 동안 제1 물체에 제2 물체를 압착하는 단계,

- 상기 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부가 액화되어 상기 제2 물체의 결합 구조로 유입될 때까지 압착 및 상기 공구에 진동을 결합시키는 단계를 계속하는 단계,

- 상기 제1 물체의 열가소성 재료를 재고화되도록 하여 상기 결합 구조부를 상호 침투하는 액화 및 재고화된 유동부에 의해 상기 제1 및 제2 물체 간 양각 끼워맞춤 결합부를 생성시키는 단계를 포함하되,

- 이때 상기 제2 물체를 제1 물체에 압착하는 단계를 상기 제2 물체가 제3 물체와 물리적으로 접촉하여 상기 제3 물체를 제1 물체에 고정시킬 때까지 수행하는 것과 관련이 있다.

특히 상기 제1 물체에 제3 물체를 배치하는 단계에서 제3 물체는 제1 물체의 근위단에 위치될 수 있고, 배열 단계 후에는 상기 제2 물체는 제3 물체의 원위단부가 제1 물체에 도달하여 제2 물체가 제1 물체에 압축될 때까지 제3 물체에 침투하게 할 수 있다.

이를 위해 예를 들면 상기 제3 물체는 제2 물체가 제3 물체의 원위단부가 제1 물체에 도달할 때까지 제3 물체를 관통하도록 액화성 열가소성 재료로 이루어지거나 그렇지 않은 경우에는 침투성 재료로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 제1 물체와의 연결 이외에도 제3 물체와 양각 끼워맞춤 결합이 일어나게 하는 방식으로 제2 물체의 결합 구조를 배치할 수도 있다.

추가로 또는 선택적으로, 상기 제3 물체는 제3 물체의 원위부가 제1 물체에 도달하도록 안내하는 보어을 포함할 수 있다.

상기 제3 물체를 제1 물체에 고정하기 위해서 제2 물체는 제2 물체의 원위부가 제1 물체에 고정되어 있는 동안에 제3 물체의 근위단에서 대면하는 표면부에 안치되어 있는 헤드부 또는 연결부를 포함할 수 있다.

추가로 또는 선택적으로, 상기 제3 물체가 열가소성 재료를 포함하는 경우에 상기 결합 구조부에 상호 침투하하는 제1 물체의 재료 외에 제2 물체의 구조부에 침투하는 제3 물체의 재료에 의해 제2 물체와 제3 물체 간 양각 끼워맞춤 결합이 이루어질 수 있다.

추가로 또는 또 다른 대안으로서, 상기 제3 물체의 열가소성 재료가 제3 및 제1 물체의 조립체로 압착될 제2 물체의 효과에 의해 제1 물체의 열가소성 재료에 용접되거나 재고화 후에 기계적 및/또는 접착제 연결을 생성하는 비혼합 방식으로 제1 물체의 유동성 재료를 상호 침투하게 할 수 있다.

상기 제1 물체에 접합되는 제3 물체의 재료는 이러한 재료가 액화하지 않더라도 또한 나아가 미리 제조한 개구부가 존재하지 않더라도 탄성체 재료 또는 그 외 다른 재료를 포함하는 것도 선택안이다. 특히 상기 제2 물체의 절단부는 제3 물체가 그의 원위단에 위치해 있는 제1 물체와 접촉할 때까지 제3 물체의 일부를 통해 구멍을 형성할 수 있다.

이러한 방법으로(열가소성 제1 물체에 비용융성 또는 용융성 연질 재료의 접합), 예를 들면 경질/연질 사출 성형에서 함께 가공될 수 없는 경질과 연질 재료 간 연결이 가능해진다. 제동 쿠션(제3 물체)을 열가소성 시트와 같은 열가소성 제1 물체에 접합시키는 것이 일례일 수 있다.

일군의 구현예들에 있어서, 상기제2 물체는 압착 및 진동 중에 제1 물체와 직접 접촉해 있는 표면에 에지 또는 팁과 같은 에너지 디렉터 역할을 하는 구조부를 포함한다. 초음파 용접과 WO 98/42988 또는 WO 2008/080 238에 기재되어 있는 바와 같은 "부트벨딩(우드웰딩)(Woodwelding)" 공정에 대해서는 에너지 디렉터가 공지되어 있지만, 이들은 일반적으로 액화될 재료의 물체 상에 존재해 있을 것이다. 그러나 본 발명의 구현예들은 액화되는 것이 아니라 액화된 재료에 의해 상호 침투되는 재료에 에너지 디렉터를 제공한다는 점에서 이와 반대이다.

본 발명은 또한 본 명세서에 기재되어 있는 방법에서 열가소성 재료를 포함하는 제1 물체에 고정시킬 연결 부재에 관한 것이다. 보다 특별하게, 상기 방법을 인용하여 기재 및/또는 청구하고 있는 제2 물체의 모든 특성은 연결 부재의 특성일 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.

본 명세서에서 "예를 들어 주파수가 앞서 논의한 특성을 가진 기계적 진동에 의해 유동화될 수 있는 열가소성 재료" 또는 간단히 "액화 가능한 열가소성 재료" 또는 "액화 가능한 재료" 또는 "열가소성"이라는 표현은 적어도 하나의 열가소성 성분을 포함하고 가열시, 특히 마찰을 통한 가열시, 즉 서로 접촉해 있는 한 쌍의 표면(접촉면) 중 하나에 배열되고 서로에 대해 진동 운동시 액체(유동성)가 되는 재료를 기술하기 위해 사용된다. 몇몇 상황에서는, 예를 들어 제1 물체 자체가 상당한 하중을 운반해야 하는 경우에 상기 재료가 0.5 GPa보다 큰 탄성 계수를 갖는 것이 유리할 수 있다. 다른 구현예들에 있어서, 기계적 진동이 공구에 의해 제2 물체에 직접 전달되기 때문에 제1 물체 열가소성 재료의 진동 전도성이 공정에 있어서 중요한 역할을 하지 않을 때 탄성 계수는 상기 값보다 낮을 수 있다.

열가소성 재료는 자동차와 항공 산업에서 잘 알려져 있다. 본 발명에 따른 방법의 목적을 위해서 특히 이들 산업 분야에서의 용도로 공지되어 있는 열가소성 재료를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 적합한 열가소성 재료는 실온(또는 상기 방법이 실시되는 온도)에서 고체이다. 상기 열가소성 재료는 바람직하게는 고체로부터 액체 또는 임계 온도 범위 위에서 유동성으로 예를 들어 용융에 의해 변형되고 예를 들어 결정화에 의해 상기 임계 온도 범위 미만에서 다시 냉각시 고체 재료로 다시 변형되는 폴리머상(특히, C, P, S 또는 Si 사슬을 기반으로 함)을 포함하는 것으로, 상기 고상의 점도는 액상보다 수 자릿수(적어도 10³배) 높다. 상기 열가소성 재료는 일반적으로 가교 결합이 용융 온도 범위 이상으로 가열시 가역적으로 열리는 방식으로 가교 공유 결합 또는 가교 결합되어 있지 않은 폴리머 성분을 포함할 것이다. 상기 폴리머 재료는 충전제, 예를 들어 열가소성 특성을 갖지 않거나 또는 염기성 폴리머의 용융 온도 범위보다 현저히 높은 용융 온도 범위를 포함하는 열가소성 특성을 가진 재료의 섬유 또는 입자를 더 포함할 수 있다.

본 명세서에서 "비액화성" 재료는 일반적으로 공정 중에 도달하는 온도, 즉 특히 제1 물체의 열가소성 재료가 액화되는 온도에서 액화되지 않는 재료이다. 이는 공정 중에 도달하지 않는 온도, 일반적으로 공정 중에 열가소성 재료 또는 열가소성 재료의 액화 온도보다 더 높은(예를 들어, 적어도 80℃만큼) 온도에서 비액화 재료가 액화될 가능성을 배제하는 것은 아니다. 상기 액화 온도는 결정성 폴리머의 경우에 용융 온도이다. 무정형 열가소성 재료의 경우에 상기 액화 온도(“본 명세서에서는 용융 온도"라고도 함)는 충분히 유동이 가능하게 되는 유리전이온도, 때로는 '유동 온도'라고도 하며(때로는 압출이 가능한 최저 온도로 정의됨), 예를 들어 점도가 10⁴ Pa*s 미만(구현예들에 있어서, 실질적으로 섬유 보강이 없는 폴리머에 의해 10³ Pa*s 미만)으로 감소하는 온도보다 높은 온도이다.

예를 들어, 비액화 재료는 알루미늄 또는 강철과 같은 금속 또는 목재, 또는 경질 플라스틱, 예를 들면 액화 가능한 부분의 용융 온도 및/또는 유리전이온도보다 상당히 더 높은 용융 온도(및/또는 유리전이온도)를 가진, 예를 들면 적어도 50℃ 또는 80℃만큼 더 높은 용융 온도/유리전이온도를 가진 보강 또는 비보강 열경화성 폴리머 또는 보강 또는 비보강 열가소성 폴리머일 수 있다.

열가소성 재료의 특정 구현예로는: 폴리에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, Polyamide 12, Polyamide 11, Polyamide 6 또는 Polyamide 66과 같은 폴리아미드, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥시메틸렌 또는 폴리카보네이트우레탄, 폴리카보네이트 또는 폴리에스테르 카보네이트 또는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 아크릴에스테르-스티렌-아크릴니트릴(ASA), 스티렌-아크릴로니트릴, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 폴리스티렌, 또는 이들의 공중합체 또는 혼합물이 있다.

상기 제1 및 제2 물체 모두 열가소성 재료를 포함하는 구현예에 있어서, 상기 재료 쌍은 제2 물체 재료의 용융 온도가 제1 물체 재료의 용융 온도보다 실질적으로 더 높도록, 예를 들어 적어도 50℃만큼 더 높도록 선택된다. 적합한 재료 쌍은 예를 들어 제1 물체에 대해서는 폴리카보네이트 또는 PBT이고 제2 물체에 대해서는 PEEK이다.

열가소성 폴리머 이외에, 열가소성 재료는 적합한 충전제, 예를 들면 유리 및/또는 탄소 섬유와 같은 보강 섬유를 포함할 수도 있다. 상기 섬유는 단섬유일 수 있다. 특히 공정 중에 액화되지 않는 제1 및/또는 제2 물체의 일부에 대해서는 장섬유 또는 연속 섬유를 사용할 수 있다.

(만약에 있다면) 섬유 재료는 섬유 보강용으로 알려져 있는 모든 재료, 특히 탄소, 유리, 케블라(Kevlar), 세라믹, 예를 들면 뮬라이트, 탄화규소 또는 질화규소, 고강도 폴리에틸렌(Dyneema) 등일 수 있다.

섬유의 형상을 갖지 않는 다른 충전제들, 예를 들어 분말 입자도 가능하다.

본 발명에 따른 방법에 적합한 기계적 진동 또는 발진은 바람직하게는 2 내지 200 kHz(더욱 바람직하게는 10 내지 100 kHz 또는 20 내지 40 kHz)의 주파수 및 활성 표면 1 평방 밀리미터당 0.2 내지 20 W의 진동 에너지를 갖는다. 진동 기구(예. 초음파봉)는 예를 들어 주로 접촉면이 기구의 축 방향(종축 진동)으로 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 30 내지 60 ㎛ 정도의 진폭으로 진동하도록 설계된다. 예를 들면 이러한 바람직한 진동은 예를 들어 초음파 용접에 알려져 있는 초음파 장치에 의해 생성된다.

본 명세서에서 "근위" 및 "원위"라는 용어는 방향 및 위치를 나타내기 위해 사용되는 것으로, 즉 "근위"는 작업자 또는 기계가 기계적 진동을 인가하는 접합부의 측면인 반면에 원위는 반대 측면이다. 본 명세서에서 근위측에 있는 커넥터의 광폭부는 "헤드부"라고 지칭하는 반면에 원위측에 있는 광폭부는 "풋부"이다. "축"은 원위단에서 근위단 방향의 고정 축으로 이 축을 따라 압착 단계에서 압력이 인가된다. 많은 구현예들에 있어서, 상기 기계적 진동은 축 대비 종방향의 진동이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법으로서, - 고체 상태의 열가소성 액화 가능한 재료를 포함하는 제1 물체를 제공하는 단계; - 언더컷이 형성되어 있는 결합 구조부를 가진 표면부를 포함하거나 언더컷이 형성되어 있는 이러한 결합 구조부를 포함하도록 변형될 수 있어 제1 물체와 양각 끼워맞춤 결합할 수 있는 제2 물체를 제공하는 단계; - 상기 제2 물체의 내부 결합 구조와 물리적으로 접촉하는 공구에 의해 제2 물체를 제1 물체에 기계적 진동이 상기 공구에 결합되는 동안 압착하는 단계, - 상기 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부가 액화되고 상기 제2 물체의 결합 구조부로 유입될 때까지 압착 및 상기 공구에 진동을 결합시키는 단계를 계속하는 단계, - 상기 제1 물체의 열가소성 재료를 재고화되도록 하여 상기 결합 구조부를 상호 침투하는 액화 및 재고화된 유동부에 의해 상기 제1 및 제2 물체 간 양각 끼워맞춤 결합부를 생성시키는 단계;를 포함하며, 상기 결합 구조부가 원위측에 개방된 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부를 포함하고, 상기 복수 개의 개구부는 축 방향에 대해 언더컷을 한정하며, 상기 유동부의 유동은 상기 언더컷을 한정하는 상기 개구부로 역류하는 것을 포함하며, 상기 개구부의 원위단부는 상기 방법 동안 제1 물체에 매립되는, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제2 물체의 결합 구조부가 유동부의 액화 온도보다 더 높은 온도에서 액화가 불가능하거나 액화가 가능한 재료로 이루어진다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제1 물체에는 보어가 제공되고 상기 압착 단계에서는 제2 물체의 일부가 상기 보어 내로 압착된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제2 물체에 의해 제3 물체가 제1 물체에 고정된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제2 물체가 상기 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부를 가진 원위단부면을 포함하고, 상기 복수 개의 개구부는 유동부의 적어도 일부를 수용할 수 있는 복수 개의 공동이며, 상기 제1 물체에 제2 물체를 압착하는 것은 제1 물체의 근위단면에 원위단부면을 압착시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제2 물체가 공동들 사이에 돌출부를 포함하며, 압착 및 진동을 공구 내로 결합하는 단계 후에 상기 돌출부가 상기 제1 물체의 근위단면의 원위단으로 돌출하고 상기 공동은 상기 제1 물체의 근위단면으로부터 안쪽으로 연장되며, 상기 돌출부의 체적이 공동의 체적보다 작거나 동일하다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 압착 및 진동을 공구 내로 결합시키는 단계에 의해 제2 물체가 제1 물체로 침투하는 관통 깊이만큼 축 방향으로 제1 물체에 대해 이동하도록 하고 상기 침투 깊이는 제2 물체의 측방향 폭보다 작다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부의 각각의 개구부는 원위측에 개방된 개구부로서 상기 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부의 원위측에 개방된 다른 개구부로부터 측 방향으로 이격된 개구부이다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 원위측에 개방된 개구부가 제2 물체의 돌출부를 둘러싼다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 고체 상태의 열가소성 액화가 가능한 재료를 포함하는 제1 물체에 고정되는 연결 부재로서, 상기 연결 부재는 언더컷이 형성되어 있는 결합 구조부를 가지거나 언더컷이 형성되어 있는 이러한 결합 구조를 포함하도록 변형될 수 있는 표면부를 포함하여 상기 연결 부재가 제1 물체와 양각 끼워맞춤 결합을 가능하게 할 수 있고; 상기 연결 부재는 공구에 의해 접촉되도록 내부 결합 구조부를 더 가지며, 상기 연결 부재는 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부가 액화되어 결합 구조부로 유입될 때까지 기계적 진동이 공구 내에 결합되는 동안 상기 연결 부재의 내부 결합 구조부와 물리적으로 접촉하는 공구에 의해 제1 물체에 압착되도록 하여 열가소성 재료의 재고화 후에 결합 구조부를 상호 침투하는 액화 및 재고화된 유동부에 의해 제1 물체와 상기 연결 부재 사이에 양각 끼워맞춤 결합이 생성되도록 구비되며, 상기 결합 구조부는 원위측에 개방된 그리고 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부를 포함하며, 상기 복수 개의 개구부는 축 방향에 대해 언더컷을 한정하며, 상기 유동부의 유동은 상기 언더컷을 한정하는 상기 복수 개의 개구부로 역류하는 것을 포함하며, 상기 개구부의 원위단부는 제1 물체에 매립되도록 구성되는, 제1 물체에 고정되는 연결 부재가 제공된다.

이하 도면을 참조하여 본 발명과 구현예들을 실시하기 위한 방법을 설명하기로 한다. 도면은 개략적으로 도시되어 있다. 도면에서, 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 달리 명시하지 않는 한 도면은 고정 축과 평행한 면을 따라 절단한 단면( "수직" 단면)을 도시하고 있다. 도면에서:
- 도 1a-1d는 본 발명의 제1 구현예에 따른 접합 공정의 단계;
- 도 2는 제1 구현예의 공정과 유사한 접합 공정에 대한 또 다른 구성;
- 도 3a와 3b는 또 다른 제2 물체와의 접합 공정;
- 도 4a는 제2 물체의 원위측에서 본 도면;
- 도 4b는 도 4a의 제2 물체와 유사한 제2 물체의 단면도;
- 도 4c는 제1 물체에 고정되어 있는 도 4b의 제2 물체;
- 도 4d는 제2 물체의 또 다른 변형예이다.
- 도 5a와 5b는 다른 제1 및 제2 물체와의 접합 공정;
- 도 6a-6d는 또 다른 구현예에 따른 접합 공정;
- 도 7a는 도 6a-6d의 공정을 위한 혼성 제2 물체;
- 도 7b는 또 다른 혼성 제2 물체의 부분단면도;
- 도 7c는 도 7c의 제2 물체의 공정 후 부분단면도;
- 도 7d는 풋부 형성없이 접합 공정에 사용 가능한 또 다른 혼성 제2 물체;
- 도 8과 9는 제2 물체의 다른 구현예들;
- 도 10은 또 다른 제2 물체와의 또 다른 접합 공정;
- 도 11-16은 평면형 제1 물체에 제2 물체를 접합하기 위한 다른 구현예들;
- 도 17a-17b는 제1 물체에 변형부를 가진 제2 물체를 접합하는 공정;
- 도 18-20은 이러한 공정의 변형예;
- 도 21a와 21b는 제2 물체에 의한 제3 물체의 제1 물체 접합;
- 도 22와 23은 이러한 접합 공정을 위한 또 다른 제2 물체;
- 도 24a와 24b는 또 다른 제2 물체를 형성하기 위한 반제품의 평면도와 이렇게 형성된 제2 물체의 단면도;
- 도 25와 26은 또 다른 물체의 도면;
- 도 27은 또 다른 제2 물체의 개략적인 수평 단면도;
- 도 28은 이러한 제2 물체의 캡 부재의 저면도;
- 도 29a와 29b는 발포재를 열가소성 제1 물체에 접합시키는 공정;
- 도 30은 제2 물체를 제1 물체에 접합시키기 위한 또 다른 배치;
- 도 31은 제2 물체의 변형예;
- 도 32는 제2 물체를 제1 물체에 접합시키는 또 다른 공정;
- 도 33, 34와 35는 상기 공정의 변형예;
- 도 36은 제1 물체에 접합시키기 위한 또 다른 제2 물체; 및
- 도 37은 제1 물체에 접합시키기 위한 또 다른 제2 물체.

도 1a는 본 발명의 구현예의 기본 구성배치를 도시하고 있다. 제1 물체(1)는 예를 들어 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 소형 또는 발포된, 또는 폴리카보네이트 또는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 또는 실온에서 고체 이고 예를 들면 250℃ 미만의 용융 온도를 가진 다른 모든 열가소성 폴리머로 이루어져 있다.

제2 물체는 금속 또는 플라스틱(열경화성 또는 열가소성)이다. 제2 물체가 액화 가능한 경우에 액화 온도는 제1 열가소성 플라스틱이 유동성인 온도에서 제2 물체가 유동성이 없는 온도이다. 예를 들면 제2 물체 재료의 용융 온도는 제1 재료의 용융 온도보다 적어도 50℃ 또는 적어도 80℃만큼 더 높다.

제2 물체는 제1 물체의 유동 후에 제1 물체의 재료와 양각 끼워맞춤 결합할 수 있는 구조를 갖고 있다. 보다 특별하게, 제2 물체는 축 방향(축(10))에 대해 언더컷을 가진 표면부를 갖고 있다. 예를 들어, 상기 표면 구조는 비축 방향으로 연장 형성된 적어도 하나의 리브(4) 또는 적어도 하나의 턱을 포함하고 있다. 도시되어 있는 구현예에 있어서, 상기 제2 물체는 축 (10)에 대해 회전 대칭인 것을 전제로 하며 그 사이에 홈(5)이 형성되어 있는 복수 개의 환형의 리브(4)를 포함하고 있다.

원위단에서 제2 물체는 팁(3)을 가지며, 근위단에서 헤드부(6)는 기계적 진동을 위해 근위단에서 대면하는 결합면을 형성한다.

초음파봉(7)은 제2 물체에 기계적 진동을 결합시키는 동안 제2 물체를 제1 물체에 압착시키는데 사용된다. 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 물체의 재료의 액화는 팁(3)에 대한 경계에서 출발하여 시작한다. 하도록 설정된다. 제1 물체에 제2 물체를 계속 압착하면 제2 물체가 블록 화살표 방향으로 제1 물체에 대해 제2 물체가 이동될 것이다. 제1 물체의 액화 열가소성 재료의 흐름(11)이 시작된다.

도 1c는 공정이 끝날 무렵의 구성을 도시하고 있다. 제1 물체는 제2 물체의 표면 부근에서는 단지 액화될 뿐이지만 다른 곳에서는 고체로 있게 되어 약간의 강성을 나타낼 것이므로, 액화된 재료는 임의로 빠져나올 수 없고 제2 물체를 제1 물체로 압착하면 제1 물체에는 약간의 정수압이 발생할 것이고 이는 흐름(11)이 홈(5)과 같은 언더컷 구조부를 즉시 채우게 될 것이다.

진동을 중지시킨 후 액화된 열가소성 재료는 재고화되어 제2 물체가 제1 물체에 견고하게 고정된 채 있게 된다(도 1d).

도 1d는 또한 침투 깊이(d_p)와 혼합 구역의 깊이(d_i)(상호 침투 깊이)를 도시하고 있며, 깊이(d_i)는 유동부가 제2 물체의 최외 표면 형상부에서 시작하여 침투하는 깊이로, 여기에서는 혼합 구역의 깊이(d_i)는 홈(5)의 깊이에 해당한다. 도 1d에서 알 수 있는 바와 같이 고정이 깊이 유효한 이들 구현예에서는 침투 깊이가 혼합 구역의 깊이보다 실질적으로 더 크다.

도 1d는 또한 제1 물체에 침투하는 제2 물체 부분의 폭(w)을 도시하고 있다. 명백한 것은, 상기 폭은 침투 깊이보다 작다는 것으로, 이는 고정이 깊이 유효한 구현예의 또 다른 가능한 특징이다.

본 발명의 제2 물체와 본 명세서에 기재되어 있는 다른 구현예들은 커넥터(너트, 나 사형 볼트 등), 도통부, 부싱, 다른 커넥터 등의 역할을 하는 기능을 가질 수 있다.

도 1a-1d에는 제2 물체(2)가 제1 물체(1)의 표면을 통해 밀림 이동되는 것을 도시하고 있다(제1 물체의 상부에 또 다른 제3 물체가 위치되어 있는 경우에는 도 21a/21b; 29a/29b, 30을 참조하여 아래에서 더 상세하게 논의되어 있는 바와 같이 유사한 고려 사항이 적용됨). 상기 과정 중에 제2 물체(여기에서는 샤프트, 즉 헤드부(6)가 없는 제2 물체)의 고정부의 체적에 상응하는 체적이 예를 들면 근위단 방향으로 위치 이동되고/또는 제2 물체의 도입은 제1 물체 전체를 약간 변형시킨다.

- 이러한 위치 이동 및/또는 변형은 바람직하지 않으며 최소로 유지되어야 하고/또는

- 제2 물체의 형상/치수 및/또는 제1 물체의 저항으로 인해 제1 물체의 표면을 통해 제2 물체를 밀림 이동시키는 것이 어렵고/또는

- 도입 중에 초음파봉 및/또는 외부 수단에 의해서만 제2 물체를 안내하는 것이 어려운 경우에,

제2 물체를 제1 물체에 압착하는 단계 이전에 제1 물체에 보어(20)를 제공하는 것은 선택사항이다. 이는 도 2에 개략적으로 재도시되어 있다.

상기 보어의 직경(d_h)에 대해서 다음의 고려사항들이 (도 2에 도시되어 있는 형상과 같은 형상뿐 아니라, 일반적으로 공정 중에 보어 안으로 압착되는 제2 물체의 일부분에 대해) 적용될 수 있다:

- 보어의 직경(d_h)은 제2 물체의 고정부의 돌출 구조부(도시되어 있는 구현예에서는 리브(5))의 외경(d₂)보다 작아야 한다. 비원형 대칭 구조의 경우에는 이 원리의 예외를 예상할 수 있다.

- 대부분의 구현예에 있어서, 보어의 직경(d_h)은 보어의 체적이 고정부가 차지하는 체적과 같거나 이보다 작도록 선택되어야 한다. 환언하면, 이들 구현예에 있어서 보어 직경은 열가소성 제1 물체 재료의 변위부의 체적이 변위 체적이 유입될 수 있는 구조부의 체적과 거의 같거나 이보다 더 크도록 선택되어야 한다. 그러나 특히 결합 구조부가 유동성 재료가 약간의 저항에 대항하여 유입되는 제2 물체의 개방된 다공성 구조부에 의해 한정되는 구현예에서는 반드시 그럴 필요는 없다.

- 요구 조건과 재료 특성에 따라 보어의 직경(d_h)은 고정부의 소직경(d₁)에 거의 상응하거나(정의하면; 여기에서 상기 소직경은 홈이 있는 축 방향 위치에서의 직경에 해당함) 보다 작거나 또는 상기 소직경보다 더 작거나 상기 소직경보다 더 크도록(그러나 외경(d₂)보다는 크지 않도록) 선택될 수 있다.

본 명세서에 기재되어 있는 다른 구현예들에 있어서, 원위단 팁(3) 또는 상기 리브의 에지뿐 아니라 에지들 또는 결합 구조부의 다른 돌출 형상부들은 열가소성 재료의 액화를 위한 에너지 디렉터 역할을 한다.

본 명세서에서 기재되어 있는 구현예들은 제2 물체의 근위단에서 대면하는 결합면에 압착되는 별도의 부품으로서 초음파봉(7)(또는 '혼(horn)')을 도시하고 있다.

그러나 특히 상기 제2 물체가 금속성인 구현예에서는 제2 물체가 진동 발생 장치에 직접 결합되어 있는 용접봉일 수 있다. 예를 들어, 상기 용접봉에는 진동 발생 장치의 해당 결합부에 체결되도록 하기 위해 근위단 나사산 또는 삽입형 결합 구조부 등이 구비될 수 있다.

도 1a-2의 구현예는 축(10)을 중심으로 회전 대칭성을 갖는 것을 전제로 하고 있지만 이는 요구 조건은 아니다. 오히려, 아래에 논의되어 있는 바와 같이 특히 원형 대칭으로부터 벗어난 구조부를 고정부에 제공하는 것이 유리할 수도 있다.

도 3a와 3b는 제2 물체(2)가 사이에 갭(23)이 있는 내측부(21)과 외측부(22)을 갖고 있는 구현예를 도시하고 있다. 결합 구조부는 외측부의 내부 표면 및/또는 외측부의 내부 표면 및/또는 외측부의 외부 표면을 따라 한정되어 있다. 도시된 구현예에서, 상기 결합 구조(그 사이의 홈을 한정하는 원주 방향으로 연장 형성되어 있는 리브)는 내측부의 외부 표면을 따라서만 존재한다.

상기 제1 물체의 열가소성 재료가 액화되는 동안 제2 물체를 제1 물체에 압착시 액화된 재료의 일부가 갭으로 유입된다(도 3b에서 흐름(11)). 상기 제1 물체에 제2 물체를 고정시키는 것 이외에, 상기 재료는 공정 완료 후 또한 내측부와 외측부를 서로에 대해 안정화시킬 것이다.

다음의 선택 사항들이 적용된다:

- 내측부와 외측부는 함께 일체형으로 이루어지거나 도 3a와 3b에서와 같이 별개의 부품들로 구성될 수 있다.

o 후자의 경우 이들은 경우에 따라 서로 다른 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 물체가 제1 물체에 어떤 물체를 체결하기 위한 체결구인 경우에 내측부는 금속으로 이루어질 수 있는 반면에 외측부는 더 가볍고 덜 경질인 재료, 예를 들면 제1 물체 재료보다 용융 온도(액화 온도)가 더 높은 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 이것은 외측부의 재료가 제1 물체 재료의 액화 온도에서 그의 유리전이온도를 초과하여 앞서 지적하였고 도 17a-20을 참고하여 아래에서 더욱 자세하게 설명하는 바와 같이 고정에 기여하는 변형이 가능한 재료로 이루어질 가능성을 포함한다.

o 내측부와 외측부가 별개의 부품인 경우에 이들은 모두 근위단에서 대면하는 결합면에 도달할 수 있거나 도시된 구현예에서와 같이 이들 중 하나만이 결합면에 도달한다. 도시된 구현예에 있어서, 진동은 외측부를 통해 내측부에 결합한다.

- 도 2와 유사하게, 제1 물체에 제2 물체를 압착하는 단계 이전에 제1 물체에 보어가 형성할 수 있다. 이러한 보어는 예를 들어 내측부에 대해서만 형성될 수 있다. 이와 달리 제2 물체의 각각의 부분에 대해 내부 보어 부분과 예를 들어 원통형 외부 보어 부분을 가진 보어를 제조할 수도 있을 것이다.

- 내측부(21) 및/또는 외측부(22)는 축(삽입축/고정축)을 중심으로 회전 대칭이거나 그의 구조가 이러한 대칭으로부터 벗어날 수 있다.

- 도 3a와 3b의 구현예도 도 2에 도시되어 있는 보어(20)와 유사하게 제1 물체 내 보어를 사용하여 수행할 수 있다. 상기 보어의 직경은 앞서 도 2의 논의에 따라 코어부(21)의 치수에 맞게 구성되도록 선택 될 수 있다.

도 3a와 3b의 구현예에서 제1 및 제2 부분(21, 22)은 미리 조립된 것으로 도시되어 있지만 일반적으로 일체형이 아닌 2개의 부분을 가진 구현예에서 상기 부분들은 예를 들어 상기 부분들을 연결하는 제1 물체의 재료 및/또는 공정 중에 변형된 제2 부분의 재료 및/또는 다른 형상부에 의해 즉석에서 조립할 수 있다.

도 3a/3b에서, 상기 부분들을 고정시키기 전에 조립하고 이들 사이의 갭(23)을 상기 유동부가 채워 부분들(21, 22) 사이에 추가로 접합 안정성을 얻는 효과가 있다.

내측부(21)와 외측부(22) 사이의 갭의 경우에, 열가소성 재료가 유입될 수 있게 0.1 mm의 최소 폭이 존재해야 한다.

도 4a는 제2 물체가 예를 들어 강철의 금속 내측부(21)와 플라스틱, 예를 들어 PEEK의 외측부(22)를 가진 구현예를 도면으로 도시하고 있다. 도 4a의 구현예에는 다음과 같은 형상부들이 함께 존재할 수 있지만 개별적으로 또는 조합하여 구현될 수도 있다.

- 중앙 부분에는 원위단으로부터 연장되어 있는 튜브 부분이 있다(이는 전체적으로 튜브 형상일 수 있는 가능성을 포함함).

o 중앙 부분은 내부 나사산(26) 또는 다른 구조부를 포함한다. 튜브 부분이 근위단까지 연장되면 내부 나사산 또한 근위단까지 연장될 수 있고 고정 후 제2 물체에 또 다른 물체를 장착하기 위해 제공될 수 있다.

- 내측부의 결합 구조부는 회전 대칭이 아니지만 재료 흐름을 유도 할 수 있는 축 방향 채널(24)을 포함한다.

o 구현예들에 있어서, 이러한 축 방향 채널(24)은 양각 끼워맞춤 결합을 이루는 환상형 홈(5)보다 깊이가 더 커 재료 분배 채널로서 작용한다.

- 외측부(22)는 원형 대칭은 아니지만 원위단에서 끝이 에지 또는 팁에 이어지는 복수 개의 외부 축 방향 돌출부를 포함한다.

도 4a의 구현예는 제2 물체가 그로부터 연장되어 있는 원위단 돌출부를 갖는 근위단 본체(또는 헤드부)(29)를 형성하는 구현예의 일례이다. 도시된 구현예에서 원위단 돌출부는 레그형 연장부(28)(외부 돌출부)와 제1 부분(21)(내부 돌출부)의 원위단 부분에 의해 형성되어 있다. 원주 방향으로 연장 형성되어 있는, 예를 들어 스커트형 외부 돌출부를 갖는 구성도 가능하다.

전술한 구현예들에 있어서, 상기 제2 물체는 제2 물체에 고정 축을 따라 연장되어 있는 고정부를 제공함으로써, 일부 구현예에서는 제1 물체에 있는 보어를 사용하여 깊이-유효 방식으로 고정된다. 이들 구현예는 제1 물체의 액화된 재료가 유입될 수 있는 복수 개의 구조 부재(예를 들어, 홈(5))를 가질 수 있으며, 상기 구조 부재는 축 방향으로 서로 이격, 예를 들면 샤프트 및/또는 튜브 등을 따라 배치된다.

도 4b의 변형예에서, 금속 내측부(21)는 플라스틱 외측부(22)와 미리 조립된다. 이러한 사전 조립체에 안정성을 부가하기 위해서 내측부(21)의 구조 (4)는 근위단 본체(29)의 영역으로 근위단에서 연장되어 있고 외측부(22)의 재료로 주조된다.

제2 물체(2)를 제1 물체(1)에 접합시키는 공정 이후에, 근위단 본체(29)의 유효 높이(h)는 열가소성 재료의 유동부가 내측부와 외측부 사이의 갭(23)을 채웠기 때문에 그의 초기 물리적 축 방향 연장부보다 더 높다(역류)(도 4c). 도시되어 있는 바와 같이 이러한 중앙 개구부가 원위측에 개방되어 있는 경우에 내측부(21)의 중앙 개구부로 일부 역류가 또한 발생할 것이다. 이러한 역류를 방지하여야 하는 경우에 상기 개구부는 예를 들어 팁 형상의 단부 부재에 의해 원위단에서 폐쇄될 수 있다.

도 4a에 도시되어 있는 바와 같이 공정 이후의 상황은 종래기술의 장착 플랜지를 대체하는 외측부(21)가 또 다른 물체를 위한 장착 부품으로서 어떻게 작용하는지를 잘 보여주는 것으로, 상기 외측부는 경량의 저가 재료로 이루어질 수 있고 특히 내측부(21)(나사산(26))에 체결되어 있는 물체에 대한 각 운동량(angular momenta)을 중심으로 연결부에 실질적인 기계적 안정성을 부가한다.

필요에 따라, 열가소성 재료의 유동부에 의해 매립되어 또 다른 양각 끼워맞춤 결합을 생성하는 내부 구조부(홈 등)가 외측부에 구비되어 있는 경우에 축 방향 힘에 대한 추가 안정성이 제공될 수 있다.

도 4a와 4c에 도시되어 있는 구성에서, 내측부(21)와 외측부(22)의 돌출부(28)의 원위단부는 대략 동일한 축 방향 깊이로 연장되는 것으로 도시되어 있다(바닥의 선은 동일한 높이에 있는 것으로 도시됨). 이는 요구 조건은 아니다. 오히려, 내측부(21)에 의해 형성되는 내부 돌출부와 외측 돌출부/외측 돌출부들의 축 방향 연장부는 일반적으로 요구 조건에 따라 서로 독립적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 내측부(21)는 외측부의 돌출부(28)보다 더 멀리 연장되거나 이보다 덜 멀리 연장될 수 있다.

특별한 구현예에 있어서 상기 내측부는 조립 상태에서 근위단 표면(도 4c, 화살표(h)의 바닥에 도달하는 면)에 의해 한정되는 면에 도달하지 않도록 연장되어 제1 물체에 압착되지는 않지만 다만 압착력으로 인해 근위단 방향으로 흐른(유동부의 역류) 유동성 열가소성 재료에 매립된다.

도 4d는 제1 (내측)부(221)이 제2 물체의 원위단부에 도달하지 않는 변형을 도시하고 있다. 오히려, 플라스틱 재료의 제2 부분(222)은 적어도 하나의 원위단 돌출부(28)와 적어도 하나의 내부 (중앙) 원위단 돌출부(27)를 모두 포함하고 있다. 이전의 구현예들에 있어서와 같이, 제2 물체는 축(10)을 중심으로 하는 회전에 대해 원형 대칭적이거나 별도의 원위단 돌출부를 가질 수 있다(도 4a에 도시되어 있는 바와 같이).

이와 달리, 도 5a와 5b의 구현예는 제1 물체가 평면인 경우에도 제1 물체에 제2 물체를 고정시키는데 적합하다. 이를 위해, 상기 제2 물체는 액화된 재료가 유입되도록 복수 개의 구조 부재를 포함하며, 상기 구조 부재는 축 방향으로 서로 이격, 즉 고정 중에 제1 물체의 표면 평면에 평행한 면을 따라 연장되어 있다. 상기 구조 부재 중 적어도 일부는 언더컷을 한정한다.

보다 특별하게, 도 5a와 5b의 구현예에서는 상기 제2 물체가 180°보다 큰 중심각을 가진 원형부의 단면 형상을 가져 언더컷이 생성되도록 하는 복수 개의 요입부(35)를 포함한다. 요입부(35)는 도면의 지면에 수직인 면을 따라 홈으로서 연장되거나 다른 형상과 구성으로 존재할 수 있다.

도 5b에 도시되어 있는 바와 같이, 압착 및 진동을 공구에 결합시키는 단계는 제1 및 제2 물체 사이의 경계에서 표면적으로 액화가 시작되도록 할 것이고 이후 액화된 열가소성 재료는 요입부로 유입되어 언더컷으로 인해 재고화 후 제1 물체에 제2 물체를 체결할 것이다.

이 구현예와 본 발명의 다른 구현예들의 다른 선택적 특징이 도 5b에 개략적으로 도시되어 있다. 제2 물체가 제1 물체에 압착될 때, 제1 물체에는 대항력이 작용해야 한다. 많은 구현예에 있어서, 이 대항력은 예를 들면 작업대 또는 바닥 또는 전용 지지부에 의해 그 위에 제2 물체가 위치되는 비진동 지지부에 의해 가해질 것이다. 이러한 비진동 지지부는 많은 경우에 제2 물체의 바로 아래에 있는 제1 물체의 부분(더 일반적으로는 제1 물체와 제2 물체 사이의 경계로부터 원위단으로 연장되어 있는 제1 물체의 부분)이 지지되도록 배치될 것이다. 그러나 이는 반드시 그럴 필요는 없다. 도 5b에서 지지 구조부(41)는 제2 물체 바로 아래에 제1 물체에 대한 지지부가 없는바, 즉 제1 물체의 원위단 표면이 노출된다. 이는 제1 물체의 원위단 표면이 접합 공정에 의해 영향을 받아서는 안 되는 잘 정의된 형상 또는 다른 특성을 갖는 상황에서 유리할 수 있다.

노출되어 있는 상기 제2 물체에 대한 경계면 원위단에서 제1 물체의 원위단 표면이 갖는 특징은 도 5b를 참고하여 기술되어 있는 다른 특징들과 무관한바, 즉 다른 구현예들에서도 구현될 수 있고 도 5a와 5b의 구현예는 또한 원위단 표면이 지지되는 배열로 수행될 수 있다.

평면 접합의 일례인 도 5a와 5b의 구현예에서는 혼합 영역의 깊이(d_i)는 제2 물체가 제1 물체로 침투하는 침투 깊이(d_p)보다 더 크다. 이는 특히 이들 구현예가 무엇보다도 제2 물체를 다소 평평한 제1 물체 또는 깊이 유효한 고정이 불가능한 다른 물체에 접합시키는데 특히 적합하다는 사실을 잘 도시하고 있다. 그럼에도 불구하고, 이들 구현예는 접착제 접합의 전술한 단점들을 특징으로 하지 않는다.

적어도 하나의 측방향 치수 및 종종 양측방향 치수에 있어서 평면 접합의 구현예에 있어서 접합부/혼합 구역의 폭(w)은 침투 깊이보다 실질적으로 더 큰바, 이는 평면 접합의 또 다른 가능한 특성이다.

도 6a-6d를 참고하여 조합형 접합 공정을 설명한다. 제2 물체(2)는 도 1a-2를 참조하여 기재한 형상과 유사하고 복수 개의 돌출부와 상기 돌출부들 사이에 요입부를 포함하는 고정부를 갖는 형상을 갖는 것을 전제로 한다. 상기 제2 물체는 제1 물체의 액화 온도보다 실질적으로 더 높은 액화 온도를 가진 열가소성 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 제2 물체는 PEEK로 제조될 수 있고, 상기 제1 물체는 PBT 또는 폴리카보네이트로 제조될 수 있다.

상기 제1 물체는 제2 물체가 고정되어 있는 관통 보어(20)를 포함하고 있다.

이를 위해, 도 6b에 도시되어 있는 제1 단계에서는 제1 물체의 열가소성 재료의 액화가 시작하기까지 제2 물체가 제1 물체에 압착되고 기계적 진동이 제2 물체에 결합되어 제2 물체가 원위단 방향을 향해 전진하는 반면에 제2 물체의 요입부(5)로 제1 물체의 열가소성 재료의 흐름(11)이 일어난다.

이 구현예에 있어서 제1 물체가 위치되어 있는 지지부(42)는 제1 물체가 지지부에 인접할 때 공동(44)을 형성하는 몰드부를 포함하고 있다. 제2 물체의 길이는 공정의 어느 단계에서 헤드부(6)의 원위단에서 대면하는 정지면이 제1 물체에 인접하기 전에 고정부의 원위단부가 지지부(42)에 인접하도록 크게 제공된다. 이후, 제2 물체(2)의 열가소성 재료가 유동성이 되어(도 6c에서 흐름(51)) 공동을 채울 때까지 압착력과 기계적 진동이 더 가해지고 경우에 따라서는 강도가 커질 수 있다. 이로 인해 제2 물체가 헤드 부(6)와 풋부(52)에 의한 추가 리벳 효과(도 6d)에 의해 제1 물체에 결합될 것이다.

상기 제1 물체의 열가소성 재료가 고정에 기여하는 것 외에 제2 물체의 구조부로 유입되는 사실에 의해 밀봉 효과가 일어난다.

도 6a-6d의 구현예 및 다른 구현예에서 제1 및 제2 물체는 모두 본질적으로 균질하다고 전제되지만 반드시 그럴 필요는 없다. 오히려, 상기 제1 및/또는 제2 물체는 서로 다른 재료의 부분들을 포함하는 혼성형일 수 있다. 설명을 위해 도 7a는 예를 들어 도 6a-6d를 참조하여 도시한 공정에서 제1 물체에 접합될 제2 물체(2)가 금속부(61)와 예를 들면 PEEK의 원위단 플라스틱부(62)을 포함하는 구현예를 도시하고 있다.

도 7b에 도시되어 있는 변형예에서, 원위단 플라스틱부(62)는 양각 끼워맞춤방식으로 금속부(61)에 연결되는 피복 부재이다. 도 7c는 앞서 도시한 바와 같이 풋부(52)를 형성하는 플라스틱부(62)의 변형부를 갖는 공정 후 상황을 도시하고 있다.

추가 리벳 효과를 갖는 조합형 접합 공정의 구현예들은 다른 구현예들을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 설명되어 있는 바와 같이 제1 물체와 추가 물체를 서로 고정시키는 제2 물체에 의해 구성되는 리벳형 커넥터에 의해 제1 물체에 추가 물체를 접합시키는데 또한 특히 적합하다.

도 7d는 금속부(61)와 플라스틱부(62)를 가진 혼성 제2 물체(2)가 예를 들어 도 1a-1d 또는 2를 참조하여 전술한 종류의 공정에서 커넥터로서 적합할 수도 있음을 도시하고 있다.

도 8은 제2 물체(2)의 다른 구현예를 도시하고 있다. 도 3a와 3b의 2개의 부품으로 이루어진 구현예와 유사하게 상기 제2 물체는 제1 물체의 열가소성 재료가 그 사이에 흐를 수 있는 내측부(21)와 외측부(22)를 포함하고 있다. 보다 특별하게, 내측부(21)는 축 방향에 대해 언더컷을 형성하는 외측 구조부(4, 5)와 축 형태이다. 추가로 또는 선택적으로, 외측부(21)는 언더컷을 형성하는 도시된 홈(71)과 같은 안쪽으로 대면하는 구조부를 갖고 있다.

도시된 구현예에서, 상기 제2 물체는 내측부와 외측부(21, 22)를 형성하는 일체형으로 이루어져 있다. 구현예들에 있어서 4a, 4b, 4, 8 등과 같이 갭(23)은 중앙 돌출부(21)를 둘러싸는 원위측에 개방된 개구부로서 볼 수 있다.

단 하나의 핀 형상의 샤프트를 갖는 구현예에 비해 내측부와 외측부를 갖는 구현예는 내측부와 외측부 간 상호 작용으로 인해 특히 제1 물체의 열가소성 재료가 비교적 연질니거나 얇거나 취성이 있는 경우에 추가로 고정 안정성을 제공한다.

도 9의 구현예에 있어서, 제2 물체(2)는 예를 들어 고체 금속 재료의 본체(73) 및 금속 발포체 또는 금속 메쉬(mesh)와 같은 개방된 다공성 재료의 상호 침투 부품(74)을 포함하고 있다. 상호 침투 부품은 고체 금속 재료에 체결되어 있다. 본체(73)는 근위단에서 대면하는 내부 결합면의 적어도 일부를 형성하고 상호 침투 부품(74)은 제1 물체와 접촉하는 표면부의 적어도 일부를 형성한다. 기계적 진동과 압착력의 효과에 의해 열가소성 재료는 상호 침투 부품 안으로 침투하고, 개방된 다공성 구조로 인해 언더컷을 형성하여 결합 구조부를 형성한다.

도 10의 구현예는 안쪽으로 대면하는 결합 구조부를 갖고 있는 구현예의 일례이다. 더 특별하게는, 제2 물체(2)는 열가소성 재료가 침투하는 언더컷 요입부(35)를 갖고 있다. 외부 원위단 팁 또는 에지(3)는 에너지 디렉터로서 작용한다. 원위단 에지(3)의 바깥쪽 굴곡으로 인해 제2 물체의 외부 표면(75)은 또한 축 방향에 대해 언더컷을 갖는 결합 구조부를 형성한다. 도 10의 구현예는 침투 깊이를 초과하는 혼합 구역의 깊이가 다소 평평한 연결 대신에 점 연결(point connection)을 위한 부재에 적용되는 도 5a와 5b를 참조하여 기재되어 있는 원리의 일례이다.

도 11은 침투 깊이를 초과하는 혼합 구역의 깊이를 가진 다소 평평한 연결의 다른 구현예를 도시하고 있다. 상기 구현예는, 예를 들어 제2 물체(2)가 직접 부착되어 있지 않은 표면부(제2 물체 주위의 원위단 표면부들 및/또는 근위단에서 대면하는 표면부들)는 일정 품질을 유지할 필요가 있기 때문에 연결의 충격이 최소화되어야 하는 제1 물체에 대한 다소 평평한 연결을 위해 최적화된 구현예의 일례이다. 도 5a/5b에서와 같이 접합 원리는 언더컷 요입부(35)를 기반으로 한다. 도 11의 구현예에서는 다음과 같은 형태들을 구현한다:

- 제2 물체(2)는 에너지 디렉터로서 작용하여 돌출 구조부 주위에서 액화를 신속하게 개시하도록 하는 원위단 에지 또는 팁(3)을 갖는 돌출 구조부 (36)을 포함한다.

- 돌출 구조부의 체적(V₁)은 열가소성 재료가 유입될 수 있는 요입부의 체적 V₂보다 작거나 같다(도 12 참조). 이때 체적(V₁, V₂) 간 이격 깊이(도 12의 파선)는 제2 물체가 제1 물체에 삽입되는 깊이에 해당하는 것으로 정의되는바, 즉 상기 파선은 제1 물체의 근위단에서 대면하는 표면에 의해 한정되는 높이에 해당한다. 이 형태에 의하면, 돌출부에 의해 위치 이동되는 열가소성 재료의 모든 부분에 대해 바로 근처에 유동 공간이 있도록 보장된다. 이에 따라, 상기 방법의 실시는 재료의 이동을 최소화하여 열 흐름을 최소화한다.

- 요입부와 돌출부를 서로 바로 옆에 배치한다. 즉, 돌출부(36)와 요입부 (36) 사이의 거리(e)가 없거나(도 13) 이러한 거리를 최소화한다. 또한 이 형태에 의하면 재료의 흐름과 이에 따른 열 흐름이 최소화된다.

도 11의 구현예에 있어서, 도시되어 있는 구조부는 원통형으로 도면의 지면에 수직으로 연장될 수 있다. 이와 달리, 상기 요입부 또는 돌출부는 원형이거나 또는 양측 방향 치수로 한정되는 또 다른 형상을 가질 수 있고 표면상에 패턴으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 물체는 각각 능형 돌출부에 둘러싸인 돔 형상(특히 구형의 돔 형상)의 요입부들의 규칙적인 배치구조를 가질 수 있다. 또는 산 모양의 돌출부가 그 사이에 홈 모양의 요입부를 가진 패턴을 형성할 수 있다. 분할된 다른 배치구조도 가능하다.

도 11은 또한 제2 물체에 대한 접합 영역에서 침투 깊이보다 더 큰 혼합 영역의 깊이에 의해 유효 두께(d_eff)가 물체의 실제 물리적 두께(d)에 비해 증대되어 있는 것을 도시하고 있다.

도 11의 구현예에서는 팁 또는 에지형 돌출부로 인해 고정에 비교적 큰 깊이가 요구된다. 이와 다른 구성에서는 예를 들어 도 14에 간단히 도시되어 있는 바와 같이 원형 돌출부(36)를 사용함으로써 에지 또는 팁의 에너지 지향 효과와 보다 작은 깊이의 요구 조건 간에 절충이 이루어질 수 있다.

도 15에 도시되어 있는 바와 같이 더 예리한 형상을 포함하는 다른 단면 형상들도 가능할 수 있다. 이러한 형상은 선택된 제조 방법에 따라 절단 또는 밀링과 같은 방법에 의해 제조하기가 더욱 용이할 수 있다. 보다 일반적으로, 제1 물체의 제조는 주조법뿐만 아니라 재료 제거 방법 또는 언급한대로 개방된 다공성 구조부를 사용하는 것을 포함할 수 있다.

예를 들어 도 11에 도시되어 있는 종류의 제2 물체(2)에 비해, 일반적으로 평평한 원위단부면(81)을 가진 도 5a 또는 도 16에 도시되어 있는 제2 물체의 경우에 에너지 충격과 요구되는 압력이 더 높다. 이러한 종류의 물체들은 매우 얇은 제1 물체(유기 시트 재료와 같은)에 고정시키기에 특히 적합하다. 상기 접합은 침투 깊이당 최대 강도에 대해 최적화된 반면에, 일반적으로 제1 물체의 접합 공정의 영향은 도 11의 구현예와 다른 구현예들에서보다 더 높다.

전술한 구현예에 있어서, 축(근위단에서 원위단) 방향에 대해 언더컷을 포함하여 양형 끼움 연결을 가능하게 하는 결합 구조는 제2 물체의 소정의 특성이다. 이하, 이러한 형태의 잠금 구조가 공정 중에 변형에 의해 형성되는 구현예를 기재하기로 한다.

도 17a는 이러한 원리의 기본 구현예를 도시하고 있다. 제2 물체(2)는 주요부(90)와 주요부(90)의 원위단으로 연장되어 있는 복수 개의 변형이 가능한 레그부를 포함하고 있다. 제2 물체의 재료는 레그부의 소성 변형 및/또는 레그부의 탄성 변형이 가능하도록 할 수 있다. 구현예들에 있어서, 제2 물체는 금속으로 제조되고, 레그부는 접합 공정 중에 적용되는 조건에서 변형을 가능하게 하기에 충분히 얇은 두께의 시트부이다. 이와 달리, 제2 물체는 적절히 선택된 함량의 보강재를 갖는 폴리머계 재료 또는 임의의 다른 적합한 재료 또는 응집물로 이루어질 수 있다.

도 17b는 제1 물체(1)에 고정된 제2 물체(2)를 도시하고 있다. 기계적 에너지와 압착력의 영향으로 삽입시 레그부(91)는 바깥쪽으로 넓어지도록 변형되어 재고화 후에 결합 구조부를 생성한다.

도 18은 도 3a/b 및 도 17a/b의 구현예의 원리를 조합한 구현예를 나타내고 있다. 변형이 가능한 부분(91)(변형이 가능한 레그부 또는 다른 변형이 가능한 구조부)을 가진 외측부(22)를 포함하는 것 외에, 제2 물체는 또한 도시된 구현예에서 변형이 가능하지 않은 내측부를 포함하고 있다.

도 18은 또한 도 18의 구성과는 무관하게 적용 가능한 2개의 다른 원리들을 도시하고 있다.

첫째, 구현예들에 있어서 상기 방법은 제2 물체가 제1 물체에 접합되는 동안 제2 물체의 부근에서 제1 물체의 근위단부면에 유지 장치(93)를 압착하는 것을 포함한다(도 18에서 상기 유지 장치는 좌측면만 보일 뿐이지만 제2 물체를 완전히 둘러쌀 수도 있음). 이에 의해, 제2 물체를 제1 물체에 압착함으로써(도 1b/1c 참조) 생기는 융기부 등이 생기지 않는다.

둘째, 도 5, 10, 11 등의 구현예들과 유사하게, 상기 공정은 제2 물체의 내부 공간, 여기서는 내측부와 외측부 사이의 공간으로 재료의 역류가 일어나도록 수행될 수 있다. 이에 의해 공정 중에 흐른 열가소성 재료의 가장 근위단 부분은 초기 근위단부면의 근위단에 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 역류는 유효 고정 깊이를 증가시킨다. 구현예들에 있어서, 전술한 종류의 유지 장치(90)는 압력이 제2 물체 주위에서 유지되고 역류가 그 주위 대신에 내부 공간/공동 내에 있게 됨으로써 공정을 보조할 수 있다. 도면에 나타낸 양(Δh)은 재료가 제2 물체 주위의 근위단부면 대비 내부 유입된 차이를 보여 주는 것으로 이 양(Δh)은 증가된 유효 고정 깊이에 해당하는 것일 수도 있다.

도 19는 제1 및 제2 물체의 조립체가 초음파봉(7)에 의해 압착하는 지지부(42)가 제2 물체(2)의 변형이 가능한 부분의 변형을 돕는 성형 형상부를 갖는 구현예의 일례를 도시하고 있다. 특히 도 19에 도시되어 있는 구현예에서는 지지부(42)가 제1 물체(1)의 대응 요입부와 연동하는 성형 돌출부를 갖고 있다. 상기 성형 돌출부는 공정 중에 액화되지 않고 연화되지 않는 재료로 이루어진다. 또한 경우에 따라 돌출부(46) 또는 다른 성형 형상부를 포함하는 지지부는 예를 들어 활발하게 냉각됨으로써 냉각 효과를 가져 제1 물체의 재료가 그와의 경계에서 경질을 유지할 수 있다. 이로써, 변형이 가능한 부분은 변형 과정에서 도 19에 도시되어 있는 바와 같이 성형 형상부로부터 돌출되도록 안내된다. 보다 특별하게는, 상기 변형이 가능한 부분을 구성하는 변형이 가능한 레그부는 성형 돌출부(46)로부터 바깥쪽으로 굴곡되도록 한다.

도 20은 성형 형상부가 성형 요입부(44)를 포함하여 변형이 가능한 레그부가 도 20에 도시되어 있는 배치구성으로 안쪽으로 굴곡되도록 하는 또 다른 구현예를 도시하고 있다. 다양한 다른 대안들이 가능하다.

일반적으로, 제2 물체는 제1 물체에 부착될 다른 물체에 대한 앵커로서 역할을 하는 목적을 갖거나 그 자체가 이러한 제2 물체가 될 수있다(상기 도면에서, 제1 물체는 이러한 목적을 위해 기능 구조부 없이 도시되어 있지만 체결 구조부나 다른 기능 구조부와 같은 임의의 이러한 구조부들이 가능하다).

이하, 접합 공정에서 제2 물체를 접합 공정에 의해 추가 물체(“제3 물체)에 접합함으로써 상기 추가 물체를 제1 물체에 접합하는 구현예를 기술하기로 한다.

도 21a는 기본 구성을 도시하고 있다. 제1 물체가 추가 제3 물체에 접합하는 구현예에 있어서 커넥터로서 기능하는 제2 물체(2)는 헤드부가 없는 도 1a의 커넥터와 유사하게 도시되어 있다. 이와 달리, 다른 형상의 제2 물체가 가능한데; 특히 헤드부를 가진 제2 물체를 포함하여 깊이-유효한 고정에 적합한 것으로 본 명세서에 기재되어 있는 모든 물체를 사용할 수 있다. 제3 물체(100)는 제1 물체(1)와 유사한 열가소성 본체로서 도시되어 있다. 제3 물체는 제1 물체(1)의 근위단면에 대향 위치되어 있다. 접합을 위해서 제2 물체(2)는 제3 물체(100)와 제1 물체 모두를 통해 도 21b에 도시되어 있는 바와 같이 제1 및 제3 물체 모두에 고정되도록 될 수 있다.

제3 물체는 제1 물체(1)의 열가소성 재료에 용접될 수 있는 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 제3 물체는 동일한 폴리머 기지를 가진 열가소성 재료로 이루어질 수 있다. 제2 물건 주위의 영역에서, 공정에서 야기된 액화로 인해 원(101)으로 표시되어 있는 바와 같이 용접이 이루어질 수 있다. 보다 일반적으로, 공정에서 제3 물체의 재료는 제1 물체로 압착되어 재고화 후 연결에 기여한다. 이는 제1 및 제3 물체의 재료는 액체 상태에서 섞이지 않기 때문에 용접될 수 없는 경우에도 적용된다.

제3 물체의 재료를 통해 이루어지는 것 이외에 또는 이에 대한 선택으로서, 제2 물체(커넥터)는 제3 물체의 미리 제조한 개구부를 통해 그의 원위단 부분이 제1 물체에 고정되도록 할 수 있다. 이러한 미리 제조한 개구부는 제2 물체가 실질적으로 저항 없이 개구부를 통해 도달하게 하는 직경을 갖거나(후술되는 구현예 참조) 실질적인 저항을 받아 기계적 에너지가 또한 그곳에서 흡수되도록 할 수 있다.

도 22는 제2 물체(2)의 변형예를 도시하고 있다. 이 변형예는 원위단에서 대면하는 오목부(111)에 의해 야기되는 압축 구조를 갖는 점에서 전술한 구현예와 구별된다. 이 부분은 제3 물체(100)의 열가소성 재료가 제1 물체에 압착되게 하여 매우 뚜렷한 혼합을 얻고 경우에 따라 제1 및 제2 물체의 재료들 사이를 용접할 것이다.

도 23은 상술한 의미에서 커넥터로서 적합한 제2 물체(2)의 또 다른 예를 도시하고 있다. 특히 도 23에 따른 제2 물체(2)는 특히 제조가 용이하며 저가의 물품으로서 제조할 수 있다. 보다 특별하게는 제2 물체는 예를 들어 금속의 시트부를 포함한다. 상기 시트부는 미늘(113)을 가진 복수 개의 레그부(112)를 형성하고, 이때 모든 레그부는 연결부(114)로부터 연장되어 있고 상기 연결부와 일체화되어 있다. 제2 물체는 연결부(114)로부터 레그부를 단순하게 멀리 굴곡시키고 레그부(112)를 굴곡시켜 미늘(113)을 갖게 함으로써 펀칭된 금속 시트로부터 제조할 수 있다.

유사하게, 도 24a와 24b의 구현예는 그로부터 연장되어 있는 복수 개의 레그부를 가진 헤드부(114)(또는 연결부)를 갖고 있다. 도 24a는 중간 부품으로서 펀칭된 금속 시트를 도시하고 있고 도 24b는 상기 중간 부품을 굴곡을 통해 변형시켜 얻은 제2 물체(2)를 도시하고 있다. 레그부에는 추가 안정성을 위해 비드 또는 홈(도 23에 대해 동일하게 적용됨)이 제공될 수 있다.

이 구현예에 있어서, 미늘 대신에 레그부(112)는 원위단 화살표 부분(115)을 갖는다. 조합이 가능할 것이다.

레그부에 의존하지 않는 추가 선택적 특징부는 예를 들어 칼라부(117)와 함께 조립 공정 중에 안내용으로 사용할 수 있는 중앙의 홀(116)에 의해 구성된다. 제2 물체에 또 다른 물체를 체결시키는 것을 포함한 이러한 홀 및/또는 칼라부의 다른 용도가 가능하다.

도 25는 구멍이 형성된 금속 중공형 실린더(121)에 의해 형성되는 제2 물체를 도시하고 있다. 상기 금속 실린더의 관통 구멍(122)은 공정에서 열가소성 재료에 의해 상호 침투될 수 있어 이로 의해 양각 끼워맞춤 고정이 가능해진다. 관통 구멍의 체적 비율이 50%에 가깝거나 50%를 넘는 것이 근위단 가열을 최소화하기 위해 유리할 수 있다.

도 26의 제2 물체는 또한 중공 원통형으로 형성된 금속 메쉬(125)를 포함하고 있다. 작용 원리는 중공 실린더의 작용 원리와 유사한데, 상기 메쉬는 열가소성 재료가 상호 침투할 수 있게 하는 역할을 한다.

중공 실린더로 형성되는 대신에, 천공된 금속 시트 또는 메쉬는 상술한 종류의 커넥터를 구성하기 위해 다른 형상으로 될 수 있다. 도 27은 선택안으로서 나선형 형상을 개략적으로 도시하고 있다.

원통형(도 25 및 26) 및 재료가 안정한 나선형 형상 이의의 추가 선택은 예를 들어 길이 치수를 따라 연장되어 있는 파형 형상이다. 이러한 파형의 진폭은 시트 또는 메쉬의 두께의 적어도 5-10배일 수 있다.

추가 변형예는 정사각형(축 방향에 수직인 단면으로) 또는 곡선부 또는 좌굴부를 가진 폐쇄 또는 개방된 형상이다.

도 22-27뿐 아니라 아래의 도 37을 참조하여 설명한 바와 같은 구조를 가진 제2 물체는 일반적으로 매우 얇아서 좌굴에 취약할 수 있다. 이를 위해, 용도에 따라 근위단 커넥터 구조가 안정성을 제공하는 것이 유리할 수 있다.

도 28은 공정 중에 제2 물체에 추가적인 기계적 안정성을 제공하기 위해 나선형 금속 시트 또는 메쉬를 가진 제2 물체(2)의 근위단 연결부 역할을 하는 홈(142)을 가진 캡(141)을 도시하고 있다.

도 22-28 뿐 아니라 아래의 도 37을 참조하여 설명한 바와 같은 얇은 구조를 가진 제2 물체는 상대적으로 얇은 제1 물체에 고정시키기 적합하고 나아가 최소 에너지가 입력된다. 얇기 때문에 이동되는 체적은 매우 적고 용융 구역은 매우 국소적일 것이다. 이는 전체 압력과 전체 에너지 입력을 최소화한다.

도 22-28을 참조하여 설명한 종류의 커넥터로서 제2 물체(2)는 본 명세서에 기재되어 있는 공정에 의해 제1 및 제3 물체를 스테이플형 또는 핀형으로 상호 체결하는데 특히 적합할 수 있다. 여기에서, 근위단에서 원위단으로 고정축에 대해 제1 및 제3 물체가 서로 배치되는 방법은 다양할 수 있는데, 특히 다른 방법 대신에 제1 물체를 통해 제3 물체에 커넥터를 압착할 수도 있다.

도 29a와 29b는 커넥터를 사용하여 제3 물체(100)를 제1 물체(1)에 연결시키는 원리의 특별한 적용예를 도시하고 있다. 상기 제2 물체는 원주 방향으로 돌출해 있는 부분(131)이 본체(132)로부터 원위단으로 연장되어 있는 모자형 형상을 갖는 것을 전제로 한다.

이 특별한 예에서, 제3 물체(100)는 제2 물체(2)의 삽입에 의해 압축되는 발포체(압축 부분(102))를 포함한다. 선택적으로, 상기 제2 물체는 발포체가 열가소성 특성을 갖는 경우에(반드시 필요하지는 않음) 압축된 재료가 흘러가게 할 수 있는 이완 개구부(133) 또는 다른 형상부를 포함할 수 있다. 도 29b는 해당 유출부(103)를 도시하고 있다.

도 29a와 29b는 발포 재료를 제3 물체에 체결하는 것을 도시하고 있지만, 이와 유사하게 이 방안에 의해 또 다른 재료, 예를 들어 제2 물체 또는 미리 제조한 보어가 제공되어 있는 물체의 원위단 구조에 의해 절단될 수 있는 연질 및/또는 탄성체 재료의 제3 물체가 이들 구조부에 대해 체결될 수 있다.

도 30의 구현예에서 제3 물체(100)에는 제2 물체의 원위단부가 제1 물체와 접촉하도록 관통하여 전진될 수 있는 보어(109)가 제공되어 있다. 이때 제3 물체(100)는 열가소성일 수 있고 보어(109)는 제2 물체에 대해 작게 치수화되어 삽입시 저항을 겪고 보어(109)의 제3 물체의 재료가 이동될 수 있다. 이와 달리, 제3 물체는 액화가 불가능한 재료로 이루어질 수 있다. 이 경우, 보어(109)는 제2 물체의 원위단부가 상기 보어에 끼워지거나 원위단 팁 또는 원위단 에지가 제3 물체의 재료를 절단하도록 치수화될 필요가 있다.

도시된 구현예에서 제2 물체는 보어(109)를 통해 제2 물체의 원위단부를 밀림 이동시킬 수 있지만 액화와 재고화 후에 제1 물체(1)에서 고정을 가능하게 하는 탄성 미늘 구조부(118)를 포함하고 있다. 상기 제2 물체는 또한 제1 물체(1)에 제3 물체(100)를 고정시키는 근위단 헤드부(6)를 갖고 있다.

탄성 미늘 구조부(118)를 갖는 것에 대한 대안으로서, 도 30의 것과 같은 구성에서 제2 물체는 예를 들면 도 31에 도시되어 있는 바와 같이 근위단 헤드부(6)를 가진 도 1a의 형상과 유사한 형상을 가질 수도 있다.

도 32는 예를 들어 전체가 금속인 제2 물체(2)가 제1 물체의 관통 개구부(20)에 고정되어 있는 구현예를 도시하고 있다. 상기 관통 개구부는 원위측을 향해 좁아지고(접시형) 상기 제2 물체는 이에 따라 끝이 좁아져 개구부 둘레에 고정된다. 제1 물체(1)는 열가소성 시트인 것을 전제로 한다.

제1 물체에 대한 제2 물체의 접합부는 도 5a/5b; 11 등과 관련하여 교시되어 있는 것과 유사한 다소 평평한 접합부로서 침투를 위한 구조부가 제2 물체의 접합 표면이 평면이 아닌 원뿔형이더라도 예리하게 돌출된 구조부(36)와 요입부(35)에 의해 형성되어 있다.

도 33은 제1 물체의 관통 개구부(20)가 테이퍼형이 아닌 계단형인 대안을 도시하고 있는 것으로, 돌출 구조부(36)와 요입부(35)를 포함하는 체결 표면이 계단 둘레에 고정되어 있다.

도 34에 도시되어 있는 또 다른 대안에 따르면, 제2 물체(2)가 시트형 제1 물체(1)의 근위단 표면 위로 돌출될 수 있다면, 제2 물체의 헤드형 근위단 연장부(6)는 제2 물체를 개구부의 테두리에 연결시키는 구조부(35, 36)를 포함하는 원위단부면을 가질 수 있다.

도 35의 변형예에서는 도 32의 것과 유사한 구성에 대해 2개의 선택적 추가 특징들이 구현되어 있다(상기 특징들은 서로 독립적으로 구현될 수 있고, 이들을 조합하는 것이 유리하다).

- 구조 부재(35, 36)의 크기는 원위단을 향해 감소한다.

- 제2 물체의 테이퍼의 개방각(α)은 관통 개구부(20)의 테이퍼의 개방각 (β)보다 커서 제2 물체는 더 중심에 있는 원위단 위치보다는 더 주변에 있는 근위단 위치로 더 침투한다.

2개의 형태 모두 더 많은 에너지를 흡수하고 더 많은 재료가 개구부 주변의 더 원위단의 중앙 위치보다는 더 근위단의 주변 위치에서 액화되는 효과가 있다. 상기 효과에 의해 제1 물체의 원위단 표면이 온전하게 유지된다.

도 36은 도 11의 구현예의 변형예로서, 접합을 이루는 구조 부재가 제2 물체(2)의 외주면으로 한정되는 것을 도시하고 있다. 더 중앙 위치에서, 원위단 표면(151)은 정지면 및 접합면으로서 제공되며 이에 의해 축 방향 상대 위치를 정밀하게 한정한다. 이때 돌출 구조부(36)와 요입부(35)의 상대적인 체적에 관한 도 12의 고려사항이 특히 유리할 수 있다.

이에 따라 도 36은 제1 물체와 제2 물체 간 연결 영역이 그들의 상호 경계의 일부만을 구성하는 구현예를 매우 개략적으로 도시하고 있는 일례이다. 상기 경계의 다른 부분에서는 본질적으로 에너지가 전달되지 않고 액화는 일어나지 않을 것이다.

도 37의 구현예에 있어서, 제2 물체에 고정되는 돌출 구조부(161)는 제2 물체의 본체에 부착되고 축 방향에 본질적으로 평행한 방향으로 원위단으로 돌출해 있다. 상기 돌출 구조부는 예를 들어 도 23, 24b, 25와 26에 도시되어 있는 구조와 유사하게 형성될 수 있으며 특히 제조가 간단하고 비용 효율적이다.

좌굴과 관련하여 안정하기 위해서 금속 시트 또는 메쉬는 전술한 바와 같이 만곡 형상(예를 들어, 원통부를 형성함으로써) 또는 파형(도면의 지면에 수직으로) 또는 다른 비직선 형상으로 연장될 수 있다.

일례로, 제2 물체 (2)의 본체는 액화 가능한 재료(제1 물체의 열가소성 재료와 동일한 온도, 더 높은 온도 또는 심지어 약간 더 낮은 온도에서도 액화 가능함)로 이루어질 수 있고 돌출 구조부(161)가 이들에 주조된다. 구현예들에 있어서, 상기 구조부의 기공률은 적어도 50%일 수 있다.

Claims (55)

1. 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법으로서,
   - 고체 상태의 열가소성 액화 가능한 재료를 포함하는 제1 물체를 제공하는 단계;
   - 언더컷이 형성되어 있는 결합 구조부를 가진 표면부를 포함하거나 언더컷이 형성되어 있는 이러한 결합 구조부를 포함하도록 변형될 수 있어 제1 물체와 양각 끼워맞춤 결합할 수 있는 제2 물체를 제공하는 단계;
   - 상기 제2 물체의 내부 결합 구조와 물리적으로 접촉하는 공구에 의해 제2 물체를 제1 물체에 기계적 진동이 상기 공구에 결합되는 동안 압착하는 단계,
   - 상기 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부가 액화되고 상기 제2 물체의 결합 구조부로 유입될 때까지 압착 및 상기 공구에 진동을 결합시키는 단계를 계속하는 단계,
   - 상기 제1 물체의 열가소성 재료를 재고화되도록 하여 상기 결합 구조부를 상호 침투하는 액화 및 재고화된 유동부에 의해 상기 제1 및 제2 물체 간 양각 끼워맞춤 결합부를 생성시키는 단계
   를 포함하며, 상기 결합 구조부가 원위측에 개방된 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부를 포함하고, 상기 복수 개의 개구부는 축 방향에 대해 언더컷을 한정하며, 상기 유동부의 유동은 상기 언더컷을 한정하는 상기 개구부로 역류하는 것을 포함하며, 상기 개구부의 원위단부는 상기 방법 동안 제1 물체에 매립되는, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 물체의 결합 구조부가 유동부의 액화 온도보다 더 높은 온도에서 액화가 불가능하거나 액화가 가능한 재료로 이루어지는, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 물체에는 보어가 제공되고 상기 압착 단계에서는 제2 물체의 일부가 상기 보어 내로 압착되는, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2 물체에 의해 제3 물체를 제1 물체에 고정시키는, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 물체가 상기 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부를 가진 원위단부면을 포함하고, 상기 복수 개의 개구부는 유동부의 적어도 일부를 수용할 수 있는 복수 개의 공동이며, 상기 제1 물체에 제2 물체를 압착하는 것은 제1 물체의 근위단면에 원위단부면을 압착시키는 단계를 포함하는, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2 물체가 공동들 사이에 돌출부를 포함하며,
   압착 및 진동을 공구 내로 결합하는 단계 후에 상기 돌출부가 상기 제1 물체의 근위단면의 원위단으로 돌출하고 상기 공동은 상기 제1 물체의 근위단면으로부터 안쪽으로 연장되며, 상기 돌출부의 체적이 공동의 체적보다 작거나 동일한, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 압착 및 진동을 공구 내로 결합시키는 단계에 의해 제2 물체가 제1 물체로 침투하는 관통 깊이만큼 축 방향으로 제1 물체에 대해 이동하도록 하고 상기 침투 깊이는 제2 물체의 측방향 폭보다 작은, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부의 각각의 개구부는 원위측에 개방된 개구부로서 상기 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부의 원위측에 개방된 다른 개구부로부터 측 방향으로 이격된 개구부인, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 원위측에 개방된 개구부가 제2 물체의 돌출부를 둘러싸는, 제1 물체에 제2 물체를 접합시키는 방법.
10. 고체 상태의 열가소성 액화가 가능한 재료를 포함하는 제1 물체에 고정되는 연결 부재로서,
    상기 연결 부재는 언더컷이 형성되어 있는 결합 구조부를 가지거나 언더컷이 형성되어 있는 이러한 결합 구조를 포함하도록 변형될 수 있는 표면부를 포함하여 상기 연결 부재가 제1 물체와 양각 끼워맞춤 결합을 가능하게 할 수 있고;
    상기 연결 부재는 공구에 의해 접촉되도록 내부 결합 구조부를 더 가지며,
    상기 연결 부재는 제1 물체의 열가소성 재료의 유동부가 액화되어 결합 구조부로 유입될 때까지 기계적 진동이 공구 내에 결합되는 동안 상기 연결 부재의 내부 결합 구조부와 물리적으로 접촉하는 공구에 의해 제1 물체에 압착되도록 하여 열가소성 재료의 재고화 후에 결합 구조부를 상호 침투하는 액화 및 재고화된 유동부에 의해 제1 물체와 상기 연결 부재 사이에 양각 끼워맞춤 결합이 생성되도록 구비되며,
    상기 결합 구조부는 원위측에 개방된 그리고 측 방향으로 이격된 복수 개의 개구부를 포함하며, 상기 복수 개의 개구부는 축 방향에 대해 언더컷을 한정하며, 상기 유동부의 유동은 상기 언더컷을 한정하는 상기 복수 개의 개구부로 역류하는 것을 포함하며, 상기 개구부의 원위단부는 제1 물체에 매립되도록 구성되는, 제1 물체에 고정되는 연결 부재.
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