DE10108956A1 - Montageelement zum Verbinden zweier Gegenstände, insbesondere zweier Geräteteile - Google Patents

Abstract

Montageelement zum Verbinden zweier Gegenstände, insbesondere zweier Geräteteile, das zumindest teilweise aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht und im Montagezustand eine erste Form und in der Montageendstellung eine zweite, die Gegenstände mechanisch verbindende Form aufweist, die ihm vor der Montage unter Ausnutzung seiner Formgedächtnis-Eigenschaften eingeprägt wurde, und dessen erste Form die eines Niets (1, 12) mit einem an einem Gegenstand (9, 18) anlegbaren Nietkopf (2, 13) und einem länglichen Nietschaft (3, 14) ist, der sich in der Montageendstellung zu einer den anderen Gegenstand hintergreifenen kopfartigen Verbreiterung (10, 11, 19) aufweitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Montageelement zum Verbinden zwei­ er Gegenstände, insbesondere zweier Geräteteile.

In annähernd allen Bereichen der Technik ist es häufig erfor­ derlich, zwei Gegenstände miteinander fest mechanisch zu ver­ binden. Diese Gegenstände können aus gleichartigen Werkstof­ fen wie Metall, Kunststoff oder dergleichen sein, aber auch die Verbindung von Gegenständen unterschiedlichen Materials kommt häufig vor. Als Beispiel sei der Bereich elektronischer oder elektrotechnischer Gerätschaften genannt, wo häufig ent­ weder in einem Gerät bzw. Gehäuse verschiedene Bauteile mit­ einander oder mit dem Gehäuse verbunden werden müssen, gleich wie auch Geräte- oder Gehäuseteile miteinander zu verbinden sind. Das Verbinden erfolgt u. a. mittels Schrauben, die in die zu verbindenden Teile eingeschraubt werden. Dies ist aber aus mehrerer Hinsicht nachteilig. Zum einen ist das Ein­ schrauben relativ umständlich, Zeit- und kostenintensiv. Wei­ terhin müssen für eine sichere Halterung der Schrauben in der Regel die zu verbindenden Teile hinreichend dimensioniert sein, damit vermieden wird, dass die Schraube bei zu geringer Wandstärke oder dergleichen nicht richtig greift oder aus­ reißt. Weiterhin nachteilig ist der infolge der verwendeten Schrauben häufig benötigte beachtliche Platzbedarf, der ins­ besondere bei hochintegrierten elektrischen und elektroni­ schen Geräten nicht zur Verfügung steht bzw. nur dadurch ge­ schaffen werden kann, dass die Geräte größer dimensioniert werden.

Ein weiterer Nachteil liegt in der relativ aufwendigen Demon­ tage bedingt durch das umständliche Herausschrauben der Schrauben, sofern dies überhaupt möglich oder vom Aufwand her vertretbar ist. Eine Demontage ist entweder im Falle einer Wartung oder Reparatur des Geräts oder aber im Rahmen des Re­ cyclings erforderlich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Montageelement anzugeben, das eine einfache Verbindung zweier Gegenstände zulässt.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Montage­ element vorgesehen, das zumindest teilweise aus einer Formge­ dächtnis-Legierung besteht und im Montagezustand eine erste Form und in der Montageendstellung eine zweite, die Gegen­ stände mechanisch verbindende Form aufweist, die ihm vor der Montage unter Ausnutzung seiner Formgedächtnis-Eigenschaften eingeprägt wurde, und dessen erste Form die eines Niets mit einem an einem Gegenstand anlegbaren Nietkopf, und einem länglichen Nietschaft ist, der sich in der Montageendstellung zu einer den anderen Gegenstand hintergreifenden kopfartigen Verbreiterung aufweitet.

Das erfindungsgemäße Montageelement besteht vorteilhaft zu­ mindest teilweise aus einer Formgedächtnis-Legierung, auch Memory-Metall genannt. Ein derartiges Material hat die Eigen­ schaft, dass es temperaturabhängig seine Form wandeln kann. Für den erfindungsgemäßen Einsatzzweck bedeutet dies, dass das nietförmige Montageelement, das im Montagezustand eine erste Form mit einem länglichen Nietschaft aufweist, durch entsprechende den Schaft aufnehmende Bohrungen oder Öffnungen der zu verbindenden Gegenstände, z. B. zweier Gehäuseschalen gesteckt wird. Anschließend wird der Niet erwärmt. Oberhalb einer Phasenumwandlungstemperatur wandelt sich die Phase der Legierung von einer Tieftemperaturphase in eine Hochtempera­ turphase (z. B. von Martensit zu Austenit) um. Der Hochtempe­ raturphase ist eine zweite Form, die Formgedächtnis- Eigenschaften ausnutzend, aufgeprägt. Mit der Phasenumwand­ lung wandelt sich die Form des Niets, der sich erfindungsge­ mäß im Bereich des Schafts kopfartig verbreitert, so dass er den anderen Gegenstand hintergreift.

Die Erfindung lässt also ein Verbinden durch einfaches Ein­ stecken des Montageelements und entsprechende Temperaturerhö­ hung zu. Die Gegenstände werden fest miteinander verbunden, wobei dieses Verbinden sehr schnell, einfach und aufwandslos erfolgt, da hierfür das Gerät lediglich beispielsweise durch einen Wärmeofen transportiert werden muss. Weiterhin benötigt das Montageelement wesentlich weniger Platz als eine häufig beachtlich lange Verbindungsschraube, weshalb es insbesondere auch in kleinen Gerätschaften eingesetzt werden kann. Auch sind die Anforderungen hinsichtlich der Dimensionierung der Verbindungsbereiche nicht wie bei einer Schraubenverbindung, vielmehr kann in diesen Bereichen Material eingespart werden. Schließlich ist auch eine einfache Demontage möglich, da die Formgedächtnis-Legierung bei einer hinreichenden Abkühlung eine erneute Phasenänderung zeigt, und von der Hochtempera­ turphase in die Tieftemperaturphase wandelt. Die Hochtempera­ turphase ist deutlich härter als die Niedertemperaturphase. Martensit ist beispielsweise um ca. einen Faktor 5 weicher als Austenit. Dies ermöglicht es, den Niet im weichen Zustand einfach zu entfernen. Damit ist es möglich, die verbundenen Gegenstände auf einfache Weise durch Abkühlen zu demontieren, da die mechanischen Verbindungen hierdurch leicht lösbar wer­ den. Wertvolle Bauelemente und unbelastete Komponenten wie Kunststoffgehäuse, Joche, Anker, Speicherbauelemente, Edelme­ tallkontakte etc. können auf diese Weise sehr leicht wieder­ gewonnen und wiederverwendet werden.

Ein weiterer beachtlicher Vorteil ist ferner die erhöhte Si­ cherheit im Betrieb des jeweiligen Geräts bzw. bei der Be­ handlung der verbundenen Gegenstände, da die erfindungsgemäße Verbindung sich durch Vibrationen und handhabungsbedingte Krafteinwirkung nicht lockert. Vielmehr wird eine kraft­ schlüssige, unter Vorspannung stehende Verbindung realisiert.

Nach einer ersten Erfindungsausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Schaftende ein- oder mehrfach längs geschlitzt ist. Dies ermöglicht es, dass sich die Schaftenden bei der temperaturerhöhungsbedingten Formwandlung nach außen umbiegen und den Gegenstand hintergreifen können. Ein einfacher Längs­ schlitz ist bereits ausreichend, das heißt, die Schaftenden verbiegen sich entgegengesetzt zueinander. Denkbar ist aber auch eine Kreuzschlitzung, so dass sich insgesamt vier Schaftabschnitte nach außen umbiegen.

Eine weitere Erfindungsalternative sieht vor, dass sich zu­ mindest das Schaftende während der Formwandlung in die zweite Form verkürzt und gleichzeitig verbreitert. Die Verkürzung und Verbreiterung führt zu einer Vergrößerung des Durchmes­ sers, wobei der hierdurch verbreiterte Schaftbereich den Ge­ genstand hintergreift.

Um zu vermeiden, dass eine aus dem Betrieb des Geräts, umge­ bungsbedingt oder sonst wie resultierende Temperaturverände­ rung in irgendeiner Form zu einer Phasenänderung der Formge­ dächtnis-Legierung führt, die zu einer ungewollten Formwand­ lung entweder in die eine oder in die andere Richtung, je nach Temperaturänderung, führt, kann zweckmäßigerweise vorge­ sehen sein, dass das Montageelement aus einer Formgedächtnis- Legierung besteht, die eine Umwandlungstemperatur, bei der sich aufgrund einer Temperaturerhöhung eine Hochtemperatur­ phase bildet und der Niet die zweite Form einnimmt, und eine um mindestens 30°, besser 50° unterhalb dieser Umwandlungs­ temperatur liegenden Umwandlungstemperatur, bei welcher bei einer Abkühlung die Umwandlung in die Tieftemperaturphase er­ folgt, aufweist. Die unterschiedlichen Umwandlungstemperatu­ ren liegen also möglichst weit auseinander, um zu vermeiden, dass etwaige Temperaturschwankungen sich in irgendeiner Form negativ auswirken können. Dabei kann erfindungsgemäß die Um­ wandlungstemperatur zum Übergang in die Hochtemperaturphase ≧ 40°C insbesondere 50°C und die Umwandlungstemperatur zum Übergang in die Tieftemperaturphase ≦ 0°C, insbesondere ≦ - 40°C sein.

Erfindungsgemäß kann die Formgedächtnis-Legierung einen Ein- Weg-Effekt aufweisen. Bei dieser Erfindungsausgestaltung wan­ delt sich der Niet bei einer Temperaturerhöhung in die zweite Form um, bei einer Temperaturerniedrigung unter die zweite Phasenbildungstemperatur tritt lediglich eine Phasenumwand­ lung in die Tieftemperaturphase ein, die zweite Form bleibt hierbei jedoch erhalten. Das Material wird also lediglich weich, behält aber seine formwandlungsbedingte Form. Eine einfache Demontage ist aufgrund der Weichheit des Materials trotz allem möglich.

Eine zweckmäßige Erfindungsalternative sieht vor, dass die Formgedächtnis-Legierung einen Zwei-Weg-Effekt aufweist, bei dem der Niet bei der Umwandlung in die Tieftemperaturphase die eingeprägte erste Form einnimmt. Bei dieser Erfindungsal­ ternative wandelt der Niet zwischen den beiden eingeprägten Formen. Das heißt, im Falle einer Abkühlung zur Demontage nimmt der Niet wieder seine ursprüngliche Montageform mit langgestrecktem Schaft ein. Die mechanische Verbindung kann sehr einfach gelöst werden.

Die Formgedächtnis-Legierung selbst kann eine TiNi- oder NiMn- oder CuAl-Legierung sein, die ggf. noch mindestens ei­ nen weiteren Legierungspartner enthält.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Montage­ elements einer ersten Ausführungsform im Montagezu­ stand,

Fig. 2 das Montageelement aus Fig. 1 in der Montageend­ stellung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des Spannungsverlaufs im Montageelement über die anliegende Temperatur,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Austenitanteils und damit der Härte der Formgedächtnis-Legierung ü­ ber die Temperatur,

Fig. 5 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Montage­ elements einer zweiten Ausführungsform im Montage­ zustand und

Fig. 6 das Montageelement aus Fig. 5 in der Montageend­ stellung.

Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein erfindungsgemä­ ßes Montageelement 1 in Form eines Niets. Der Niet besitzt einen Nietkopf 2 sowie einen im Wesentlichen zylindrischen Nietschaft 3. Der Nietschaft kann natürlich auch einen belie­ bigen anderen Querschnitt aufweisen. Der Nietschaft 3 ist ü­ ber einen Teil seiner Länge mittels seines Längsschnitzes 4 geschlitzt, wobei der Schlitz in eine Durchgangsbohrung 5 mündet.

Das Montageelement 1, also der Niet wird in zwei miteinander fluchtende Bohrungen 6, 7 zweier miteinander zu verbindender Gegenstände 8, 9 eingesteckt. Bei diesen Gegenständen kann es sich beispielsweise um zwei Gehäusehälften eines Geräts oder dergleichen handeln. Der Durchmesser der Durchgangsbohrungen 6, 7 ist etwas größer als der Durchmesser des Niets. Der Niet wird so weit eingeschoben, bis der Nietkopf 2 an dem Gegens­ tand 9 anliegt. Das Einsetzen des Niets erfolgt beispielswei­ se bei Raumtemperatur. Um nun die Gegenstände miteinander zu verbinden wird der Niet erwärmt. Bei einer Temperatur von z. B. < 50°C wandelt nun der Niet bzw. der Schaft seine Form, bedingt durch eine Änderung der Phase der Formgedächtnis- Legierung, aus der der Niet insgesamt, zumindest aber der Schaft in seinem Endbereich besteht. Im Rahmen dieser Formänderung in die in Fig. 2 gezeigte zweite Form, die dem Niet ursprünglich aufgeprägt wurde, biegen sich die beiden Schaft­ abschnitte 10, 11, die sich aus dem Längsschnitt 4 ergeben, nach außen um und hintergreifen den Gegenstand 8, wie Fig. 2 ersichtlich zeigt. Auf diese Weise ist eine feste mechanische Verbindung der beiden Gegenstände 8, 9 realisiert.

Im Fall der Demontage wird das Montageelement auf eine deut­ lich unterhalb der ersten Phasenbildungstemperatur von z. B. 50°C abgekühlt, z. B. auf ca. -40°C. Bei oder unterhalb dieser Temperatur tritt eine erneute Phasenumwandlung in die Tief­ temperaturphase ein, in der die Formgedächtnis-Legierung ur­ sprünglich in der Montageform, wie sie Fig. 1 zeigt, vorlag. Aufgrund der Abkühlung der damit einsetzenden Phasenänderung liegt der Niet in einer weicheren Phase vor, das heißt, das Material ist wesentlich weicher als in der Hochtemperaturpha­ se. Zeigt die Formgedächtnis-Legierung einen Ein-Weg-Effekt, so bleibt trotz Phasenwandlung die gemäß Fig. 2 eingenommene Montageendstellung bzw. diese Form erhalten. Aufgrund der Weichheit des Materials können jedoch die beiden Gegenstände 8, 9 problemlos voneinander getrennt werden, da die Schaft­ abschnitte 10, 11 ohne größeren Kraftaufwand wieder nach in­ nen gebogen und die Gegenstände 8, 9 voneinander getrennt werden können. Zeigt die Formgedächtnis-Legierung demgegen­ über einen Zwei-Weg-Effekt, so wandelt sich die in Fig. 2 ge­ zeigte Form wieder in die in Fig. 1 gezeigte erste Form, die dem Niet ebenfalls aufgeprägt ist, um. Der Niet kann damit problemlos herausgezogen werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den Verlauf der Spannung im Niet über die Temperatur bzw. den Austenitanteil über die Temperatur. Dargestellt ist der Verlauf für einen Niet mit einer ersten Umwandlungstemperatur von 50°C, bei der die Bildung der Austenit-Phase bei einer Temperaturerhöhung einsetzt, und ei­ ner zweiten Umwandlungstemperatur von ca. -40°C, bei der bei einer Abkühlung die Bildung der Martensit-Phase beginnt. Er­ sichtlich nimmt die inhärente Spannung mit Einsetzen der Austenit-Phasenbildung deutlich zu. Wird nun abgekühlt, so bleibt die Spannung bis zur zweiten Umwandlungstemperatur von ca. -40°C weitgehend erhalten und bricht erst danach relativ rasch ab, da dann in verstärktem Maß die Martensit-Bildung einsetzt und das Material weicher wird und Spannungen abge­ baut werden.

Einen entsprechenden Hystereseverlauf zeigt die in Fig. 4 ge­ zeigte Kurve. Wird der Niet bei Raumtemperatur RT eingesetzt und anschließend über 50°C erwärmt, so setzt ersichtlich eine starke Austenit-Bildung ein. Das Material wird insgesamt sehr hart, die Wandlung in die zweite aufgebogene Form setzt ein. Dieser harte Zustand und damit der hohe Austenit-Anteil bleibt bei einer nachfolgenden Abkühlung solange erhalten, bis die zweite Phasenbildungstemperatur von -40°C erreicht bzw. unterschritten ist. Der Austenit-Anteil sinkt dann auf­ grund der Bildung der Martensit-Phase, das Material wird weich. Wird eine Legierung mit einem Zwei-Weg-Effekt verwen­ det, so setzt gleichzeitig die erneute Formwandlung ein.

Ersichtlich zeigen beide Kurven einen hystereseartigen Ver­ lauf, der es ermöglicht, dass ein erfindungsgemäßes Montage­ element beliebig oft verwendet werden kann, da die Hysterese ohne sich auf die mechanische Verbindung nachteilig auswir­ kende Alterungseffekte beliebig oft durchfahren werden kann.

Schließlich zeigen die Fig. 5 und 6 ein weiteres erfindungs­ gemäßes Montageelement 12. Auch dieses ist als Niet ausge­ führt mit einem Nietkopf 13 und einem länglichen, z. B. zy­ lindrischen Nietschaft 14. Wird das Montageelement in die fluchtenden Bohrungen 15, 16 der beiden Gegenstände 17, 18 eingesetzt und anschließend erwärmt, so verkürzt sich bei diesem Montageelement der Schaft 14 und verbreitert sich gleichzeitig. Hierdurch bildet sich im Bereich des Schaften­ des eine kopfartige Verbreiterung 19 aus, die ersichtlich den Gegenstand 17 hintergreift.

Wie ausgeführt bestehen sämtliche gezeigten Aktoren bzw. Ak­ torstreifen zumindest teilweise aus einer bekannten Formge­ dächtnis-Legierung. Beispiele solcher Legierungen sind Ti-Ni- Legierungen, wobei die Ti-Komponente als auch die Ni- Komponente die Hauptkomponenten bilden und noch weitere Le­ gierungspartner vorhanden sein können. Daneben sind auch Cu- Al-Legierungen mit weiteren Legierungspartnern bekannt, wobei der Anteil der Al-Komponente größer oder kleiner als der des weiteren Legierungspartners sein kann. Als besonders geeignet sind Ti-Ni-Legierungen anzusehen. So gehen z. B. aus "Materi­ als Science and Engineering", Vol. A 202, 1995, Seiten 148 bis 156 verschieden zusammengesetzte Ti-Ni- und Ti-Ni-Cu- Legierungen hervor. In "Intermetallic", Vol. 3, 1995, Seiten 35 bis 46 und "Scripta METALLURGICA et MATERIALIA", Vol. 27, 1992, Seiten 1097 bis 1102 sind verschiedene Ti₅₀Ni_50-xPd_x- Formgedächtnis-Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni- Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächt­ nis-Legierungen geeignet. So kommen beispielsweise Cu-Al- Formgedächtnis-Legierungen in Frage. Eine entsprechende Cu- Zn24A13-Legierung ist aus "Z. Metallkde.", Bd. 79, H. 10, 1988, Seiten 678 bis 683 zu entnehmen. In "Scripta Materia­ lia", Vol. 34, No. 2, 1996, Seiten 255 bis 260 ist eine wei­ tere Cu-Al-Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Selbst­ verständlich können zu den vorerwähnten binären oder ternären Legierungen noch weitere Legierungspartner wie z. B. Hf, Pd, Au, Pt, Cr oder gegebenenfalls Ti in an sich bekannter Weise hinzulegiert sein. Beispielsweise liegt der Anteil dieser mindestens einen weiteren Komponente unter 5 Atom-Prozent. Er kann jedoch auch davon stärker abweichen. Weitere mögliche Legierungspartner verschiedener binärer Memory-Metalle, u. a. auch für Ni-Mn-Legierungen, sind in "Transactions of the ASME", Vol. 121, Jan. 1999, Seiten 98 bis 101 genannt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Montageelements ist, dass die verbundenen Gehäuseteile, sofern sie leitfähig sind, durch den Niet miteinander elektrisch kontaktiert wer­ den können, was aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie für Schutzmechanismen des Gehäuses vorteilhaft ist.

Claims (7)

1. Montageelement zum Verbinden zweier Gegenstände, insbe­ sondere zweier Geräteteile, das zumindest teilweise aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht und im Montagezustand eine erste Form und in der Montageendstellung eine zweite, die Ge­ genstände mechanisch verbindende Form aufweist, die ihm vor der Montage unter Ausnutzung seiner Formgedächtnis-Eigen­ schaften eingeprägt wurde, und dessen erste Form die eines Niets (1, 12) mit einem an einem Gegenstand (9, 18) anlegba­ ren Nietkopf (2, 13) und einem länglichen Nietschaft (3, 14) ist, der sich in der Montageendstellung zu einer den anderen Gegenstand hintergreifenden kopfartigen Verbreiterung (10, 11, 19) aufweitet.

2. Montageelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaftende ein- oder mehrfach längsgeschlitzt (4) ist.

3. Montageelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest das Schaftende während der Formwandlung in die zweite Form ver­ kürzt und gleichzeitig verbreitert.

4. Montageelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht, die eine Umwand­ lungstemperatur, bei der sich aufgrund einer Temperaturerhö­ hung eine Hochtemperaturphase bildet und der Niet die zweite Form einnimmt, und eine um wenigstens 30°, insbesondere um wenigstens 50° unterhalb dieser Umwandlungstemperatur liegen­ de Umwandlungstemperatur, bei welcher bei einer Abkühlung die Umwandlung in die Tieftemperaturphase erfolgt, aufweist.

5. Montageelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungs­ temperatur zum Übergang in die Hochtemperaturphase ≧ 40°C, insbesondere ≧ 50°C und die Umwandlungstemperatur zum Über­ gang in die Tieftemperaturphase ≦ 0°C, insbesondere ≦ -40°C ist.

6. Montageelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnis-Legierung einen Ein-Weg-Effekt oder einen Zwei-Weg-Effekt, bei dem der Niet bei der Umwandlung in die Tieftemperaturphase die eingeprägte erste Form einnimmt, zeigt.

7. Montageelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnis-Legierung eine TiNi- oder NiMn- oder CuAl- Legierung ist, die gegebenenfalls noch mindestens einen wei­ tere Legierungspartner enthält.