CZ20014455A3 - Způsob spojování těles a spojovací prvek pro tento způsob - Google Patents

Description

Daný vynález se týká způsobu spojování více těles spojovacími prvky.

Dosavadní.....st a v,......těch,n,i k z.

Racionální spojování dílů v průmyslové výrobě představuje jeden z hlavních problémů. Speciální porézní materiály, jako je dřevo, desky z lisované lepenky, porézní tvárnice nebo jiné materiály se dají jen obtížně zpracovávat. Vedle běžných metod, které spočívají na mechanických upevňovacích prvcích, jsou známy i jiné techniky. Jako příklad budiž zde zmíněno lepení.

Tepelné způsoby, které spočívají na natavování jistých materiálů, se těší stále větší oblibě. U nich se spojované povrchy, kupříkladu současně s jejich třením, přitlačí proti sobě, takže buď jedna ze základních látek spojovaných dílů, nebo další látka, se na základě tepla vzniklého třením nataví, čímž se jednotlivé díly spolu pevně spojí. Dnes známé způsoby mají různé nevýhody. Mechanická spojení, jako jsou šrouby nebo hřebíky, se v průběhu času snadno přetrhnou nebo uvolní. Speciálně zde budiž zmíněna problematika roztrhávajících se nebo uvolňujících upevňovacích bodů v nábytku z desek z lisované lepenky nebo podobných materiálů. To se týká příliš vysokých napěťových a nepříznivých zátěžových koncentrací.

Již odedávna známý hřebík má signifikantní výhodu.

Hřebík může být jednoduše a bez doplňkových přípravných prací ve velmi krátké době zpracován. Nevýhoda však spočívá v tom, že se u hřebíku jedná o spojení, které spočívá jen na třecím styku, a proto může být zatěžován jen relativně málo.

Navíc tato spojení často vedou, na základě vytlačení základního materiálu, ke štěpení spojovaných dílů.

Spojení materiálovým stykem, jak kupříkladu vznikají lepením, nemají sklon ke štěpení spojovaných dílů, vyznačují se však jinými nevýhodami. Ty kupříkladu spočívají v dlouhých čekacích dobách, které jsou nutné při sestavování dílů, nízké hloubce vniknutí lepidla do spojovaných dílů, nebo v obtížně kontrolovatelných množstvích lepidla (stékání).

Tepelné způsoby, které spočívají na natavování materiálů, směřují, co se týká racionálního zpracování, tendenčně do správného směru, a dají se hrubě rozdělit na dvě skupiny. První skupina spočívá v tom, že se kupříkladu povrchy dvou dílů, z nichž jeden sestává z termoplastického materiálu, přitlačují proti sobě, a rovnoběžně (relativně) se vůči sobě pohybují, takže vzniká třecí teplo. Takto natavená umělá hmota vytvoří po ochlazení spojení materiálovým stykem mezi oběma díly. To je však v praxi omezeno na povrch dílů. Hloubka vniknutí nataveněho materiálu a přítlačné tlaky jsou vždy malé, čímž jsou tato spojení zatížitelná jen velmi omezeně. Příslušné použití je kupříkladu známo ze spisu SB 2 061 1S3.

Druhá skupina tepelného způsobu spočívá v tom, že kupříkladu kolíčky nebo obdobné prvky, typicky z tavitelné umělé hmoty, se zastrkují do předběžně zhotovených otvorů • 9 9« • · • ·· · — — a následně se mechanickým vybuzením a tlakem natavují.

Příslušný způsob je kupříkladu znám ze spisu

PCT/EP95/02527. Signifikantní je přitom to, že se spojované díly musejí pro uchycení kolíčků nutně předvrtávat, popřípadě předupravovat, dříve než se kolíček vsadí do otvoru, a bočními stěnami na předem určených místech (jisté oblasti na vrtaných koncích a podél kolíčku) se mohou natavením spojovat. K tomu potřebná tepelná energie se vytváří zářením nebo pomocí ultrazvukem vybuzovaného tření.

Vlivem požadovaného (přesného) předvrtání se jedná o způsob, který vyžaduje více pracovních kroků.

PCT/CH98/00109 představuje způsob spojování dvou těles pomocí spojovacího prvku. Spojovací prvek se volně zavádí do průchozího otvoru. Následně dává spojovací prvek podnět částečně k natavení, takže vznikne povrchové spojení.

Ze spisu EP 0 268 957 je znám způsob spojování fólií.

Při něm se zašpičatělý spojovací prvek z termoplastického materiálu protáhne skrz fólii nebo desku, zatímco tyto jsou pomocí ohřátí uvedeny do částečně plastického stavu. Příklad provedení ukazuje hřebík, který se skrz fólii, která se nachází v částečně plastickém stavu, zarazil do netermoplastického podkladu. Způsob není vhodný k tomu, aby se spojovaly větší díly.

Úkolem zde diskutovaného vynálezu je uvedení způsobu, pomocí kterého se mohou racionálně vytvářet spojení mezi tělesy, přičemž se zabrání škodlivým koncentracím pnutí, a dosáhne se optimálního zavádění zatížení i do silně porézních materiálů.

změněný list ·* — 3a Podstata vynálezu

Úkol se řeší vynálezem definovaným v patentových nárocích.

Zde zveřejněný vynález spočívá ve způsobu spojování porézních materiálů, popřípadě ukotvování bodů zavádějících zatížení, v porézních a jiných materiálech. Spojení vytvářená tímto způsobem spočívají na materiálovém a tvarovém styku. Spojovací prvky, výhodně z tavitelné umělé hmoty, se přitom přitlačí na povrch tak, že tento prorazí a vniknou do pod ním ležící oblasti tělesa. Po dosažení definované úrovně zatížení a/nebo po dosažení určené hloubky vniknutí se spojovací prvky při zachování vnějšího zatížení změněný list ··· ·· ··· výhodně pomocí ultrazvuku mechanicky vybudí, takže se kontrolované částečně natavují. Samozřejmě se může mechanické vybuzování vytvářet kupříkladu i pomocí rotace.

Natavování se koná zpravidla v prohloubení, které vzniklo vniknutím spojovacího prvku skrz povrch do základního materiálu. Podobně jako u pístu v hydraulickém válci, je nenatavená část spojovacího prvku uspořádána v otvoru a těsně ho vyplňuje. Protože natavený materiál spojovacího prvku již nemůže z prohloubení uniknout, vytváří se na základě vnějšího zatížení vyšší hydraulický tlak. Ten a ultrazvukové oscilace vedou k tomu, že se natavený materiál vtlačuje do existujících a/nebo nově vytvořených dutin základního materiálu. Hloubka vniknutí je přitom závislá na povaze základního materiálu, teplotě, -frekvenci , amplitudě najížděcí rychlosti (posuvu), z vnějšku na spojovací prvek působící síle, geometrii, jakož i materiálu spojovacího prvku. Nataveným objemem spojovacího prvku se může určovat množství materiálu, vtlačeného do základního materiálu. Jestliže by bylo zapotřebí velmi mnoho materiálu, nebo velikost a počet dutin, vyskutujících se v základním materiálu, by nebyly známé, je možné použít spojovacích prvků, které se protahují plynule a stále.

Mechanickým vtlačením spojovacího prvku se navíc dosáhne toho, že se dosáhne stlačení základního materiálu, které výhodně působí na pevnost. Za normálních okolností by špičky pnutí, vznikající vtlačeným a zhutněným materiálem, vedly ke štěpení materiálu. Cílenou a vůči sobě přizpůsobenou aplikací ultrazvuku a vnějšího mechanického tlaku, jakož i provedením spojovacích prvků podle vynálezu, se ale dosáhne toho, že vznikající pnutí se odbourávají • ·· ·« • · · ♦ » | a k destrukci spojovaných prvků nedochází. Nicméně vznikající dutiny a štěrbiny se ihned vyplňují nataveným materiálem. Zde zveřejněný vynález umožňuje proto poprvé upevňovací prvky s působením do hloubky a bez předvrtáni ukotvit v jednom pracovním kroku v materiálech, zejména porézních materiálech, jako je dřevo, desky z lisované lepenky nebo pórobeton nebo jejich kombinace.

kontrolovaným, v určitých oblastech prováděným stlačováním materiálu v navazujících zónách se dosáhne toho, že spojovací prvky získají velmi silnou oporu i v silně porézních materiálech. Tím se dosáhne velmi vysokých mechanických vytahovacích sil. Doplňkovým prostorovým prostoupením stlačených ukotvujících zón a navazujících oblastí nataveným materiálem spojovacího prvku za vysokého tlaku pod povrchem materiálu se dosáhne, že se stlačený materiál ukotvující zóny doplňkově zpevní. Zajistí se proto optimální rozdělení zaváděných zátěží a odbourávání škodlivých špiček pnutí. Tak je kupříkladu poprvé možné i v lepenkových deskách, opatřených mel aminovou vrstvou, realizovat v jednom pracovním kroku trvalé a proti zatížení rezistentní ukotvení bodů pro zavádění zátěže bez předvrtávání. Teplem a tlakem se dřevo plasticky deformuje, vnitřní pnutí se silně odbourávají nebo vyrovnávají.

Na rozdíl od stavu techniky působí spojovací prvky zde zveřejněného vynálezu nikoliv jen v oblasti povrchu spojovaných prvků, nýbrž výhodně i v jejich vnitřku. Tím že není potřebné předvrtáni spojovaných dílů, což se zejména u daného způsobu projevuje ekonomicky příznivě, se navíc dosáhne toho, že jsou spojovací prvky, na rozdíl od způsobů, známých ze stavu techniky, které předvrtáni spojovaných dílů

0/

	• 9		9 ·	9	9 9	9 9
	• 9	• ·	• ·	9 9	9 '9	'9 9
	•	•	9 9	9	9 9	•
	•
	•	•	9 9	9	9 9	•
	• · 9 9	• · ·	• 9	9 9 9	99	9 9 9 9

požadují, více zatížitelné. Kromě toho se u procesu zpracování významně nebo úplně zabraňuje tvoření vzdutí. Cíleným odbouráváním vyskytujících se napěťových špiček v základním materiálu je možné i u velmi tenkých prvků ukotvovat velmi silné spojovací prvky bez předvrtávání. Pokusy ukázaly, že kupříkladu spojovací prvek podle vynálezu, který má tloušťku cca S mm, může být bez předvrtání ukotven do boku desky z lisované lepenky o tloušťce cca 20 mm. Ukotvování míst zavádění zatížení nebo spojovacích míst v porézních materiálech se tedy dramaticky racionalizuje. Tím, že předtím již není vyžadováno předvrtávání dílů, nebo je podle potřeby integrováno v jednom kroku, kupříkladu ve kterém spojovací prvek slouží k předvrtání před netavením, s^ jednak ušetří čas, jednak se mohou vyloučit drahá zařízení, a jednak se sníží požadavky na přesnost, které jsou jinak pro předvrtávání obvyklé. Zde znázorněným způsobem se proto mohou jednotlivé díly spojovat jednoduše jako kupříkladu pomocí hřebíků? po vzájemném přiložení spojovaných dílů k sobě se tyto v jednom pracovním kroku pevně pomocí spojení materiálovým a tvarovým stykem spojí. Na rozdíl od hřebíků toto mimo jiné garantuje optimální zavádění síly do spojovaných dílů.

Způsob podle vynálezu nevylučuje, že se podle potřeby jeden ze spojovaných dílů předvrtá. Tím se dosáhne toho, že to pro spojovací prvek splní účinek pro jeho vedení.

Spojování předvrtaného dílu s nepředvrtaným dílem představuje oproti způsobům, známým ze stavu techniky, signifikantní racionalizaci, protože vysoké požadavky na přesnost dvou vrtaných otvorů, které musejí být vůči sobě exaktně přizpůsobeny, není potřebná.

Výhodné vybuzování spojovacích prvků pomocí ultrazvuku (nebo ekvivalentním prostředkem) vede k tomu, že mezi vzájemně se troucími povrchy se dosáhne velmi vysokého střihového účinku, zejména rovnoběžně s hlavním směrem spojování. To vede k tomu, že se materiály, určené k natavení, které zpravidla sestávají z termoplastické umělé hmoty, stanou tekutými, čímž je zajištěno hluboké vniknutí do spojovaných dílů. To představuje značnou výhodu oproti způsobům, známým ze stavu techniky, které spočívají na tření pomocí rotace (svařování třením), a proto mají relativně malý střihový účinek. Navíc se při svařování třením vytváří pohyb kolmý ke směru svařování, což se známým způsobem negativně projevuje na hloubce ukotvení.

Výhodně se používají spojovací prvky z termoplastické umělé hmoty. Termoplastické umělé hmoty mají velmi vysoké mechanické tlumení, které se projevuje v nevratné absorpci energie. Na základě špatné tepelné vodivosti umělých hmot se to projevuje zejména u konstrukčních dílů, vybuzovaných velmi vysokou -frekvencí, kupříkladu ultrazvukem, tím že se tyto nekontrolované natavují. Přimícháním látek, které cíleně kontrolují mechanické tlumení, je poprvé možné zabránit nekontrolovanému natavování spojovacích prvků. Tím se dosáhne vyšší mechanické zatížitelnosti spojovacích prvků při zpracování. Zejména při mechanickém proniknutí krycími vrstvami se může dosáhnout zvýšené robustnosti, která se sekundárně projeví také na pozdější mechanické zatížitelnosti spojovacích prvků. Obzvláště výhodné jsou materiály jako mleté vápno, dřevná moučka, které se chovají izotropně, nebo materiály jako jsou vyztužující vlákna a jiné materiály, které se chovají anizotropně. Přes ·· · « fc fc · množství doplňkových materiálových komponentů se mohou cíleně nastavovat vlastnosti spojovacích prvků. Spojovací prvky mohou mít také částečně nebo v určitých zónách zvýšenou koncentraci doplňkových materiálových komponentů.

Tím mohou být doplňkově kontrolovány oblasti natavování.

Reakce při oscilacích spojovacích prvků může být řízena •frekvencí, geometrií, rozdělením hmotnosti, jakož i složením materiálu. Aby se dosáhlo obzvláště velkých výchylek spojovacích prvků, tak se -frekvence volí tak, že spojovací prvky oscilují svou rezonanční, resp. vlastní -frekvencí. Geometrií se doplňkově optimalizuje a podporuje reakce při oscilacích, zejména reakce při vlastních oscilacích.

Kupříkladu vlivem koncentrace hmoty nebo variací hustot na vhodných místech se dosáhne toho, že spojovací prvky reagují podobně jako soustava pružina / hmota - kyvadlo s jednou nebo více pružinami a hmotami. Přes cílenou anizotropii materiálů spojovacích prvků se dosáhne, že přenos zvuku je směrově závislý. Takto vytvářené zvukové můstky umožňují, že se energie zvuku odvádí na určitá místa a podle potřeby koncentruje. Možné zvukové můstky mohou být vytvářeny kupříkladu pomocí vláken. Místní změnou materiálového složení může být ovlivňováno mechanické tlumení, které mezi jiným představuje hmota pro částečnou absorpci energie materiálu. Tím se dosáhne toho, že se spojovací prvky ohřívají jen na diskrétních, předem určených místech. Toto uspořádání má další signifikantní výhodu: na rozdíl od stavu techniky se může dosáhnout, že se spojovací prvky neohřívají pomocí třecího tepla dvou na sobě se třoucích ploch, nýbrž vnitřním ohříváním. Spojovací prvky s výše uvedenými vlastnostmi se mohou zhotovovat kupříkladu průtlačným • 9

- 9 lisováním vláken s termoplastickou základní fází, nebo vícesložkovým vstřikovým litím. Zejména se dají příslušné spojovací prvky vybavit prvky udávajícími směr energie, jak jsou známé ze stavu techniky.

Přes ultrazvukovou frekvenci a geometrii mohou být aktivně určovány formy oscilací spojovacích prvků, jakož i ovlivňována reakce při natavování. Podle potřeby je proto smyslné řídit frekvenci ve funkci hloubky vniknutí Spojovacího prvku tak, že tavná zóna, ve které se spojovací prvek natavuje, se nachází v optimální poloze pod povrchem základního materiálu. Optimální frekvence se kupříkladu zjišťuje pomocí senzoru, který průběžně zjišťuje oscilující délku spojovacího prvku. Pro vytváření ultrazvukových oscilací se může použít v obchodě obvyklé zařízení na ultrazvukové svařování. Pro aktivní řízení frekvence však musí být modifikováno.

Prahled. „obrázků.......na.....výkrese

Vynález je dále podrobněji popsán a blíže objasněn na příkladech jeho provedení podle připojených výkresů, které znázorňují na obr. 1 podstatné kroky způsobu podle vynálezu

na pohledu	v řezu, na obr.	2 různé	tvary	provedení
spojovacích	prvků, na obr.	3 další	tvar	provedení
spojovacího	prvku, na obr. 4	podstatné	kroky	způsobu za

použití spojovacího prvku podle obr. 2, na obr. 5 jak se spojují dva díly, na obr. 6 jak se spojují dva další díly, na obr. 7 jak se kontrolované zpracovává spojovací prvek, na obr. 8 schematicky průřez tělesem, na obr. 9 výřez z obr. 8, • · é · · • · ·· · · a na obr. 10 diagram. Rozumí se samo sebou, že idea vynálezu není přitom omezena na uvedené příklady provedení.

Příklady provedeni vynálezu

Obrázek 1 znázorňuje schematicky v podstatě kroky způsobu podle vynálezu v řezu. Spojovací prvek, který zde má tvar podélného kolíčku i., se s působením do hloubky ukotvuje v porézním základním materiálu X0, jako je dřevo, desky z lisované lepenky nebo pórobeton. Je poznat držák 2, který je výhodně z kovu, s otvorem S, který je vhodný k dočasnému uchycení kolíčku X. Otvor 3. je proveden tak, že je v něm kolíček 1 jistou přídržnou silou uchycen a jistým způsobem veden, takže během zpracování nevypadne. (Rozumí se samo sebou, že kolíček X může být také přidržován externími prostředky.) Zejména je výhodné, že otvor a spojení mezi kolíčkem X a držákem 2 je provedeno tak, že se kolíček X nezačne nekontrolované tavit. Ultrazvukový generátor, zde neznázorněný, jakož i lisovací zařízení, rovněž zde neznázorněné, jsou s držákem 2 v aktivním spojení. Lisovací zařízení slouží k tomu, aby přes držák 2 vykonávalo na kolíček X sílu E>

V prvním kroku, znázorněném na obr. la) , se držák 2 s kolíčkem X umístí nad povrchem 4. základního materiálu 10 tak, že konec kolíčku X, zde vytvarovaný jako špička 5, přilehne na povrch 1. Následně se pomocí lisovacího zařízení, zde blíže neznázoměného, vyvolá síla E. Ta způsobí, že špička 5. kolíčku X prorazí povrch 4 základního materiálu X0, a do základního materiálu X0 vnikne. Základní materiál X2L se tím v této oblasti stlačí. Potom co špička

M- Μ5£~ ·· kolíčku X dosáhla jisté hloubky vniknutí, srovnej obr.

1b), a/nebo síla E jisté definované velikosti, tak se kolíček X pomocí ultrazvukového generátoru, zde neznázorněného, který je s držákem 2 v aktivním spojení, uvede do oscilací, zde ve směru osy z,. Proces je vyznačen pomocí šipek X2- Frekvence je přitom přizpůsobena geometrii kolíčku X, zejména jeho délce, složení materiálu a rozdělení hmotnosti. Tím se dosáhne toho, že se kolíček X zde v oblasti předem stanovené zóny X3. pod povrchem X nataví.

Jak ukazuje obr. Ib), je kolíček X uspořádán v otvoru XX na způsob roubu, a vyplňuje ho, obdobně jako píst v hydraulickém válci, a současně ho utěsňuje. Natavený materiál kolíčku X nemůže nikam uniknout, a je tedy, na základě sily E, působící na kolíček X, pod velkým tlakem. To způsobí, že se natavený materiál kolíčku X vtlačuje do základního materiálu X0., takže se vyplňují náhodné dutiny, srovnej obr. Ic). Ultrazvukové oscilace a vznikající tavné teplo tento proces podporují.

U zde znázorněného příkladu provedení se jedná o plynulé natavování kolíčku X v zóně 15. Protažením kolíčku

X skrz otvor XX do zóny 15 a působením síly E se dosáhne toho, že tlak pod povrchem zůstane zachován. Vlivem frekvence oscilací a jiných parametrů procesu se ovlivňuje tavná zóna XS. Délka L kolíčku X zde hraje jistou roli, protože mimo jiné souvisí s chováním oscilací. Na základě natavení v zóně X5 a protažení kolíčku X skrz otvor 11 se délka L kolíčku X mění. Z tohoto důvodu, v případě že je to požadováno, se monitorují ostatní parametry procesu ve funkci měnících se veličin, jako kupříkladu délky L, a podle potřeby během procesu mění. Délka L se proto kupříkladu měří ·· ·· ♦ * · <

• · i a určuji i materiálu.

senzorem, zde neznázorněným, a používá jako regulační veličina pro ultrazvukovou -frekvenci. Tím se dosahuje optimálního nataveni kolíčku i..

Obr. 2 znázorňuje na příkladu šest různých tvarů provedení spojovacích prvků 20. Jednotlivé tvary provedení se hodí pro různá použití a materiály. Je samozřejmé, že se provedení může od zde znázorněných tvarů silně odlišovat. Aby různé materiály a oblasti použití vyhověly, tak se různé spojovací prvky cíleně přizpůsobují. Zde znázorněné spojovací prvky se zpravidla během zpracování na konci 21. pevně uchytí v držáku, zde neznázorněném, a ovládají. Optimální složení materiálu se mění případ od případu, a proto se přizpůsobuje. Aby se ovlivnilo mechanické tlumení, zahrnuji spojovací prvky 20 doplňkové materiály, kupříkladu jako je mleté vápno nebo vyztužující vlákna. Ty z části působí doplňkově pozitivně na mechanickou zatížitelnost při zpracování, takže mohou být realizována vyšší zatížení nebo užší a delší spojovací prvky. Provedení konců 22 jsou pro chování spojovacích prvků 20 důležitá pozdější rozdělování materiálu v základním

Jsou proto zejména přizpůsobeny základním materiálům. Plošší provedení konců 22, srovnej obr. 2a) a obr. 2d), je náchylné spíše k tomu, materiál od sebe odsouvat a vytvářet před spojovacími prvky 20 silně stlačenou zónu. Ta zase podporuje boční rozdělování nataveného materiálu. Ostré hrany 23 a špičky 24 zvyšují řezný účinek spojovacích prvků při prorážení krycí vrstvy 4. základního materiálu X0, srovnej obr. 1. Kromě toho také působí na průběh natavování spojovacích prvků 20. Prvky, určující směr působení energie, zde ve tvaru rovnoběžně s podélnou osou probíhajících žeber 25, vedou při mechanickém vybuzování, popřípadě pomocí ultrazvuku, ke koncentraci, která podporuje lokální natavování. Vlivem lokální koncentrace hmotnosti, kupříkladu zesíleními 2Δ, se ovlivňuje chování při oscilacích spojovacího prvku 20. V tomto smyslu je také možné realizovat koncentraci hmotnosti uvnitř spojovacích prvků 20Obr. 3 znázorňuje další příklad provedení spojovacího prvku 30, sestávajícího z válcovité části SX zde středově uspořádaného, špičatého prvku 32. Ten je opatřen žebry 33 a slouží k proražení povrchu, srovnej obr. 4. Kruhově uspořádané prvky 34 slouží rovněž k proražení povrchu, srovnej obr. 4. Prvky 34 mají hrany 55. které mají jistý řezný účinek. Spojovací prvek je kupříkladu součástí závěsu nebo kupříkladu slouží k upevnění závěsu, zde blíže neznázorněného, nebo jiného, zatížení zavádějícího bodu u nábytku nebo jiných těles z lepenkových desek nebo obdobných materiálů, nebo může sám mít doplňkové funkce. Zejména může sloužit i k uchycení dalších prvků, kupříkladu šroubů a obdobných prvků. Ukotvení v porézním materiálu, jako je dřevo, pórobeton, nebo podobné materiály jako beton nebo umělá hmota, je obzvláště výhodné. Přitom není předvrtání spojovaných povrchů potřebné. Spojovací prvek 50 sestává z termoplastické umělé hmoty. Ta je opatřena doplňkovými plnivy, které ovlivňují vnitřní mechanické tlumení. Tím se ovládá a ovlivňuje průběh natavování.

Spojovací prvek se výhodně vyrábí pomocí vstřikového lití.

Zpracováním více komponentů se dosáhne toho, že vznikne ve spojovacím prvku 30. stupňování , které je přizpůsobeno spojovaným materiálům. Aby se usnadnilo spojování těžkých

• 9 • · •	• • 9 9	• 9	9 9 •	*· 9 9 9 9	a · 9 9 •
• 9	• •
•	•	9	•	9	• 9	•
• ·· ·	» · ·	9 9		«9 9	fe 9	9«··

materiálů, mohou být prvky 52 a 54 provedeny také tak, še se jejich řezný účinek vyvolá sekundárním pohybem. Kupříkladu mohou být provedeny tak, že se vlivem rotace základní materiál drobí. Spojovací prvek 50 je přitom výhodně proveden tak, že se v důsledku sekundárního pohybu natavuje.

Obr. 4 schematicky znázorňuje zpracování spojovacího prvku 50 podle obr. 3 ve třech krocích v řezu. Rozumí se samo sebou, že je zde znázorněn jen princip. Samozřejmě může mít spojovací prvek 50 i jinou geometrii nebo být spojen s jinými prvky, jako jsou kupříkladu kování, jinými upevňovacími prvky nebo závěsy. Spojovací prvek 50 se v prvním kroku, srovnej obr. 4a, umístí nad povrch 40 základního materiálu 41- Základní materiál zde sestává z porézního materiálu, který má na okrajových zónách 42 vyšší hustotu než jádrová zóna 45- (Samozřejmě mohou být zpracovávány i materiály, které mají konstantní hustotu.)

Krycí vrstvy 44 tvoří vnější uzávěr základního materiálu. Spojovací prvek 50, umístěný nad povrchem 40, se silou E, srovnej obr. 4b, natlačí na povrch 40 tak, že prvky 52 a 54 tento prorazí, a až do jisté hloubky vniknou do základního ♦

materiálu 41. Hloubka vniknutí je přitom mezi jiným závislá na základním materiálu 41, provedení prvků 52 a 54, a síle

E. Sekundární pohyb, kupříkladu ve formě rotace, může vnikání spojovacího prvku 50 podporovat. Potom co bylo dosaženo jisté hloubky vniknutí, tak se spojovací prvek 50 pomocí ultrazvuku mechanicky vybudí, což je znázorněno šipkou 12. Mechanické vybuzení přitom probíhá výhodně kolmo k povrchu 40. V důsledku tření a/nebo vnitřního mechanického tlumení dojde k ohřátí spojovacího prvku 50. To vede k tomu, ze se prvky 52 a 54 pod povrchem 40 kontrolované natavují.

• 9 9 9

9 9

9999 999 99 999 99 9999

Vlivem síly £ proniká spojovací prvek dále, takže se materiál plynule natavuje a za vysokého tlaku zatlačuje do základního materiálu 41. Natavený materiál spojovacího prvku vyplňuje přitom nahodilé dutiny, čímž se základní materiál 4JL dodatečně zpevňuje. Vlivem ul traz vukových oscilací, tepla a tlaku, se základní materiál zhutňuje a zpevňuje, navíc se dosáhne toho, že spojovací prvek 50 snadněji proniká. Ukotvení spojovacího prvku 'SSSL v základním materiálu áLL je schematicky znázorněno na obr. 4c).

Obr. 5 znázorňuje schematicky spojování dvou těles 50, 51» kupříkladu ze dřeva, pomocí podélného spojovacího prvku 52. Těleso 51 je zde opatřeno průchozím otvorem 52, který ale není nutně potřebný. Obě tělesa 50 a 51 se v prvním kroku na sebe položí, srovnej obr. 5a), což je zvýrazněno šipkou 54, a ukotví ve své konečné poloze. Spojovací prvek se potom zastrčí do průchozího otvoru 52, srovnej obr. 5b). Pomocí lisovací hlavy 55, která je v aktivním spojení se zde neznázorněným lisovacím zařízením, a pomocí rovněž zde neznázorněného ultrazvukového generátoru, se na spojovací prvek 52 vykonává síla E, takže tento se zatlačuje do povrchu tělesa 50. Potom co síla E a/nebo hloubka vniknutí dosáhly určité předem stanovené hodnoty, tak se spojovací prvek 52 pomocí ultrazvukového generátoru, zde neznázorněného, mechanicky vybudí, což je znázorněno šipkou

12. Tím se začne spojovací prvek 52 cíleně natavovat a vnikat do tělesa 50, srovnej obr. 5c). Přitom se materiál tělesa 50 cíleně zhutňuje a nahodilé dutiny se vyplňují netaveným materiálem spojovacího prvku 52. Žebra 5Δ nebo obdobně působící prvky na spojovacím prvku 52 vedou k tomu, že po dosažení jisté hloubky vniknutí spojovacího prvku 52

04- Mss ·· · · do tělesa 50. dojde ke spojení mezi oběma tělesy 50 a 5X. Na základě skutečnosti, že předvrtání obou těles není potřebné, může se spojení realizovat nejracionálnějším způsobem v jednom pracovním kroku. Podle potřeby může být spojovací prvek 52 opatřen na svém povrchu doplňkovými prvky. To vede k tomu, že sekundárním pohybem spojovacího prvku 52, kupříkladu rotací kolem podélné osy, dochází za působení síly E ke snadnějšímu vnikání, a to s jistým vytvořením třísek. Tento sekundární pohyb však nevede k nekontrolovatelnému natavování spojovacího prvku 52» Aby se spojení mezi oběma tělesy 50. a 51 podpořilo, nebo aby se dosáhlo jistého těsnicího účinku, je výhodně plochy 52. a 60 opatřit vrstvou z tavitelného materiálu. Tato vrstva může být umístěna i dodatečně. Vlivem ultrazvukových oscilací, přivedených přes spojovací prvek 52 nebo přímo, se dosáhne toho, že tato vrstva se na základě tření a/nebo vnitřního mechanického tlumení natavuje. Tím se spojovacím prvkem 52 doplňkově podporuje a utěsňuje spojení mezi oběma tělesy 50. a 51. Zde uvedený způsob se hodí kupříkladu zejména pro spojování rámů oken nebo obdobných prvků. Přitom je poprvé možné velmi tenká, úzká tělesa spojovat bez přesného předvrtání tak, že se dosáhne maximální mechanické zatížitelnosti.

Obr. 6: Obr. 6a) znázorňuje první těleso 65, druhé těleso 66 a spojovací prvek 6Z. U prvního tělesa 65 se zde jedná o trám ze dřeva, a u druhého tělesa 66. o zdivo, kupříkladu pórobeton. Spojovací prvek 67 sestává z termoplastického materiálu, a jestliže je to potřebné, z přídavné látky, která reguluje mechanické tlumení termoplastického materiálu. Obr. 6b) znázorňuje spojovací prvek 6Z a tělesa 65 a 66 v řezu během spojovacího procesu. Ve zde znázorněném stavu, u kterého se jedná o zachycení momentu, spojovací prvek 6Z prorazil první těleso 65 a vniká do druhého tělesa 66. Na spojovací prvek 67 působí síla E. Současně se spojovací prvek 6Z ve směru své podélné osy pomocí ultrazvuku mechanicky vybudí, což je znázorněno šipkou 12· Tím se tento uvnitř druhého tělesa 66., v oblasti zóny 6&, kontrolované natavuje. Aby se dosáhlo podporujícího účinku pro vedení spojovacího prvku 6Z, je možné první těleso 65 předvrtat. Jádrová zóna 62 spojovacího prvku 6Z zůstává během natavovacího procesu nejdříve pevná, což mimo jiné vede k tomu, že se základní materiál druhého tělesa 66 v zóně ZJL kontrolované stlačuje, aniž by se objevila škodlivá pnutí. Silou E se spojovací prvek 6Z plynule protahuje, takže materiál spojovacího prvku 6Z, netavený v zóně 6fiL za hydraulického tlaku, což je znázorněno šipkou

E, se nepohybuje, a zalisovává se do vnitřku druhého tělesa

66. Tím a vlivem mechanického vybuzování pomocí ultrazvuku se cíleně odbourávají veškerá škodlivá pnutí v základním materiálu druhého tělesa 66.· Spojovací prvek 62 zde má jisté prvky Z5, udávající směr energie, srovnej obr. 6a) , které po dosažení jisté hloubky vniknutí vedou k tomu, že se spojovací prvek 6Z v oblasti prvního tělesa 65 částečně nataví, a materiálovým stykem se s ním spojí. To je schematicky vyznačeno šipkami Z2. Po ochlazení nataveného materiálu je spojovací materiál 6Z materiálovým a tvarovým stykem spojen s tělesy 65 a 66, z čehož vznikají velmi vysoko zatížitelná mechanická spojení. Aby se kontaktní plochy mezi prvním tělesem 65 a druhým tělesem 66 utěsnily proti vlivům okolí, mohou být kontaktní plochy opatřeny

1S • · · · tepelně tavitelným lakem nebo jiným povlakem, který se při mechanickém vybuzování pomocí ultrazvuku natavuje. Tím se dosáhne toho, že jsou kontaktní plochy doplňkově spojeny s utěsněním. Obr. 6c) znázorňuje další příklad provedení spojovacího prvku ZS, který je vhodný ke spojování těles 6S a 66.· Na rozdíl od spojovacího prvku 6Z, srovnej obr. 6a), má spojovací prvek ZS podobu, která podporuje částečné vniknutí pomocí superpozice sekundárního pohybu v alespoň jednom z těles 6S a 66.- Tento sekundární pohyb může být realizován kupříkladu rotací kolem podélné osy, která ale nevede k nekontrolovanému netavení spojovacího prvku 75.

Potom co se dosáhlo jisté hloubky vniknutí v jednom z dílů, tak se se spojovacím prvkem ZS postupuje stejně jako se spojovacím prvkem 6Z, srovnej obr. 6a) a obr. 6b).

Obr. 7 znázorňuje schematicky možnost pro optimální regulaci způsobu podle vynálezu, u kterého spojovací prvek

SJft vniká do povrchu fil tělesa S2· Měřenými veličinami, relevantními pro proces zpracování, jsou mimo jiné volná délka L_1 spojovacího prvku S0. a teplota X nataveného materiálu a okolí. Ty se jednoznačně určují velikostí síly

E, energií ultrazvukových oscilací (-frekvence, amplituda), znázorněnými šipkou 12, a rychlostí posuvu, s kterou spojovací prvek vniká do povrchu &1. Aby se zajistilo optimální zpracování spojovacího prvku 80. tak se veličiny během procesu monitorují a používají ke zjišťování akčních veličin. Zjišťování teploty X, výhodně nepřímo, a volné délky L_l, je schematicky znázorněno šipkami 85. 1 a 85.2. Akční veličiny se vyhodnocují ve vhodném počítači 84. procesu a používají k regulaci síly E, viz šipku 85.1, rychlosti posuvu (blíže neznázorněno) spojovacího prvku 80., -frekvence ultrazvuku a jeho amplitudy (šipka S5.2). Tím se dosáhne toho, že se dosáhne optimálního, do hloubky působícího spojení mezi spojovacím prvkem && a tělesem 82. Obr. 8 schematicky a silně zjednodušeně znázorňuje hydraulický způsob funkce vynálezu na základě řezu v perspektivě. Poznat je spojovací prvek i, který pronikl skrz povrch 4. tělesa ó. Uvnitř tělesa 6. se nachází dutina Z, která je propojena tenkými kanálky nebo kapilárami 8., a uzavřena spojovacím prvkem i_. Kanálky & a dutina Z jsou vyplněny nataveným materiálem 14.· Podélné vlny ultrazvukového generátoru, zde neznázorněného, vytvářejí materiálovým nebo tvarovým stykem vazbu do spojovacího prvku i.. Přes silné nehomogenity v rozdělení pnutí, s maximálními koncentracemi pnutí v oblastech, ve kterých má být dosaženo spojení, přeměnou mechanické energie, se vytváří teplo.

Teplo typicky vzniká přes ztráty, kupříkladu mechanickou hysterezí (hysterezní ztráty), nebo třením. Působením spojovacího prvku JL na nehomogenní nebo porézní povrch vzniká v mikroskopické oblasti spojovacího prvku vysoký vnitřní střihový účinek, srovnej obr. 9. Tento střihový účinek společně se zvýšením teploty způsobí, že se materiál spojovacího prvku nataví, přičemž dojde k velmi silnému úbytku viskozity taveniny. Aplikací ultrazvuku podle vynálezu je možné velmi cíleně a v optimální zóně vytvářet nízkoviskozní taveninu, která za hydraulického tlaku vniká do nejjemnějších pórů, trhlin a kapilárních otvorů (šipka

2.). Tavenina je typicky anizotropní, má tedy na směru závislé vlastnosti. Zejména při aplikaci ultrazvuku je možné pozorovat, že viskozita taveniny, na rozdíl od jiných, ze stavu techniky známých způsobů, je redukovatelná o více • · · · mocnin deseti. Toto silné zkapalnění spolu s hydraulickým tlakem, který se dosáhne zatlačením spojovacího prvku i. do dutiny Z, vniká natavený materiál až do mikroskopických oblastí do pórovité struktury spojovacího materiálu. Přitom tavenina spojovacího prvku JL sleduje v podstatě orientaci základního materiálu ISí a zpevňuje a armuje ho. Jako výsledek vzniká spojení na způsob kompozitu, s tekutým přechodem ze základního materiálu U2. do spojovacího prvku i., s cíleným zpevněním v oblasti kolem dutiny Z a pevným homogenním jádrem. Příslušná spojení jsou daleko mocnější než konvenční, ze stavu techniky známé spojovací metody, zejména vzhledem k hodnotám pevnosti. Výřez z obr. S je na obr. 9 znázorněn zvětšeně.

Obr. 9 znázorňuje zvětšeně výřez US. modelového pozorování z obr. S. Poznat jsou spojovací prvek JL, dutina

Z a kanálky &, které se rozprostiraji do základního materiálu 10. Natavený materiál 14 vyplňuje dutinu Z a kanálky S. a je pod hydraulickým tlakem, což je znázorněno šipkou 15. Mechanickým vybuzením spojovacího prvku JL pomocí ultrazvuku se vytvoří tavná zóna Jl2., ve které se materiál vlivem vysokého střihového účinku ohřívá a natavuje. Pohyb spojovacího prvku vlivem mechanického vybuzení a jím vyvolaného střihového účinku je schematicky znázorněn šipkou

12. Vysokým hydraulickým tlakem, který vzniká vtlačováním spojovacího prvku JL do dutiny Z, se natavený materiál mezi jiným vytlačuje do dutin &. Mezi nataveným materiálem, vytlačeným materiálem, a z vnějšku dopravovaným materiálem se vytvoří rovnováha, takže se nastaví plynulý průběh.

Obr. 10 znázorňuje na základě tří křivek 46. 47. AS. typickou souvislost mezi střihovým účinkem (osa x.) a viskozitou (osa χ) termoplastické umělé hmoty, jak se kupříkladu používá pro spojovací prvek £. Tři křivky 43, 47.

znázorňují chování při různých teplotách. Křivka 46 znázorňuje chování při nižší teplotě, křivka 47 při vyšší teplotě, a křivka 43 při nejvyšší teplotě. Je poznat, že se viskozita (osa χ) při rostoucím střihovém účinku (osa χ) a stoupající teplotě snižuje. Jinými slovy, umělá hmota se stává při vyšších teplotách a větších střihových účincích tekutější. V případě zde diskutovaného vynálezu to znamená, že zvýšením mechanického vybuzení pomocí ultrazvuku se přes •frekvenci a amplitudu ovlivní reakce natavené látky. Protože se zpravidla nepoužívá žádný externí tepelný energetický zdroj, nastaví se teplota uvnitř dutiny Z, srovnej obr.

a obr. 9, v důsledku mechanických parametrů a tepelné vodivosti okolí. Reakce se nastaví tak, že okolí a materiál spojovacího prvku vykazují optimální reakci a nedochází k žádnému nekontrolovanému natavování spojovacího prvku JL.

Claims (19)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob spojování těles (41, 50, 51, 65, 66) pomocí tepelného natavování spojovacího prvku (1, 20, 30, 52, 67,

   75, 80), vyznačující se tím, že spojovací prvek <1, 20, 30,

   52, 67, 75, 80) působí pomocí orientované síly <F) na povrch (4, 40, 59) alespoň jednoho z těles (41, 50, 51, 65, 66), tímto na základě orientované síly (F) proniká, a ve vniknutém stavu se vytváří mechanické vybuzení takového druhu, že během dalšího vnikání spojovacího prvku (1, 20,

   30, 52, 67, 75, 80) do alespoň jednoho tělesa (41, 50, 51, 65, 66) se přes orientovanou sílu (F) a netavení udržuje mechanickým vybuzováním posuv, aby byl natavený materiál hydraulicky zatlačitelný do okolí.
2. 2. Způsob podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že mechanické vybuzení nastává po dosažení předem určené hloubky vniknutí spojovacího prvku (1, 20, 30, 52, 67, 75,

   80) do jednoho z těles (41, 50, 51, 65, 66) a/nebo po dosažení předem určené zátěžové úrovně orientované síly (F).
3. 3. Způsob podle patentového nároku 2, vyznačující se tím, že mechanické vybuzováni se provádí pomocí ultrazvuku.
4. 4. Způsob podle patentového nároku 2, vyznačující se tím, že mechanické vybuzováni se provádí pomocí rotace.
5. 5. Způsob podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že k vnikání spojovacího prvku (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) do • fc · · ·· · ··, ·· • '·> 9 · '· » · '· fc fc fc · · ·* • · · fc fc · fcn · fc fc fc fc · · ·· ’· · · . ·'·· ···· jednoho z těles <41, 50, 51, 65, 66) se superponuje sekundární pohyb, který vnikání podporuje.
6. 6. Způsob podle patentového nároku 5, vyznačující se tím, že sekundární pohyb představuje rotace.
7. 7. Způsob podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že se pomocí spojovacího prvku <1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) spojují alespoň dvě tělesa (41, 50, 51, 65, 66).
8. 8. Způsob podle patentového nároku 7, vyznačující se tím, že mezi společnými povrchy <59, 60) spojovaných těles <41, 50,

   51, 65, 66) je uspořádána doplňková vrstva z tavitelného materiálu, která se v důsledku mechanického vybuzení nataví a podpoří, resp. utěsní spojení mezi tělesy <41, 50, 51, 65,

   66) .
9. 9. Způsob podle patentového nároku 7, vyznačující se tím, že jedno z těles <41, 50, 51, 65, 66) má průchozí otvor <53) k uchycení spojovacího prvku (52).
10. 10. Způsob podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedno ze spojovaných těles (41, 50, 51, 65, 66) sestává z porézního materiálu.
11. 11. Spojovací prvek <20) pro použití ve způsobu podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že spojovací prvek (20) obsahuje termoplastický materiál, je kolíčkovitý, a má alespoň jednu oblast s menším a alespoň jednu oblast s větším průřezem.

    změněný list ·· ·· • ϊ>Ί * · fc i '♦
12. 12. Spojovací prvek (20) podle patentového nároku li, vyznačující se tím, že spojovací prvek (20) má kulatý (20 a) a/nebo mnohoúhelníkový průřez.
13. 13. Spojovací prvek (20) podle některého z patentových nároků 11 nebo 12, vyznačující se tím, že spojovací prvek (20) má špičatý nebo plochý konec k proražení povrchu.
14. 14. Spojovací prvek (20) podle některého z patentových nároků 11 nebo 12, vyznačující se tím, že spojovací prvek (20) má ostrou hranu (23), která zvyšuje řezný účinek při prorážení krycí vrstvy (4).
15. 15. Spojovací prvek (20) podle některého z patentových nároků 11 až 14, vyznačující se tím, že spojovací prvek (20) má prvky ve tvaru podélně probíhajících žeber (25), udávající směr energie.
16. 16. Spojovací prvek (30) pro použití ve způsobu podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že spojovací prvek (30) má válcovitou část (31), na jejíž jedné čelní ploše je středově uspořádán špičatý prvek (32), který je obklopen prstencem kruhovitě uspořádaných prvků (34).
17. 17. Spojovací prvek (30) podle nároku 16, vyznačující se tím, že kruhovitě uspořádané prvky (34) mají hrany (35) , které slouží k proražení povrchu (40).
18. 18. Spojovací prvek (30) podle některého z nároků 16 nebo

    17, vyznačující se tím, že spojovací prvek (1, 20, 30, 52, změněný list

    • • · 9 9 • 9. 9 • 9 ♦ • 9 9 9 ·' · 9 9 • 9 9 9 9' '♦ • • 9 • • 9 · ·♦· 9 9 < · · · •9 ··♦·

    67, 75, 80) slouží k uchycení upevňovacího prvku nebo závěsu.
19. 19. Spojení zhotovené způsobem podle některého z nároků 1 až

    10 s jedním nebo více spojovacími prvky podle některého z nároků 11 až 18, vyznačující se tím, že natavený materiál spojovacího prvku (67) je ve struktuře stlačeného základního materiálu tělesa (66) vytvrzen.

    měněný list