KR20170016379A - 2개의 물체를 접합하는 방법 - Google Patents

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마리오 레만
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부트벨딩 아게
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Abstract

본 발명은 2개의 물체(1, 5)를, 물체들 중 하나에 제공되는 삽입 부분(6)을 물체들 중 다른 하나에 제공되는 개구(2) 내에 앵커링함으로써, 접합하기 위한 방법 및 기계에 관한 것이다. 앵커리지는 열가소성 재료의 액화와, 액화된 재료 및 침투가능한 재료의 상호침투에 의해 달성되며, 2개의 재료는 개구(2)의 벽과 삽입 부분(6)의 대향 표면상에 배치된다. 그러한 액화 및 상호침투 이전에, 그러한 대향 표면들이 서로 가압되는 억지 끼워맞춤이 형성되고, 앵커링을 위해, 기계적 진동 에너지 및 경우에 따라서는 전단력(22)이 인가되며, 전단력은 억지 끼워맞춤상에 전단 응력을 가한다.

Description

2개의 물체를 접합하는 방법{METHOD OF JOINING TWO OBJECTS}
본 발명은 기계 공학 및 건축 분야에 관한 것이며, 2개의 물체를 접합하기 위한 방법에 관한 것이다. 물체들 중 하나는 삽입 부분(insert portion)을 포함하고 다른 물체는 개구(opening)를 포함하며, 2개의 물체가 접합되기 위해, 삽입 부분이 개구 내에 앵커링되며, 앵커링 영역에서, 물체들 중 하나는 열가소성 특성을 갖는 고체 재료를 포함하고 다른 물체는 액화 시 열가소성 특성을 갖는 재료에 의해 침투가능한 고체 재료를 포함한다. 침투가능한 재료는 예를 들어 섬유성 또는 다공성이며, 예를 들어 구조적 발포체(structural foam)이다.
예를 들어 공보 WO 96/01377 (Createc), WO 98/042988 (Woodwelding) 및 WO 2006/002569 (Woodwelding) 또는 WO 2008/080238로부터, 예를 들어 칩보드(chipboard) 또는 목재와 같은 섬유성 또는 다공성 재료 내에 열가소성 특성을 갖는 재료를 포함하는 삽입물을 앵커링하는 것이 알려져 있다. 그러한 앵커링의 경우, 삽입물이 개구에 대하여 위치되고, 이후에 기계적 진동, 특히 초음파 진동, 및 개구 안으로 삽입물을 가압하기 위해 지향되는 힘이 삽입물에 동시에 인가된다. 삽입물을 위치시키는 단계에서는, 어떠한 관련 힘도 사용되지 않으며, 즉, 진동 에너지의 인가 시, 위치된 삽입물은 자유롭게 진동할 것이거나, 또는, 그것을 섬유성 또는 다공성 재료에 대해 가압하는 언급된 힘으로 인해, 후자에 진동 에너지를 전달할 것이다. 진동 및 힘을 인가하는 단계에서, 열가소성 특성을 갖는 재료는 적어도 섬유성 또는 다공성 재료와 접촉하고 있는 곳에서 마찰열로 인해 액화되고 그것은 개구 벽의 섬유성 또는 다공성 재료 내로 침투하고 재응고 시 다공성 또는 섬유성 재료와 양각 끼워맞춤 결합(positive fit connection)을 형성한다.
공보 WO 96/01377에 따르면, 삽입물과, 삽입물이 안에 앵커링될, 블라인드 개구(blind opening)는, 삽입물이, 개구에 관련하여 위치된 직후에, 개구의 바닥에 도달하지 않도록 상호 구성된다. 이는 삽입물 및/또는 개구를 연속적으로 또는 계단식으로 테이퍼지도록 설계함으로써 달성된다. 초음파 진동의 인가와 동시에 삽입물은 가압력의 작용을 통해 개구 안으로 추가로 전진되며, 주로 측방향 삽입물 측에서 열가소성 특성을 갖는 재료의 액화를 가져온다. 유사한 방법으로 약간 과대한 크기의 삽입물이 개구의 입구 상에 위치되고, 진동 및 가압력의 작용하에서, 개구 안으로 전진되고 그 안에서 측방향으로 앵커링된다. 두 경우 모두 진동의 인가 중에 개구의 깊이 방향으로 삽입물의 벌크(bulk)를 이동시키는 것이 필요하다.
공보 WO 98/042988 및 WO 2006/002569에 따르면, 삽입물과, 삽입물이 안에 앵커링될, 블라인드 개구는, 개구 내에 위치된 직후의 삽입물이 개구의 바닥부에 안착해 있도록 상호 구성된다. 초음파 진동의 인가 중에, 삽입물은 이러한 바닥부에 대해 가압된다. 이는 특히 원위 삽입물 단부(distal insert end)의 영역에서, 즉 개구의 바닥부에서 실질적으로 원위 앵커리지에서 열가소성 특성을 갖는 재료의 액화를 가져오지만 측방향 앵커링을 거의 가져오지 않으며, 삽입물의 벌크는 진동의 인가 중에 이동되지 않거나 아주 약간만 이동된다.
US 5,879,115는 내부에 홈(recess)을 갖는 플라스틱 베이스에 플라스틱 삽입물을 접합하기 위한 장치 및 방법을 제시하고 있다. 그 공정은 용융되고, 삽입물 및 베이스의 플라스틱이 퍼들(puddle) 안으로 함께 혼합되어서, 재-응고 이후, 일체형 조인트(integral joint)(용접부)를 형성하는, 공간 안으로 흘러들어 가는 삽입물 및 베이스 둘 모두의 플라스틱 재료에 의지한다. 이러한 접근법의 적용은, 둘 모두 열가소성 재료이며 그러한 열가소성 재료는 서로 일체로 상호 혼합될 수 있는, 2개의 물체 사이에서의 결합에 국한된다.
본 발명의 목적은 2개의 물체를 접합하기 위한 대안적인 방법으로서, 물체들 중 하나가 삽입 부분을 포함하고 다른 하나가 개구를 포함하며 접합을 위해 삽입 부분이 개구 내에 앵커링되며 적어도 그러한 앵커링을 원하는 영역에서 물체들 중 하나가 열가소성 특성을 갖는 고체 재료를 포함하고 다른 물체가 액화 시 열가소성 특성을 갖는 재료에 의해 침투가능한 고체 재료를 포함하는, 2개의 물체를 접합하기 위한 대안적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 기계적 진동, 특히 초음파 진동의 형태로 제공되는 에너지를 이용하여 그러한 접합이 달성되는, 앞서 간략히 설명된 종래의 방법들을 개선하는 것이다. 본 발명에 따른 방법을 이용하여, 비록 요망되는 앵커링 영역이 비교적 큰 경우라도, 가장 단순한 디자인의 삽입물 및 개구를 가지고 최소 시간의 진동 인가 내에서 매우 높은 균일성의 특히 측방향 앵커리지를 달성하는 것이 가능해질 것이다.
일반적으로, 앞서 언급한 목적들은, 제 1 방법 단계에서, 삽입 부분과, 삽입 부분이 안에 앵커링될, 개구의 벽, 특히 측벽, 사이에서 억지 끼워맞춤(interference fit)을 형성시키고, 그 이후에만, 주로 억지 끼워맞춤이 활성인 곳에서 그러한 달성되는 액화를 야기하는 에너지를 인가함으로써 달성된다. 이러한 방법으로 달성되는 앵커리지는 앞서 간략히 논의된 WO 96/01377에 따른 방법으로 달성되는 앵커리지와 (앵커리지 면적 단위당) 강도가 유사하지만, 앵커링 단계 중에 개구 내에서 관련 거리 이상으로 삽입 부분의 벌크를 이동시킬 필요없이 수행될 수 있으며, 앵커리지가 요망되는 위치에 무관하게 수행될 수 있다. 이러한 사실은 앵커리지를 달성하기 위해 필요한 시간을 적절하게 단축한다. 또한, 앵커링이 요망되는 모든 위치에서 동시에 액화가 시작됨에 따라, 달성되는 앵커리지가 매우 균일하다.
본 발명에 따르면, 제1 재료를 포함하는 제1 물체와 제2 재료를 포함하는 제2 물체가 제공되며, 여기서 제1 재료는 (주변 온도에서) 고체이고 열가소성 특성을 포함하며 (즉, 열에너지의 도움으로 액화 가능하다; 이하에서 이러한 재료는 "열가소성 재료"로 지칭된다), 제2 재료도 (주변 온도에서) 또한 고체이고 제1 재료가 액체 상태에 있을 때 제1 재료에 의해 침투 가능하다 (즉, 제2 재료는 섬유성 또는 다공성이며, 침투가능한 표면 구조체를 포함하거나 또는 가압하에서 그러한 침투에 저항할 수 없다). 특히, 제2 재료는 제1 재료가 표면 구조체에 침투할 때 적용되는 조건하에서 유동성이 되지 않는 그러한 것이다. 예를 들어, 제2 재료는 열가소성 특성을 갖지 않는 재료, 즉 열가소성 재료와는 상이한 재료일 수 있다. 제2 재료는 가역 액화 과정을 겪지 않는 그러한 것일 수 있으며, 이는 그것이 가역 액화 과정을 겪는 것이 불가능한 재료이거나 제1 재료가 유동성이 되는 온도보다 실질적으로 높은 용융 온도를 갖는 재료라는 것을 의미한다. 예를 들어, 제2 재료가 용융 가능한 경우, 그 용융 온도 또는 유리 전이 온도는 제1 재료의 용융 온도 또는 유리 전이 온도보다 적어도 50℃ 또는 적어도 80℃ 또는 적어도 100℃ 만큼 더 높을 수 있다.
제2 재료의 예로는 칩보드(본 문서에서 "칩보드"는, 제품의 형상과는 무관하게, 임의의 형상의 목재 조각들을 접착제와 혼합함으로써 제조된 임의의 복합 재료를 포함하며, 예를 들어 배향성 스트랜드 보드(oriented strand board, OSB)를 포함)와 같은 목재계 재료, 고밀도 섬유판(High Density Fibre board (HDF)), 중밀도 섬유판(Medium Density Fibre board (MDF)), 또는 목재, 또는 금속성 또는 세라믹 발포체 또는 경우에 따라서는 열가소성이 아닌 (열경화성) 폴리머를 기재로 하는 재료의 개방 다공성 구조체가 있다.
제1 및 제2 물체 중 어느 하나는 개구를 포함하고 다른 하나는 개구 내에 앵커링될 삽입 부분을 포함하며, 언급된 재료들이 개구의 벽의 그리고 삽입 부분의 표면의 적어도 일부를 구성한다. 개구와 삽입 부분은 억지 끼워맞춤(압력-끼워맞춤(press-fit))을 위해 상호 치수적으로 구성되며, 즉 삽입 부분은 개구와 비교하여 적어도 국부적으로 오버사이즈를 가지며, 삽입물이 개구 내에서 원하는 위치를 가질 때 삽입 부분과 개구 벽 사이에 적어도 국부적인 압력을 야기하며, 즉 개구의 벽 및/또는 삽입 부분의 탄성 압축(elastic compression)을 야기한다. 그 경우 언급된 제1 및 제2 재료는 그러한 압축의 영역의 적어도 일부에서 서로 대향하여 배치된다.
특히, 제2 물체가 개구를 포함할 수 있고 제1 물체가 삽입 부분을 포함할 수 있다.
억지 끼워맞춤을 형성시키는 방법 단계에서, 삽입 부분은 앞서 언급한 억지 끼워맞춤에 의해 유지되는 개구 내에서 원하는 위치에 위치된다. 억지 끼워맞춤을 달성하기 위해서, 즉 삽입 부분과 개구 벽 사이에서 압축을 발생시키기 위해, 삽입 부분을 언더사이즈를 갖는 개구 안으로 가압하기 위한 또는 개구의 벽 섹션들을 삽입 부분에 대해 가압하기 위한, 간섭력(interference force)이 필요하다. 간섭력의 크기는 억지 끼워맞춤의 세기 및 영역과 실질적으로 상관관계가 있고, 주로 삽입 부분과 개구의 상대적인 치수 그리고 2개의 재료 중에서 하나 또는 둘 모두의 압축가능성에 의존적이고 이에 의해 제한된다.
억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 이후에 수행되는 앵커링 단계에서, 특히, 에너지가 물체들 중 어느 하나에 인가되며, 그 에너지는, 억지 끼워맞춤으로 인해, 개구 벽 및 삽입 부분의 표면 영역이 서로에 대해 가압되고 열가소성 재료 및 침투가능한 재료 중 하나를 각각 포함하는, 영역(앵커링 영역)에서 열로서 작용하기 위한 것이다. 그러한 열은 열가소성 재료가 액화하게 하고 억지 끼워맞춤의 압력은 2개의 재료의 상호침투를 야기하며, 억지 끼워맞춤은 적어도 부분적으로 이완된다.
에너지가 기계적 진동(예를 들어, 초음파 진동)으로서 인가되는 경우, 억지 끼워맞춤은 극복될 것이어서, 적어도 언급된 영역에서, 진동이 개구의 벽과 삽입 부분 사이에서 마찰 및 그와 함께 마찰 열을 야기한다. 억지 끼워맞춤을 극복하기 위해, 삽입 부분과 개구 벽 사이에 전단 하중(shearing load)을 인가하는 것이 필요하며, 이러한 전단 하중은, 삽입 부분 또는 개구 벽 중 하나의 다른 하나에 대한 충분히 강한 진동에 의해, 또는 2개의 물체 사이에 작용하는 진동 및 추가 전단력에 의해, 야기될 수 있다. 바람직하지 않은 이동, 특히 전단력으로 인한 두 물체의 서로에 대한 병진 운동,을 방지하기 위해, 전단력에 적절하게 대항하는 것이 필요할 수 있다.
추가 방법 단계에서, 에너지의 공급은 앵커링 단계에서 액화된 그리고 변위된 열가소성 재료가 재-응고될 때까지 중단되며, 그에 의해 상호침투 영역에서 일종의 복합 재료가 형성되며, 이는 2개의 물체를 양각 끼워맞춤 결합으로 연결한다.
앵커링 단계에서 열가소성 재료를 액화시키기 위해 필요한 에너지는, 앞서 논의된 바와 같이, 두 물체들 중 어느 하나에 바람직하게는 기계적 진동, 특히 초음파 진동,의 형태로 공급되어서, 개구의 벽과 삽입 부분 사이의 경계면에서 마찰 열로 변환될 것이다. 바람직하게는, 진동은 억지 끼워맞춤이 활성인 개구 벽 및 삽입 부분의 표면에 평행한 주 진동 방향을 갖는다. 따라서, 측방향 앵커리지를 달성하기 위해서는, 개구의 깊이에 실질적으로 평행한 종방향 진동 또는 개구의 깊이에 실질적으로 평행한 축으로 회전 진동이 바람직하다. 앞서 언급된 추가 전단력은, 적용되는 경우, 바람직하게는 주 진동 방향에 평행하게 지향되며, 즉 앞서 언급된 두 가지 경우에 대해, 개구의 깊이에 평행하게 또는 개구의 깊이에 평행한 축을 갖는 토크(torque)로서 작용한다.
예를 들어, 적절한 흡수 수단이 억지 끼워맞춤이 활성인 위치에 제공될, 전자기 에너지를 이용한 조사(irradiation)와 같은 다른 종류의 에너지 또는 상응하는 가열(예를 들어, 유도성 또는 저항성 가열)이 또한 적용 가능하다.
앞서 언급한 바와 같이, 앵커리지에 참여하는 열가소성 재료와 침투가능한 재료는 삽입 부분의 선택된 표면과 개구의 벽에만 존재할 수도 있다. 그러나 그것들은 또한 침투가능한 재료 또는 열가소성 재료로 완전히 구성될 수 있거나 또는 추가 부분의 다른 재료들을 포함할 수 있는 두 물체의 더 큰 부분을 구성할 수도 있다.
억지 끼워맞춤이 작용하는 영역에서, 함께 가압되는 2개의 표면 중 어느 하나는 에너지 지향기(energy director)로서 기능하는 구조체, 즉 주요 표면으로부터 돌출하는 점-형상의 또는 선-형상의 요소를 포함할 수 있다. 이러한 에너지 지향 구조체들은 억지 끼워맞춤이 형성될 때 대향 표면을 붕괴시킬 수 있거나 그렇지 않을 수 있고, 삽입 부분의 오버사이즈(oversize)를 계산할 때 그에 따라 고려되어야 할 필요가 있다.
침투가능한 재료 및 열가소성 재료는 (억지 끼워맞춤을 형성시키기 위한 단계의 조건하에서, 즉 일반적으로 주변 온도에서) 억지 끼워맞춤의 압력을 견딜 수 있는 기계적 특성을 가질 필요가 있다. 억지 끼워맞춤을 손상시키는, 두 재료 중 어느 하나의, 크리핑(creeping)은 바람직하게는 방지되어야 한다. 이는 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계의 온도에서 크리핑 경향을 실질적으로 갖지 않는 재료(유리 전이 온도 아래의 또는 바람직하게는 유리 전이 온도 적어도 50℃ 아래의 비정질 폴리머 그리고 용융 온도 아래의 부분 결정질 폴리머)를 선택함으로써 또는 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계와 앵커링 단계 사이의 시간 간격을 크리핑에 의해 억지 끼워맞춤이 너무 많이 손상되기 전에 앵커링 단계를 시작하기에 충분히 짧게 유지함으로써 달성된다 (언급된 시간 간격이 더 짧을수록, 재료들 중 어느 하나의 더 많은 크리핑 경향이 허용될 수 있다, 즉, 폴리머에 대해: 앞서 주어진 온도 한계에 더 가까운 온도가 사용될 수 있다). 에너지가 기계적 진동의 형태로 인가되는 경우에, 침투가능한 재료는 앵커링 단계의 진동 마찰을 견딜 수 있을 것이 추가로 필요하다.
본 발명에 따른 방법에 적합한 침투가능한 재료는 적어도 본 발명에 따른 방법(억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 및 앵커링 단계)의 조건하에서 고체이며, 본 공개 문서의 맥락에서 "고체"는 이러한 재료가 단단하고, 실질적으로 탄성적으로 유연하지 않고 (탄성중합체 특성 없음), 소성 변형가능하지 않으며, 탄성적으로 압축가능하지 않거나 아주 조금만 탄성적으로 압축가능하다는 것을 의미한다. 그것은, 액화된 재료가 안으로 유동하거나 앵커링을 위해 가압될 수 있는, (실제 또는 잠재적인) 공간들을 추가로 포함한다. 그것은 예를 들어 섬유성 또는 다공성이거나, 또는 예를 들어 적절한 기계가공에 의해 또는 코팅에 의해 제조되는 침투가능한 표면 구조체(침투를 위한 실제 공간)를 포함한다. 대안적으로, 침투가능한 재료는 액화된 열가소성 재료의 정수압(hydrostatic pressure)하에서 그러한 공간들을 발생시킬 수 있으며, 이는 주변 조건하에 있을 때 침투가능하지 않을 수 있거나 매우 적은 정도로만 침투가능할 수 있다는 것을 의미한다. (침투를 위한 잠재적인 공간을 갖는) 이러한 특성은 예를 들어 기계적인 저항성 면에서 불균질성을 암시한다. 이러한 특성을 갖는 재료의 예는 기공이 기공 밖으로 가압될 수 있는 재료로 채워져 있는 다공성 재료, 연질 재료와 경질 재료의 복합체, 또는 구성성분들 간의 계면 접착력이 침투하는 액화된 재료에 의해 가해지는 힘보다 작은 (목재와 같은) 불균질 재료이다. 따라서, 일반적으로, 침투가능한 재료는 구조 면에서 (기공, 캐비티 등과 같은 "빈(empty)" 공간) 또는 재료 조성 면에서 (변위가능한 재료 또는 분리가능한 재료) 불균질성을 포함한다.
적절히 반복가능한 접합 품질을 생성하기 위해서 본 발명에 따른 방법에 있어서 침투가능한 재료는 억지 끼워맞춤에 단정할 수 있는 강도를 부여하기에 충분히 예측가능하고 균질한 기계적 특성을 가질 필요가 있다. 살아있는 뼈의 경우에는 거의 그렇지 않기 때문에 본 방법은 의료 목적으로는 적합하지 않다.
개구 내에 삽입 부분을 도입함으로써 삽입 부분이 안으로 삽입되는, 개구, 예를 들어 블라인드 개구를 갖는 실시형태에 있어서, 앤빌 물체(anvil object)는 억지 끼워맞춤으로 인해 상당한 기계적 하중의 영향을 받는다. 침투가능한 재료 또는 경우에 따라서는 앤빌 물체의 다른 재료의 조성에 따라, 앵커링 단계 전에 개구 안으로 삽입 부분의 도입에 의해 균열 또는 다른 손상이 야기될 위험이 있을 수 있다.
예를 들어, 실시형태에 있어서, 앤빌 물체는, 넓은 표면들과, 넓은 표면들 사이의, 좁은 측면을 갖고, 좁은 측면으로부터 안쪽으로 개구가 연장되어 있는 (즉, 개구는 좁은 측 표면상에 입구를 구비함), 보드 형상 부분(board shaped portion)을 (예를 들어, 보드 형상화됨으로써 또는 보드 형상 구성요소를 포함함으로써) 포함할 수도 있다.
일반적으로, 필요한 경우, 균열 또는 다른 손상(예를 들어, 벌징(bulging), 또는 박리되어 떨어지는 부분들)이 발생하는 것을 방지하기 위해 조치들이 취해질 수 있다. 특히, 간섭력의 적용을 받는 대향 표면 영역을 줄이기 위한 조치들이 취해질 수 있다:
- 개구의 그리고 삽입 부분의 단면은 동일한 형상을 갖지 않도록 상호 구성되어서 억지 끼워맞춤은 단면의 둘레의 일부만으로 제한된다.
○ 간섭력의 적용을 받는 부분들 사이의 거리가 후속 앵커링 단계 중 열가소성 재료의 유동 거리보다 작거나 그와 비슷한 경우, 그럼에도 불구하고 앵커링은 전체 둘레에 관계될 수 있으며, 간섭력 부분들 사이의 부분들은 압착된 열가소성 재료가 들어갈 수 있는 추가 공간으로서 기능한다. 예를 들어, 개구의 단면이 둥글고 삽입 부분의 단면이 가까이 위치된 치형부를 갖는 별모양인 경우, 앵커링 중에 열가소성 재료는 유동해서 치형부 사이의 공간을 채울 수 있다.
○ 간섭력 부분들 사이의 거리가 큰 경우, 앵커링은 둘레의 일부로, 본질적으로 간섭력 부분들에 대응하여, 그에 따라 제한될 것이다.
○ 이러한 개념의 실시형태에 있어서, 그러한 단면들의 에지들은 에너지 지향 요소로서 기능할 수 있으며 그리고/또는 억지 끼워맞춤이 형성 시 개구의 측벽 안으로 가압될 수 있다.
- 부가적으로 또는 대안으로서, 개구 및 삽입 부분의 단면 쌍은 개구의 깊이에 따라 상이할 수 있어서, 억지 끼워맞춤이 이러한 깊이를 따라 배치되는 소정의 영역으로 제한될 수 있다. 특히, 억지 끼워맞춤은 개구의 입구로부터 떨어져 있는 영역으로 (더 깊은 부분으로) 제한될 수 있는데, 왜냐하면 균열 또는 다른 손상의 위험은 개구의 림(rim)에서 가장 높기 때문이다.
○ 실시예에서, 개구는, 더 깊은 부분에서 더 작은 직경을 갖는, 계단형 또는 테이퍼형일 수 있으며, 반면 삽입 부분은 계단(단차)/테이퍼를 전혀 갖지 않거나 또는 상이하게 계단형/테이퍼형 이다.
- 부가적으로 또는 또 다른 대안으로서, 특히 예를 들어 약간 탄성 재료인 경우, 삽입 부분에는 중공 부분(hollow part)이 제공될 수 있다. 실시예에서, 원위 단부가 중공일 수 있다.
- 부가적으로 또는 추가 대안으로서, 삽입 부분에는 강성 또는 유연성/연성 윙(wing)들이 제공될 수도 있다. 이후에 삽입 부분은 예를 들어 공기압 또는 유사한 것에 의해 개구 안으로 발사될 수 있다. 윙은 균열을 초래하지 않고 삽입 부분이 올바른 위치에 위치되는 것을 보장할 수 있다.
- 부가적으로 또는 또 다른 대안으로서, 간섭력은 앵커링 단계 직전에 그리고 물체들이 서로에 대해 위치된 이후에만, 제1 물체의 내부로부터, 야기될 수도 있다. 특히, 제1 물체에는 근위 측으로부터 접근가능한 내부 개구가 제공될 수 있으며, 예를 들어 이후에 에너지를 제1 물체에 전달하는 진동 기구에 의해 팽창 요소가 개구 안으로 밀어 넣어질 수 있다. 여기에서 팽창 요소는 내부 개구보다 큰 단면을 가져서 제1 물체를 팽창시키며 이에 의해 내부로부터 간섭력을 유발한다.
본 발명에 따른 방법에서 적용가능한 침투가능 재료의 예로는 목재, 합판(plywood), 칩보드, 판지(cardboard), 콘크리트 벽돌 재료, 다공성 유리, 금속, 세라믹, 또는 폴리머 재료의 발포체, 또는 소결 세라믹, 유리 또는 금속 재료와 같은 고체 재료가 있으며, 그러한 재료들은 열가소성 재료들이 침투해 들어갈 수 있는 공간들을 포함하고 그러한 공간들은 원래는 공기로 또는 다른 변위가능한 또는 압축가능한 재료로 채워져 있다. 또 다른 예들로는 상기 언급된 특성들을 갖는 복합 재료 또는 적절한 조도(거칠기), 적절한 기계가공된 표면 구조체 또는 (예를 들어, 입자들로 구성된) 적절한 표면 코팅을 포함하는 표면을 갖는 재료가 있다. 침투가능한 재료가 열가소성 특성을 갖는 경우, 기계적으로 안정한 상(phase)을 추가로 포함함으로써 또는 앵커링 단계에서 액화될 열가소성 재료보다 상당히 더 높은 용융 온도를 가짐으로써 앵커링 단계 중에 기계적 강도를 유지하는 것이 필요하다.
본 발명에 따른 방법에 적합한 열가소성 재료는, 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계의 조건하에서, 침투가능한 재료에 대해 앞서 설명한 바와 같은 의미에서 또한 고체이다. 바람직하게는 그것은, 임계 온도 범위 이상에서, 예를 들어 용융됨으로써, 고체로부터 액체로 변화되거나 유동가능하게 되고, 임계 온도 범위 이하로 다시 냉각될 때, 예를 들어 결정화에 의해, 고체 재료로 재-변화되는, (특히, C, P, S 또는 Si 사슬 기반의) 폴리머 상(polymeric phase)을 포함하며, 이에 의해 고체 상의 점도는 액체 상의 것보다 몇 자릿수(차수)가 더 높다(적어도 세 자릿수가 더 높다). 열가소성 재료는, 공유결합으로 가교-결합되지 않은 또는 용융 온도 범위로 또는 그 이상으로 가열 시 가교-결합하는 결합들이 가역적으로 개방되도록 가교-결합된, 폴리머 성분을 일반적으로 포함할 것이다. 폴리머 재료는 충전재(filler), 예를 들어 열가소성 특성을 갖지 않거나 기초 폴리머의 용융 온도 범위보다 상당히 더 높은 용융 온도 범위를 포함하는 열가소성 특성을 갖는 재료의 섬유 또는 입자를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서 적용가능한 열가소성 재료의 예로는 열가소성 폴리머, 코-폴리머(co-polymer) 또는 충전된 폴리머가 있으며, 기초 폴리머 또는 코-폴리머는 예를 들어 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아미드(polyamide)(특히 폴리아미드 12, 폴리아미드 11, 폴리아미드 6, 또는 폴리아미드 66), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene), 폴리카보네이트우레탄(polycarbonateurethane), 폴리카보네이트(polycarbonate) 또는 폴리에스테르 카보네이트(polyester carbonate), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 아크릴에스테르-스티롤-아크릴로니트릴(Acrylester-Styrol-Acrylnitril, ASA), 스티렌-아크릴로니트릴(Styrene-acrylonitrile), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리스티렌(polystyrene), 또는 폴리에테르케톤(Polyetherketone, PEEK), 폴리에테르이미드(Polyetherimide, PEI), 폴리술폰(Polysulfon, PSU), 폴리(파라-페닐렌설파이드)(Poly(p-phenylene sulfide), PPS), 액정폴리머(Liquid crystall polymer, LCP) 등이 있다. LCP가 특히 관심을 받고 있는데, 왜냐하면 용융 중 점도에서의 급락이 침투가능한 재료 내의 매우 미세한 공간 내 침투를 가능하게 하기 때문이다.
일반적으로, 접합될 2개의 물체 중 어느 하나는, 진동 기구가 적용되는 근위 물체 측으로부터 삽입 부분 또는 개구가 배치되는 원위 측으로, 진동 에너지를, 바람직하게는 최소의 에너지 손실로, 전달할 수 있을 필요가 있다. 이러한 물체가 열가소성 재료로 완전히 이루어진 경우에는, 그것은 적어도 0.5 GPa의 또는 바람직하게는 적어도 1.0 GPa의 (주변 온도에서) 탄성 계수를 필요로 할 것이다.
열가소성 재료와 침투가능한 재료는 적절한 억지 끼워맞춤과 바람직한 침투가 가능하고 적절한 앵커리지로 결과하도록 상호 구성될 필요가 있다. 유리하다고 판명된 재료 쌍은 예를 들어 합판(침투가능한 재료)과 폴리아미드(열가소성 재료)의 쌍이다.
본 발명에 따른 방법에 적합한 기계적 진동(vibration or oscillation)은 바람직하게는 2 내지 200 kHz의 주파수(한층 더 바람직하게는 10 내지 100 kHz, 또는 20 내지 40 kHz)와 활성 표면의 평방(제곱) 밀리미터당 0.2 내지 20 W의 진동 에너지를 갖는다. 진동 기구(예를 들어, 소노트로드(sonotrode))는 그 접촉면이 주로 기구 축의 방향으로 (종방향 진동) 그리고 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 약 30 내지 60 ㎛의 진폭을 가지고 진동하도록 예를 들어 구성된다. 그러한 바람직한 진동은 예를 들어 초음파 용접(ultrasonic welding)으로부터 알려져 있는 초음파 장치에 의해 예를 들어 생성된다.
본 발명에 따른 방법의 앵커링 단계의 바람직한 실시형태에서, 2개의 물체 중 하나(앤빌 물체)는 안정한 위치에 고정되어 있고 진동 기구는 다른 물체(자유 물체)에 적용되며, 해당되는 경우, 진동 기구는 자유 물체에 진동을 전달하기 위해 사용될 뿐만 아니라 개구의 깊이에 평행하게 지향되는 전단력을 위해 사용된다. 거기에서 진동 기구는 자유 물체에 연결되어 있지 않을 수 있거나 느슨하게만 연결되어 있을 수 있으며, 즉 그것은 자유 물체 상에서 실질적으로 해머(hammer)로서 작용한다. 대안적으로 그것은 진동이 자유 물체에 완전히 전달되도록 자유 물체에 고정될 수도 있다.
개구의 깊이에 평행하게 지향되는 전단력으로 인한 두 물체의 서로에 상대적인 (또는 각각 개구 내의 삽입 부분의) 바람직하지 않은 움직임은, 예를 들어 개구를 블라인드 개구로서 설계하거나 관련 단면 감소를 포함함으로써, 또는 관통 개구의 내부 또는 그 입구에 보조 앤빌을 배치함으로써 그리고, 억지 끼워맞춤을 달성하는 단계에서, 개구 내부에 삽입 부분을, 그 원위 단부가 블라인드 개구의 바닥부, 또는 단면 감소부분, 또는 보조 앤빌에 인접하거나 또는 그로부터 소정의 작은 거리를 갖도록, 위치시킴으로써, 제한되거나 방지된다.
본 발명에 따른 방법의 예시적인 바람직한 실시형태에 있어서, 앤빌 물체는 개구(예를 들어, 블라인드 보어(blind bore), 즉 일정한 원형 단면과 바닥부를 갖는 개구)를 포함하고 침투가능한 재료를 포함한다 (예를 들어, 그것은 목재 또는 칩보드로 구성된다). 자유 물체는 (예를 들어 핀(pin)-형상인) 삽입 부분을 포함하고 열가소성 재료(예를 들어, 폴리아미드, PA 6.6)로 구성된다. 앵커리지는 주로 삽입 부분의 측면에서 달성될 것이지만, 바람직하게는 보어의 바닥부에서도 또한 달성될 것이다. 삽입 부분은 보어의 직경보다 큰 직경을 가짐으로써 개구에 비해 오버사이즈를 갖는 단면을 갖는다. 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계에서, 삽입 부분은 그 원위 단부가, 임의의 적절한 기구, 경우에 따라서는 비활성 상태의 (진동하지 않는) 진동 기구를 이용하여 핀의 근위 단부에 인가되는 간섭력의 도움으로, 보어 바닥부와 실질적으로 접촉할 때까지 보어 안으로 가압된다. 앵커링 단계에서, 진동 기구는 활성화되고, 해당되는 경우, 추가 전단력을 갖고서 자유 물체의 근위 단부에 대해 동시에 가압된다.
이러한 유형의 실시형태에서, 삽입 부분의 벌크의 축방향 이동은 개구의 바닥부의 압축의 보상 및 이러한 바닥부의 영역에서 침투가능한 재료의 침투로 제한될 수 있다. 삽입 부분의 근위 단부는 측방향으로 변위된 액화된 재료를 보상(보충)하기 위한 삽입 부분의 단축으로 인해 추가로 이동될 수 있다.
예를 들어 실린더형 삽입 부분은, 억지 끼워맞춤 형성 시 개구의 측벽에 홈에 끼워 맞춰 넣을 수 있거나 그렇지 않을 수 있는, 축방향으로 뻗은 리지(ridge)의 형태로 에너지 지향 특징부를 포함할 수 있다. 핀 단면의 오버사이즈가 리지의 반경방향 높이보다 작은 경우, 억지 끼워맞춤과 그에 따라 앵커리지는 리지의 영역으로 제한될 것이며 리지들 사이의 밸리(valley)와는 관련되지 않을 것이다. 대안적으로 또는 추가로 개구의 측벽에 에너지 지향 구조체를 설치하는 것이 가능하다. 삽입 부분은 바람직하게는 완전히 열가소성 재료로 구성되지만 대안적으로, 실질적으로 삽입 부분의 중앙 종방향 축을 따라 연장되어 있고 바람직하게는 열가소성 재료보다 더 높은 기계적 강도를 갖는 재료(예를 들어, 액화될 열가소성 재료보다 상당히 더 높은 용융 온도를 갖는 열가소성 재료 또는 금속 또는 세라믹 재료)로 구성되는, 코어(core)를 포함할 수도 있다.
앵커링 단계를 위해 앞서 설명된 바와 같은 진동이 사용되는, 본 발명에 따른 방법의 앞서 설명된 바람직한 실시형태를 위한 예시적인 파라미터들은: (a) 개구의 측벽에 대한 측면상의 삽입 부분의 오버사이즈: 10분의 수 밀리미터 범위 내 (예를 들어, 0.1 내지 0.5 ㎜), (b) 억지 끼워맞춤: ㎟당 10분의 수 N 범위 내 (예를 들어, 0.1 내지 1 N/㎟) 이다.
실험은 앞서 간략히 설명된 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태를 이용하여 앵커링 단계가 종래의 방법에 따라 진동의 인가와 동시에 개구 안으로 삽입 부분이 강제되는 경우에 필요한 시간의 약 절반 정도로 감소될 수 있다는 것을 보여준다. 시간에서의 이러한 감소는 진동 에너지의 관련 절약 및 자동화 공정에 관한 관련 이점을 구성한다. 또한, 그것은 진동 기구가 해머링(hammering)하고 있는 근위면상에 더 적은 변형을 가하며, 액화된 재료가 개구의 입구 밖으로 가압되어 나올 위험을 줄인다. 이는, 언급된 근위면이 열가소성 재료로 구성된 경우라도 앵커링 단계 중에 바람직하지 않게 표시되거나 변형되지 않고 개구의 입구 영역이 청결하게 유지된다는 점에서, 본 방법의 결과의 전체적인 품질을 증가시킨다.
본 발명에 따른 방법의 앞서 언급된 바람직한 실시형태에 대한 예시적인 대안들은 (앞에서 추가로 이미 설명되지 않은 한) 예를 들어 다음과 같다.
Figure pct00001
삽입 부분과 개구는 실린더형이 아니고 예를 들어 연속적으로 또는 계단식으로 테이퍼형이며, 전체적인 테이퍼링 각도는 바람직하게는 10 내지 15°보다 크지 않다.
Figure pct00002
삽입 부분의 임의의 단면은 그루브(groove) 형태로 개구와 페어링되며, 복수의 삽입 부분이 나란히 또는 사이에 거리를 두고 그루브 안으로 도입될 수 있다.
Figure pct00003
개구의 그리고 삽입 부분의 단면은 하나는 에너지 지향 요소를 포함하고 다른 하나는 그렇지 않다는 것이 다르다.
Figure pct00004
에너지 지향 요소는 개구의 깊이에 평행하게 연장되어 있는 리지의 형태를 갖는다.
Figure pct00005
삽입 부분의 근위 단부에는, 근위 부분이 제공되며, 그러한 근위 부분은 근위 부분이 개구 안으로 도입될 수 없도록 삽입 부분보다 더 큰 단면을 예를 들어 갖는다. 그러한 헤드-형 근위 부분(head-shaped proximal portion)은 진동 기구의 적용을 위한 그리고 경우에 따라서는 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 중에 그리고/또는 앵커링 단계 중에 개구 안으로 삽입 부분의 이동을 제한하기 위한 역할을 할 수 있다. 또한, 근위 부분은, 예를 들어 그 형상과 관련된, 추가 기능들을 가질 수도 있다.
Figure pct00006
블라인드 개구의 바닥부에서 강한 앵커리지가 요망되는 경우, 삽입 부분의 이러한 원위 단부는 테이퍼지거나 에너지 지향 표면 구조체를 포함한다.
Figure pct00007
블라인드 개구의 바닥부에서 최소 앵커리지가 요망되는 경우, 삽입 부분의 원위 단부는 바람직하게는 블런트(blunt)하며 그리고/또는 열가소성 재료를 포함하지 않으며, 그리고/또는 개구의 바닥부는 침투가능성이 아니거나 개구의 측벽의 재료보다 덜 침투가능성인 재료를 포함한다.
Figure pct00008
삽입 부분은, 예를 들어 개구의 깊이의 방향으로 연장되어 있는 그리고 앵커링 단계의 조건하에서 연화되거나 액화되지 않는 재료(예를 들어, 금속성 또는 세라믹 재료 또는 열경화성 폴리머인 폴리머 재료 또는 앵커링 단계에서 액화될 열가소성 재료보다 상당히 더 높은 용융 온도 범위를 갖는 열가소성 폴리머)로 구성된, 코어를 포함한다. 그러한 코어는 삽입 부분의 기계적 강도를 증가시킨다.
이러한 가능성들은 임의의 조합으로 서로 조합될 수 있다.
본 발명은 또한 자동화된 방식으로 본 발명을 수행하기 위한 기계에 관한 것이다. 그러한 기계는 억지 끼워맞춤을 형성시키기 위해 개구 내에 삽입 부분을 삽입하기 위한 삽입 수단, 및 앵커링 공정을 수행하기 위한 앵커링 수단을 포함한다. 삽입 수단은 (예를 들어, 진동 기구가 개구 안으로 삽입 부분을 먼저 밀어넣고 이후에 기계적 진동의 적용을 받아 앵커링 공정을 위한 배치에 에너지를 커플링함으로써) 앵커링 수단과 결합될 수 있거나 또는 그로부터 분리될 수 있다.
본 발명은 또한 제1 물체의 스톡(stock) 및 기계의 세트에 관한 것이다. 기계가 (드릴과 같은) 개구 생성 수단을 추가로 포함하는 경우, 개구 생성 수단과 제1 물체는 억지 끼워맞춤이 개구 내 삽입 부분의 삽입에 의해 형성될 수 있도록 상호 구성된다.
본 발명은 첨부된 도면들과 함께 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명에 의하면, 2개의 물체를 접합하기 위한 대안적인 방법으로서, 물체들 중 하나가 삽입 부분을 포함하고 다른 하나가 개구를 포함하며 접합을 위해 삽입 부분이 개구 내에 앵커링되며 적어도 그러한 앵커링을 원하는 영역에서 물체들 중 하나가 열가소성 특성을 갖는 고체 재료를 포함하고 다른 물체가 액화 시 열가소성 특성을 갖는 재료에 의해 침투가능한 고체 재료를 포함하는, 2개의 물체를 접합하기 위한 대안적인 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 기계적 진동, 특히 초음파 진동의 형태로 제공되는 에너지를 이용하여 그러한 접합이 달성되는, 앞서 간략히 설명된 종래의 방법들이 개선된다. 본 발명에 따른 방법을 이용하여, 비록 요망되는 앵커링 영역이 비교적 큰 경우라도, 가장 단순한 디자인의 삽입물 및 개구를 가지고 최소 시간의 진동 인가 내에서 매우 높은 균일성의 특히 측방향 앵커리지를 달성하는 것이 가능해진다.
도 1은 이미 앞서 간략히 논의된 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태의 실시예를 도시한다.
도 2A/B는 진동 기구로부터 자유 물체로의 진동 전달의 2가지 실시예를 도시한다.
도 3A/B는 측방향 앵커리지에 추가로 개구의 바닥부에서 개구 앵커리지의 바닥부와 삽입 부분의 원위 단부의 페어링(pairing)을 위한 2가지 실시예를 도시한다.
도 4는 도 1에 예시된 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5 내지 도 8은 예를 들어 도 1에 예시된 방법에서 적용가능한 개구 및 삽입 부분의 단면의 매칭된 쌍의 실시예들을 도시한다.
도 9 및 도 10은 액화가능하지 않은 코어를 갖는 자유 물체의 실시예들을 도시한다.
도 11 내지 도 16은 예를 들어 도 1에 예시된 방법에서 적용가능한 매칭된 삽입 부분 및 개구의 종방향 섹션의 실시예들을 도시한다.
도 17 및 도 18은 예를 들어 도 1에 예시된 방법에서 개구 내에 앵커링된 삽입 부분에 연결된 근위 부분의 실시예들을 도시한다.
도 19는 중공 원위 단부를 갖는 삽입 부분의 일 실시형태를 도시한다.
도 20은 삽입 부분 주위에서 개구의 벽 부분들을 클램핑(clamping)함으로써 억지 끼워맞춤이 형성되는 본 발명에 따른 방법의 일 실시형태를 도시한다.
도 21은 삽입 부분이 복수의 윙을 갖는 일 실시형태의 실시예를 도시한다.
도 22 및 도 23은 억지 끼워맞춤이 개구의 깊이에 따라 배치된 소정의 영역으로 제한되도록 이러한 깊이를 따라 상이한 삽입 부분 및 개구의 단면 쌍을 갖는 실시형태의 추가 실시예들을 도시한다.
도 24는 간섭력이 삽입 부분의 내부로부터 유발되는 실시형태의 실시예를 도시한다.
도 25는 여기서 설명된 공정을 수행하기 위한 기계를 간략하게 도시한다.
도면에서, 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 앞서 이미 간략하게 설명된 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태를 도시하며, 2개의 물체, 또는 삽입 부분 및 개구 각각이, 개구의 깊이에 평행한 섹션(종방향 섹션)으로 도시되어 있다. 도 1의 좌측에는 접합될 2개의 물체가 도시되어 있다.
앤빌 물체(1)는 깊이(D)를 갖는 블라인드 개구(2), 깊이(D)에 실질적으로 평행하거나 또는 그와 단지 작은 각을 형성하는, 측벽(3), 그리고, 예를 들어 깊이(D)에 실질적으로 수직인, 바닥부(4)를 포함한다. 앤빌 물체(1)는, 측벽(3)의 적어도 일부, 예를 들어 측벽 그리고 추가로 바닥벽의 전체를 구성하도록 마련되는, 침투가능한 재료를 추가로 포함한다. 거기에서 앤빌 물체(1)는 침투가능한 재료로 완전히 구성될 수 있거나 다른 재료 부분을 추가로 포함할 수 있다. 자유 물체(5)는 원위방향으로 배치된 삽입 부분(6)을 포함하고, 그것은 삽입 부분(6)의 측방향 표면(7)의 적어도 일부를 구성하는 열가소성 재료를 추가로 포함한다. 거기에서 자유 물체(5)는 도시된 바와 같이 열가소성 재료로 완전히 구성되거나 부분적으로만 구성될 수도 있다.
삽입 부분(6)과 개구(2)는 앞서 설명된 바와 같이 상호 구성된다 (바닥부(4)에 원위 단부(10)의 인접(abutment)을 가능하게 하기에 충분한 삽입 부분의 축방향 길이, 간섭 단면). 자유 물체(5)는 (예를 들어 헤드처럼 형상화된) 근위 부분(8)을 추가로 포함할 수 있으며, 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 중에 그리고 앵커링 단계 중에 사용되는 기구를 적용하기 위해 그 근위면(9)이 구비된다.
도 1의 중앙에는 억지 끼워맞춤의 형성 이후의 2개의 물체(1 및 5)가 도시되어 있다. 예를 들어 블런트한, 삽입 부분(6)의 원위 단부(10)는 개구(2)의 바닥부(4)에 접하고, 삽입 부분(6)은 주로 측방향으로 작용하는 억지 끼워맞춤에 의해 개구(2) 내에 유지된다 (삽입 부분의 측방향 표면과 개구의 측벽은 서로에 대해 가압된다). 삽입 부분(6)을 개구(2) 내에 위치시키기 위해 간섭력(20)이 임의의 적절한 도구(미도시)를 이용하여 자유 물체(5)의 근위면(9)에 인가된다. 대안적으로, 간섭력은 예를 들어, 모두가 개구의 부분을 구성하는, 복수의 섹션에 앤빌 물체(1)를 제공함으로써 그리고 삽입 부분(6) 주위의 섹션들을 폐쇄함으로써 형성될 수 있으며, 섹션들을 서로에 대해 이동시키는 힘은 간섭력을 구성한다 (도 20 참조).
도 1의 우측에는 접합된 경우의, 즉 앵커링 단계 이후의, 2개의 물체(1 및 5)가 도시되어 있다. 자유 요소(5)는 삽입 부분의 원위 단부(10)(또는 각각 개구(2)의 바닥부(4))의 영역에서 그리고 측방향 표면(7)의 영역에서 (또는 각각 개구(2)의 측벽(3)의 영역에서) 개구(2) 내에 앵커링된다. 앵커링 단계는, 자유 물체(5)의 근위면(9)에 가압되는, 진동 기구(21)의 도움으로 수행된다.
개구(2)의 깊이(D)보다 원래 더 큰 삽입 부분(6)의 길이(L)는 앵커링 단계 중에 변위되는 액화된 재료를 보상하기 위해 앤빌 물체(1)에 대해 각각 자유 물체(5) 또는 그 근위 부분(8)의 이동을 가능하게 한다. 근위 부분(8)의 원위면과 앤빌 물체(1)의 표면 사이에서 추가 앵커링이 요망되지 않는 한, 늦어도 근위 부분(8)이 앤빌 물체(1)의 표면에 접할 때 앵커링 단계는 종료될 것이다. 앵커링 단계의 종료는 앵커링 단계를 위한 소정의 시간 간격에 의해 또는 전단력(22)의 소정의 최대값에 의해 대안적으로 또는 부가적으로 결정될 수 있다.
도 2A 및 2B는 앵커링 단계를 수행하기 위한 2가지 대안을 도시하며, 그 대안들은 앞에서 추가로 이미 간략히 언급된 바와 같이 자유 물체의 근위면과 진동 기구 사이의 경계면과 관련된다.
도 2A에 도시된 대안의 경우 진동 기구(21)는 전단력(22)의 도움으로 자유 물체(5)의 근위면에 대해 (거기에 연결되지 않고) 단지 가압되며, 그 원위면에서 최대 종방향 진동을 위한 진동 기구를 설계하는 것이 바람직하다. 이는 앤빌 물체를 향하는 진동의 일부만이 자유 물체(5)에 전달된다는 것을 의미한다 (복수의 작은 화살표(23)에 의해 도시된, 해머링 효과). 그러한 배치와 함께 단지 측방향 앵커리지만 달성될 것인 경우, 주의를 기울여야 하는데, 삽입 부분의 원위 단부의 작은 변위를 위해 개구의 바닥부에 공간이 여전히 존재하며 전단력(22)이 작을 수도 있다. 개구의 바닥부에서도 앵커리지가 도 1에 도시된 바와 같이 요망되는 경우, 전단력은 마찰을 가능하게 하기 위한 억지 끼워맞춤을 극복하는 것을 지원할 뿐만 아니라 예를 들어 WO 98/042988로부터 알려져 있는 바닥부 앵커리지를 또한 제공한다.
도 2B에 도시된 대안의 경우, 진동 기구(21)는 자유 물체(5)에 견고하게 연결되며, 그러한 연결은 총 진동(이중 화살표 (24))을 자유 물체(5)에 전달할 수 있다. 바닥부에서 어떠한 앵커리지도 요망되지 않는 경우, 진동 에너지가 억지 끼워맞춤을 극복하기에 충분히 큰 경우, 그리고 앤빌 물체가 충분히 안정적으로 고정되어 있거나 충분한 관성을 갖는 경우에는, 어떠한 추가 전단력도 측방향 앵커리지를 달성하기 위해 필요하지 않다. 그러한 방법은 개구가 블라인드 개구가 아니고 관통 터널인 경우에 특히 적용가능하다. 개구가 바닥부를 여전히 포함하고 측방향 앵커리지에 더하여 이러한 바닥부에서의 앵커리지가 요망되는 경우에, 그러한 바닥부 앵커리지를 위한 충분한 "전단"력이 필요하며, 그것은 또한 억지 끼워맞춤을 극복하기 위한 진동을 보충할 수 있다.
도 3A 및 3B는 더 강한 바닥부 앵커리지를 달성하기 위한 2가지 대안을 도시하며, 자유 물체(5)의 삽입 부분(6)의 단지 원위 단부와 앤빌 물체(1)의 개구(2)가 도시되어 있다. 도 3A에 따르면 삽입 부분(6)의 테이퍼링 원위 단부(10)가 개구(2)의 실질적으로 평평한 바닥부 표면(4)과 페어링된다. 도 3B에 따르면 삽입 부분(6)의 실질적으로 블런트한 원위 단부(10)가, 적어도 하나의 상승부(elevation)를 갖는 콘(cone) 또는 유사한 형상을 포함하는, 개구 바닥부(4)와 페어링된다. 도 3A에 따른 대안은 개구의 깊이에 평행한 상호침투에 유리한 반면, 도 3B에 따른 대안은 액화된 재료의 측방향 전환에 유리하다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다. 이 흐름도는 본 방법이 다음의 단계들: 2개의 물체를 제공하는 단계(25), 간섭력의 도움으로 삽입 부분과 개구 사이에서 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계(26), 기계적 진동 에너지 및 경우에 따라서는 추가 전단력의 도움으로 개구 내에 삽입 부분을 앵커링하는 단계(27), 그리고 최종적으로, 진동을 중단하고 앵커링 단계에서 액화된 재료를 재-응고시키는 단계(28),를 포함하는 것을 도시한다. 단계들(25 내지 28)의 시간 순서는 도시된 바와 같으며 변경될 수 없다. 그러나, 단계 25 및 26 사이에 그리고/또는 단계 26 및 27 사이에 포즈(pause)가 있을 수는 있으며, 앞서 추가 언급된 바와 같이, 열가소성 재료 및 침투가능한 재료 중 어느 하나가 크리핑 경향을 갖는 경우, 단계 25 및 26 사이의 포즈는 주의 깊게 계획되어야 한다.
도 5 내지 8은 적어도 도 1에 예시된 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태에 적합하도록 상호 구성되는 개구 및 삽입 부분의 단면의 예시적인 쌍을 도시한다. 거기에서 삽입 부분의 단면(30)은 실선으로 도시되어 있으며, 파선으로 도시된, 개구의 단면(31) 위로 돌출되어 있다. 도시된 단면들(30 및 31)은 (억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 이전 및 앵커링 단계 이전) 제공된 요소들의 단면이다. 삽입 부분의 오버사이즈는 일정한 비율로 도시되어 있지 않다 (너무 큼). 엄격히 실린더형 (원형 또는 다른 실린더) 삽입 부분 및 개구의 경우, 도시된 단면들(30 및 31)은 개구 깊이 및 축방향 삽입 길이의 대부분에 걸쳐 연장될 것이다. 다른 형태의 삽입 부분 및/또는 개구의 경우, 단면들은 축방향 삽입 길이 및/또는 개구 깊이를 따라 형태 및/또는 크기가 변할 수도 있다.
도 5는 삽입 부분의 단면(30)의 요구되는 오버사이즈를 갖는 2개의 원형 단면들(30 및 31)을 도시한다. 그러한 단면 쌍은, 측방향 개구 벽의 침투가능한 재료가 억지 끼워맞춤의 영역에서 균일한 경우, 개구와 삽입 부분의 전체 둘레 상에서 균일한 앵커리지로 결과할 것이다.
도 6은 개구에 대한 원형 단면(31)과 복수의 리브(rib)(32)를 갖는 삽입 부분에 대한 단면(30)을 도시한다. 리브(32)는 에너지 지향 구조체의 역할을 한다. 충분히 첨예한 경우, 리브(32)는 억지 끼워맞춤을 형성시킬 시 개구의 측벽에 침투할 수도 있으며, 이는 단면들의 간섭을 결정할 때 고려되어야 한다. 리브들만 오버사이즈를 갖고 그 사이의 밸리들은 그렇지 않은 경우, 앵커리지는 이러한 리브들의 부근에서만 발생할 것이다. 삽입 부분의 단면(30)을 실질적으로 원형으로 여전히 유지하면서 개구의 단면(31)에 개구 벽으로부터 돌출되는 점들을 구비함으로써 유사한 효과들이 달성될 수 있다.
도 7은, 충분한 깊이의 움푹 들어간 부분(indentation)(33)을 가져서 그러한 영역에서는 억지 끼워맞춤이 형성되지 않을 것이며 그와 함께 앵커리지도 발생하지 않을 것인, 삽입 부분에 대한 단면(30) 및 개구에 대한 원형 단면(31)의 쌍을 도시한다. 또한 이러한 경우 움푹 들어간 부분은 삽입 부분 대신에 개구의 벽에 제공될 수도 있다.
도 8의 실시형태에서, 적어도 하나의 깊이에서 삽입 부분은 별 형상의 단면을 갖는다. 별-형상의 단면은, 도 6 및 7의 실시형태에서처럼 에너지 지향기로서 기능할 수도 있는, 첨예한 에지(32)를 포함한다. 에지들 사이의 움푹 들어간 부분(33)의 깊이는, 에지들이 침투가능한 재료 안으로 끼어들더라도 일부 공간이 남아 있어서 그 안으로 앵커링 단계에서 일부 열가소성 재료가 유동할 수도 있을 정도이다. 이는 침투가능한 재료가 비교적 낮은 다공성을 갖는 경우에 특히 유리할 수 있다.
도 6 및 7의 실시형태와는 달리, 도 8의 실시형태에서는 앵커리지가 삽입 부분의 전체 둘레를 따라 발생할 수 있다.
도 9는 열가소성 코팅(71) 내에 내장된 예를 들어 금속성 재료로 이루어진 코어(82)를 갖는 자유 물체(5)를 도시한다.
열가소성 재료를 포함하고 앵커링 단계의 조건하에서 연화되거나 액화되지 않는 재료를 추가로 포함하는 물체를 갖는 실시형태에서, 열가소성 재료는 전체 표면을 구성할 필요가 없다. 오히려, 억지 끼워맞춤에 의해 하중을 받는, 표면 영역의 적어도 일부가 열가소성 재료에 의해 구성되는 경우가 충분하다. 도 10은 열가소성 재료(81)가 원위 단부에만 존재하는 실시예를 도시한다. 열가소성 재료의 예를 들어 축방향으로 연장되어 있는 스트립을 갖는 대안들이 또한 가능하다.
도 11 내지 16은 본 발명에 따른 방법에 적합한 개구 및 삽입 부분의 쌍을 도시하며, 삽입 부분과 개구는 각각 삽입 부분 길이 또는 개구 깊이를 따라 절단되어 있으며, 재차 삽입 부분의 단면(35)은 실선으로 도시되어 있고, 파선으로 도시된 개구의 단면(36) 위로 돌출되어 있다. 재차 단면들(35 및 36)은 제공된 대로의 (즉, 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 이전 및 앵커링 단계 이전) 요소들의 단면들이다.
도 11은 테이퍼링 개구와 테이퍼링 삽입 부분의 쌍을 도시하며, 테이퍼링은 복수의 계단(단차)(37)으로 구성되어 있으며, 개구 및 삽입 부분 상의 계단들은 실질적으로 동일한 축방향 길이를 갖고, 계단들 사이의 개구 및 삽입 부분의 단면은 실질적으로 동일하게 (유사한 오버사이즈로) 상호 구성된다.
도 12는 테이퍼링 개구와 테이퍼링 삽입 부분의 쌍을 도시하며, 두 경우 모두 테이퍼링은 연속적이고 개구 깊이 및 삽입 부분 길이에 대해 10 내지 15°보다 크지 않은 각도(A)를 갖는다. 개구 깊이 및 삽입 부분 길이에 걸쳐 개구 및 삽입 부분의 단면은 바람직하게는 모두 유사한 형태를 갖지만 크기는 감소한다.
도 13은, 관통 개구 내에 위치되고 전단력 및 경우에 따라서는 또한 간섭력에 대항하는 역할을 하는, 보조 앤빌(40)을 이용하는 이미 추가로 앞서 논의된 실시형태를 도시한다. 보조 앤빌(40)이 개구로부터 제거되어야 할 경우, 삽입 부분의 원위 단부와 앤빌 표면을 설계할 때 앵커링 단계에서 둘 사이에 연결이 초래되지 않도록 주의를 기울여야 한다. 도 3B의 보어 바닥부처럼, 보조 앤빌은 삽입 부분의 원위 단부에서 액화를 위한 에너지 지향 요소로서 기능할 수도 있는 상승부를 포함하는 삽입 부분 쪽으로 향하는 면을 가질 수도 있다.
도 14는, 개구 내에서 삽입 부분의 이동이 개구 내의 계단(41)에 의해 제한되는, 이미 추가로 앞서 논의된 실시형태를 도시하며, 개구의 단면은, 삽입 부분의 원위 단부가 간섭력의 영향하에서도 전단력의 영향하에서도 계단을 지나서 이동될 수 없도록, 감소되어 있다.
도 15는 본 발명에 따른 방법의 추가 예시적인 실시형태를 도시하며, 열가소성 재료와 삽입 부분을 포함하는 물체(5)는 일종의 블라인드 리벳(blind rivet)을 구성한다. 물체(5)의 원위 부분(5.1)은 침투가능한 재료를 포함하는 제1 물체(1.1)의 개구 내에서 앵커링될 것이며, 물체(5)의 근위 부분(5.2)은 침투가능한 재료를 포함하는 제2 물체(1.2)의 개구 내에서 앵커링될 것이다. 거기에서 간섭력, 진동 및, 해당되는 경우, 전단력은 물체(1.2)(자유 물체)에 바람직하게는 인가되고 물체(1.1)는 안정하게 유지되며(앤빌 물체) 물체(5)는 자유 및 앤빌 물체 둘 다로서 기능을 한다.
도 16은 개구와 삽입 부분의 종방향 섹션(35 및 36)의 쌍을 도시하며, 억지 끼워맞춤과 앵커리지는 각각 개구 깊이 또는 삽입 부분의 종방향 축을 따라 앵커리지와 억지 끼워맞춤 없는 영역으로 교번하는 소정의 영역으로 제한된다. 이는 교번하는 크기의 단면에 의해 달성된다. 실린더형 삽입 부분을 단면 크기를 달리하는 부분을 포함하는 개구와 한 쌍으로 함으로써 동일한 효과가 달성될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 진동 기구(21)가 종방향 진동을 위해 설계되고 동력공급되는 경우, 앞서 언급된 억지 끼워맞춤과 앵커리지의 영역을 큰 진폭을 갖는 위치에 그리고 앞서 언급된 억지 끼워맞춤이 없고 앵커리지가 없는 영역을 작은 진폭을 갖는 위치에 배치하는 것이 유리하다. 이는 진동 기구의 원위면과 자유 물체의 근위면에서 최대 종방향 진폭을 갖는 경우 억지 끼워맞춤과 앵커리지를 갖는 영역은 근위면으로부터 λ/2의 n 배(n=정수)의 거리에 바람직하게는 배치되고, 그 사이에 (λ/4, 3λ/4, 5λ/4 등의 거리에) 억지 끼워맞춤이 없고 앵커리지가 없는 영역이 배치된다는 것을 의미한다. 이는 도 16의 우측의 도표에 도시되어 있다.
도 17 및 18은 개구 내에서 앵커링된 삽입 부분의 근위 단부의 추가 예시적인 실시형태를 도시하며, 이는 본 발명에 따른 방법으로 그리고 특히 도 1에 도시된 바와 같은 그 바람직한 실시형태로 달성할 수 있다. 도 17 및 18 둘 모두는 각각 개구 또는 삽입 부분의 축방향 길이에 평행한 부분적인 섹션들이며, 물체(5)의 근위 부분 및 개구의 입구 영역만 도시되어 있다.
도 17은 삽입 부분만 갖는 (근위 부분이 없는) 물체(5)를 도시하며, 그것은, 그 원위면(9)이 각각 개구의 입구에 있거나 또는 물체(1)의 표면과 동일 평면에 있는 상태로, 개구 내에서 앵커링된다. 이는 개구 깊이보다 더 큰 길이를 갖는 물체(5)를 치수화 함으로써 달성되며, 그 차이는 개구의 측방향 및 바닥부 벽에 침투하는 열가소성 재료로 인해 앵커링 단계 중에 물체(5)의 예상되는 단축과 실질적으로 일치한다. 마찬가지로, 즉 개구 깊이와 삽입 부분 길이 사이의 대응하는 차이에 의해, 개구의 입구에 대해 근위면(9)의 임의의 바람직한 위치를 달성하는 것이 가능하다.
도 18은, 예를 들어 도 1에 도시된 것과 유사한, 헤드를 갖는 물체(headed object)(5)를 도시하며, 헤드-형 근위 부분(8)은 개구의 입구에 인접한 개구 단면의 대응하는 확장부 내에 묻혀 있다.
도 19는 중공 원위 단부를 갖는 삽입 부분(6)의 일 실시형태를 도시한다. 삽입 부분(6)의 원위 단부에 중공 공간(61)이 제공되어서, 원위 단부(10)는, 다소 유연하며, 블런트한 원위 단부를 갖는 실시형태에 비해, 삽입 부분이 반경방향 압축력의 적용을 받는 경우, 변형에 대한 더 낮은 저항성을 제공한다. 이로 인해, 개구 안으로 도입 중에 간섭력은, 초기에 특히 강하지 않고, 점진적으로 증가한다.
도 20은, 이미 추가로 앞서 언급된 바와 같이, 개구 안으로 삽입 부분을 강제함으로써가 아니라, 개구의 벽 부분들 사이에 삽입 부분을 위치시키고 삽입 부분에 대하여 벽 부분들을 클램핑함으로써, 억지 끼워맞춤이 형성되는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시형태를 도시한다. 도시된 예시적인 실시형태에서 벽 부분들은 보드들(앤빌 물체(1.3 및 1.4)), 예를 들어 칩보드들,의 좁은 표면에 의해 구성되며, 그것들은 실질적으로 평행하게 연장되고 그것들 사이에 개구(2)를 형성한다. 삽입 부분(6)은 라스(lath)의 형태를 갖는다. 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계에서, 삽입 부분은 벽 부분들 사이에 위치되고 클램핑되며, 앤빌 물체(1.3 및 1.4)는 자유 물체(5)에 대하여 가압된다 (간섭력(20)). 도 20은 위쪽에 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 이전의 물체를 도시하고, 아래쪽에 앵커링 단계 이후를 도시한다.
도 21의 실시형태에서, 자유 물체(5)는 삽입 부분(6)에 부착된 복수의 윙(62)을 구비한다. 윙(62)은 비교적 연질일 수 있으며, 그에 따라 앤빌 물체(1) 내에 균열형성을 초래하지 않고 개구(2) 내의 올바른 위치에 삽입 부분(6)의 위치를 지원할 수 있다. 특히, 실시형태들에서, 삽입 부분 몸체(즉, 윙(62)에 의해 구성되지 않은 삽입 부분의 부분)의 단면은 개구의 단면(2)과 거의 일치하거나 그보다 약간 더 작을 수도 있어서 간섭력이 윙(62)의 위치에만 존재할 수도 있다. 이러한 실시형태는 특히 약하거나 깨지기 쉬운 침투가능한 재료에 적합할 수 있다.
변형예에서, 윙(62)은 치수 안정적일 수 있고 절삭 블레이드(cutting blade)의 역할을 할 수도 있다. 또한 이러한 변형예에서, 윙(62)은 삽입 중에 삽입 부분을 안정화할 수 있다.
윙(62)을 갖는 실시형태들은, 예를 들어 에어 건 같은 공정과 유사한, 삽입 부분(6)이 개구 안으로 발사되는 공정에 특히 적합한 실시형태들의 예이다.
도 22는, 도 16에 추가로, 억지 끼워맞춤이 개구의 깊이에 따라 배치된 소정의 영역으로 제한되도록 이러한 깊이를 따라 상이한 삽입 부분 및 개구의 단면 쌍을 갖는 실시형태의 일 실시예를 도시한다. 특히, 도 22의 실시형태에서, 억지 끼워맞춤은 더 깊은 섹션으로 제한되어서, 특히 보드 형상이고 개구가 좁은 면으로부터 연장되어 있는 경우에, 제2 물체(1)가 가장 약한, 개구의 림에서 균열 또는 다른 손상의 위험을 최소화한다.
이를 위해, 개구는 단차지는 반면, 삽입 부분은 (경우에 따라서 에너지 지향기 및/또는 약간의 테이퍼의 예외를 갖는) 본질적으로 실린더형이다.
내부(원위)의, 보다 작은 직경 섹션(2.1) 및 외부(근위)의 보다 큰 직경 섹션(2.2)을 갖는 개구는, 2개의 상이한 드릴을 이용한, 이중 드릴링 공정에 의해 예를 들어 제조될 수도 있다. 또한, 단차 특징부를 갖는 드릴이 가능하다.
내부 섹션(2.1)의 단면(대략적으로 원형 단면을 가정하여 도시된 실시형태에서 직경 d1)은 억지 끼워맞춤을 발생시키기 위해 삽입 부분의 단면(직경 di)보다 더 작을 것인 반면, 외부 섹션(2.2)의 단면(직경 d2)은 삽입 부분의 단면과 거의 일치할 수 있거나 약간 더 클 수도 있다.
도 23은 복수의 단차를 갖는 도 22의 실시형태의 변형예를 도시한다. 각각의 섹션들의 직경은 삽입 부분이 단지 부분적으로 삽입되어 있는 도시된 구성에서 억지 끼워맞춤이 존재하지 않는 정도이며, 삽입 부분의 최-원위 섹션(distal-most section)(6.2)이 개구의 가장 안쪽 부분(2.1) 안으로 가압되고 보다 더 근위 섹션(6.1)이 개구의 중간 섹션(2.2)으로 들어가는 경우 억지 끼워맞춤이 일어날 것이며 개구의 최-근위 섹션(proximal-most section)(2.3) 내에서는 그렇지 않을 것이다.
도 24는 추가 실시형태를 도시한다. 여기에서, 앤빌 물체(1)는 2개의 넓은 표면(81, 82), 좁은 측 면(83)을, 좁은 측 면에 있는 개구(2)와 함께, 구비하는 보드인 것으로 가정된다. 앤빌 물체의 보드 형상 섹션을 갖는 실시형태에서는, 개구 내 삽입 부분의 도입 시 발생되는 크랙의, 또는 박리되어 떨어지는 부분들의, 특별한 위험이 존재한다.
도 24의 실시형태는 간섭력이, 예를 들어 앵커링 단계의 직전에만 시작해서, 자유 물체(5)의 내부로부터 유발되는 실시형태의 일 실시예이다. 이를 위해, 자유 물체(5)는 내부 개구(70)를 구비하며 그 안으로 팽창 요소(71)가 밀어 넣어지며, 팽창 요소는 적어도 일부 축방향 깊이에서 내부 개구의 단면보다 더 큰 단면을 갖는다. 삽입 부분(6)과 개구(2)는, 팽창 요소(71)가 위치되기 전에 삽입 부분(6)이 개구(5) 내에 있는 때에 억지 끼워맞춤이 형성되지 않거나 작은 간섭력만 갖는 억지 끼워맞춤이 형성되도록, 상호 구성될 수 있다. 팽창 요소(71)는 진동 기구(21)에 의해 자유 물체에 제공하기 위한 기계적 진동을 유발하는 단계 직전에 진동 기구(21)(소노트로드)에 의해 가해지는 힘에 의해 예를 들어 도입될 수 있다.
앤빌 물체가 보드 형상 섹션을 갖는 그리고 개구가 좁은 측 면으로부터 연장되어 있는, 구성은 본 문서에서 설명되는 모든 실시형태들에 적용가능하다. 적용은 가구 산업을 포함하며, 그 경우 자유 물체(5)의 헤드 부분(8)은, 예를 들어 Inter Ikea Systems B.V 사에 의해 WO 2013/104422에서 설명된 바와 같이, 제2 가구 부품의 암형 부분과 함께-작용하는 조인트의 수형 부분을 제공할 수도 있다.
도 25는 자동화된 방식으로 여기에서 설명된 방법을 수행하기 위한 기계의 요소들을 또한 간략하게 도시한다. 그러한 기계는, 진동 기구(21)에 추가로, 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 이전에 그리고 또한, 적어도 부분적으로, 이러한 단계 중에 앤빌 물체(1)에 대하여 자유 물체(5)를 위치시키기 위한 파지 장치(gripping arrangement)(91)를 포함한다. 억지 끼워맞춤을 형성시키기 위해, 진동 기구(21)는, 진동의 적용을 받기 전에, 예를 들어 개구 안으로 삽입 부분을 가압함으로써, 사용될 수 있다. 대안적으로, 기계는, 대응 삽입 툴, 예를 들어 푸셔 툴(pusher tool)에 의해 억지 끼워맞춤이 형성되는, 별도의 삽입 스테이션을 포함할 수 있다.
진동 기구는, 진동 기구로 하여금 진동하게 하는, 압전 변환기(piezoelectric transducer)와 같은, 진동원(vibration source)(92)에 연결된다.
기계는 경우에 따라, 드릴(94)을 포함하는 드릴 장치(93)와 같은, 개구 형성 장치를 추가로 포함할 수 있으며, 드릴의 직경은 삽입 부분이 개구 내에 삽입될 때 억지 끼워맞춤이 형성되도록 삽입 부분(6)의 바깥쪽 직경에 맞게 형성되며, 즉 드릴(94)은 삽입 부분의 바깥쪽 직경보다 다소 작은 직경을 갖는 개구를 형성하도록 구성된다.
기계는, 수개의 스테이션과 스테이션에서 스테이션으로 앤빌 물체를 운반하기 위한 수송 수단을 포함하는, 대량 생산을 위한 자동화된 기계일 수 있다. 예를 들어, 기계는 개구 형성 (드릴링) 스테이션, 삽입 스테이션, 및 앵커링 스테이션과, 스테이션에서 스테이션으로 순환 방식으로 앤빌 물체를 운반하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 기계는, 개구 형성 스테이션 전에 배치되는, 소정 크기로 절단하는 스테이션과 같은, 추가 스테이션을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 처리되지 않은 앤빌 물체, 처리된 앤빌 물체를 위한 (방법이 수행된 이후 물체들이 운반될) 그리고/또는 자유 물체를 위한 저장소를 포함할 수도 있다.
실시예
도 1에 도시된 방법을 이용하여, 폴리아미드(15％의 유리 섬유로 충전된 PA 6.6)의 앵커링 장치가 0.5 내지 0.8 g/㎤의 범위 내 밀도의 다공성 구조적 발포체에 접합되었다. 발포체 내에 제공된 개구는 블라인드 보어였다. 장치의 삽입된 부분은 실린더형이었으며, 억지 끼워맞춤을 생성시키기 위해 3％ 오버사이즈 직경을 갖는 원형 단면(에너지 지향 구조체 없음), 보어 깊이에 대해 25％의 초과길이, 및 블런트한 원위 단부를 가졌다. 장치는 개구 안으로 가압되었으며, 장치 단면에 대해 약 10 MPa의 간섭력이 필요했다. 삽입된 위치에서 장치의 원위 단부는 블라인드 보어의 바닥부에 접했다. 앵커링 단계를 위해, 발포체는 국부적으로 고정되었으며 (앤빌 물체), 초음파 진동이 장치(자유 물체)의 근위면으로 커플링되었으며, 동시에 핀은, Branson 사의 고정식 초음파 장치(Series 2000)를 이용하여, 간섭력의 약 2배의 전단력으로 개구의 바닥부에 대해 가압되었다. 거기에서 장치는 초음파 장치의 소노트로드에 부착되지 않았다. 앵커링 단계는 약 20 kHz의 진동 주파수와 50 내지 90 ㎛ 범위 내 소노트로드의 원위 단부에서의 종방향 진폭으로 수행되었다. 약 0.3초의 앵커링 시간 후 장치는 발포체 내에 완전히 안착되었으며 진동은 정지되었다.
장치의 초과길이는, 개구의 바닥부 안으로 열가소성 재료의 변위에 의해, 그리고 경우에 따라 또한 간섭력 또는 전단력으로 인한 개구의 깊이의 증가에 의해, 그리고 추가로 열가소성 재료의 반경방향 변위에 의해, 소비되었다. 장치의 측면 앵커리지는 장치 전반에 걸쳐 그리고 특히 그 길이를 따라 매우 균일했다. 발포체로부터 장치를 분리하기 위해, 언더사이즈를 갖지 않는 보어(측방향 억지 끼워맞춤이 없고 그에 따라 측방향 앵커리지가 거의 없음)에서 유사한 방법으로 앵커링된 동일한 장치의 분리에 필요한 힘의 약 2배인 힘이 인가되어야 했다. 이는 측방향 억지 끼워맞춤에 의해 유도되는 측방향 앵커리지가 보어의 바닥부에서의 앵커리지와 거의 동일한 양의 유지 강도(retention strength)를 제공한다는 결론을 가능하게 한다.
유사한 장치가 유사한 개구 내에 동일한 장비를 이용하여 그러나 개구 안으로 핀의 강제 동안에 이미 진동을 인가하여 앵커링되는 경우, 장치의 벌크는 완전 개구 깊이를 위해 앵커링 단계 동안 이동될 필요가 있으며, 그것은 앵커링 단계에 필요한 시간을 적어도 2배로 만든다.

Claims (28)

  1. 2개의 물체(1 및 5)를 접합하는 방법으로서, 상기 방법은 다음의 단계들:
    2개의 물체(1, 5) 중 하나는 제1 재료를 포함하고 2개의 물체(1, 5) 중 다른 하나는 제2 재료를 포함하며, 제1 재료는 고체이고 열가소성 특성을 포함하고 제2 재료는 고체이고 액화된 상태에 있을 때의 제1 재료에 의해 침투가능하며, 2개의 물체(1, 5) 중 하나는 깊이(D)를 갖는 개구(2)를 추가로 포함하고 2개의 물체(1, 5) 중 다른 하나는 길이(L)를 갖는 삽입 부분(6)을 추가로 포함하며, 개구(2)와 삽입 부분(6)은 삽입 부분(6)이 억지 끼워맞춤으로 개구(2) 내에 위치되도록 상호 구성되며, 상기 제1 및 제2 재료는 억지 끼워맞춤으로 서로에 대해 가압되는 개구(2)와 삽입 부분(6)의 대향 표면 영역의 적어도 일부를 구성하는, 2개의 물체(1, 5)를 제공하는 단계;
    삽입 부분(6)을 개구(2) 내에 위치시키고 간섭력(20)을 인가함으로써 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계;
    억지 끼워맞춤을 형성시킨 이후에, 제1 재료의 액화 및 상기 대향 표면 영역의 부근에서 제1 및 제2 재료의 상호침투를 위해, 충분한 시간 및 양으로 상기 대향 표면 영역의 부근에 제1 재료의 액화에 적합한 에너지를 전달함으로써 개구(2) 내에서 삽입 부분(6)을 앵커링 하는 단계;
    앵커링 단계 중에 액화된 제1 재료가 재-응고하기에 충분한 시간 동안 에너지의 전달을 중단하는 단계;
    를 포함하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 앵커링 단계에서, 전달되는 에너지는 기계적 진동 에너지인 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기계적 진동 에너지에 추가로, 전단력(22)이 억지 끼워맞춤에 인가되며, 상기 전단력(22)은 2개의 물체(1, 5) 사이에 작용하는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입 부분(6)은 상기 길이(L)가 상기 깊이(D)에 실질적으로 평행한 상태로 개구(2) 내에 배향되고, 억지 끼워맞춤은 삽입 부분(6)의 측면(7)과 개구(2)의 측벽(3) 사이에서 형성되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 억지 끼워맞춤은, 2개의 물체(1, 5) 중 하나의 근위면(9)에 인가되는 그리고 깊이(D)에 및 길이(L)에 실질적으로 평행하게 지향되는 간섭력(20)의 도움으로, 삽입 부분(6)을 개구(2) 안으로 강제함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전단력(22)은 깊이(D)에 및 길이(L)에 실질적으로 평행하게 지향되고 2개의 물체(1, 5) 중 하나의 근위면(9)에 인가되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 앵커링 단계 중에, 전단력(22)에 의해 야기되는 2개의 물체(1, 5)의 서로에 대한 움직임은 방지되거나 제한되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 움직임은, 개구(2)의 바닥부(4)에 접하도록 위치되는 삽입 부분(6)의 원위 단부(10)에 의해, 개구 단면에서의 제한부(41)에 의해 또는 개구(2) 내에 위치되는 보조 앤빌(40)에 의해, 방지되거나 제한되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 물체(1, 5) 중 개구(2)를 포함하는 하나는 제2 재료를 또한 포함하며, 2개의 물체(1, 5) 중 삽입 부분(6)을 포함하는 다른 하나는 제1 재료를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 간섭력(20), 기계적 진동 에너지 및, 해당되는 경우, 전단력(22)은 2개의 물체(1, 5) 중 제1 재료 및 삽입 부분(6)을 포함하는 하나에 인가되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  11. 제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 물체(1, 5) 중 제1 재료를 포함하는 하나는 완전히 제1 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  12. 제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 물체(1, 5) 중 제1 재료를 포함하는 하나는, 앵커링 단계의 조건하에서 연화되거나 액화되지 않는, 추가 재료로 이루어진 코어(82)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입 부분(6)의 측면은 길이(L)에 실질적으로 평행하게 연장되어 있는 리지의 형태로 에너지 지향 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  14. 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 개구(2) 및 삽입 부분(5)은 실질적으로 실린더형 또는 콘형인 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 재료는 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계 및 앵커링 단계 중에 고체인 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 제2 재료는 섬유성이거나 다공성이거나 침투가능한 표면 구조체를 포함하거나 중 하나인 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 제2 재료는 칩보드, 섬유판, 목재, 합판 및 판지 중 하나인 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 재료는 적어도 0.5 GPa의 탄성 계수를 갖는 열가소성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 제1 재료는 충전재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 개구(2)의 그리고 삽입 부분(6)의 단면은 동일한 형상을 갖지 않도록 상호 구성되어서 억지 끼워맞춤은 단면의 둘레의 일부만으로 제한되는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 개구(2) 및 삽입 부분(6)의 단면 쌍은, 억지 끼워맞춤이 깊이를 따라 소정의 영역으로 제한되도록, 개구(2)의 깊이(D)에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 억지 끼워맞춤은 개구의 입구까지 연장되어 있지 않은 영역으로 제한되며, 개구의 입구는 바람직하게는 억지 끼워맞춤이 실질적으로 없는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입 부분은 삽입 부분(6)을 포함하는 물체 중 하나의 근위 측으로부터 접근가능한 내부 개구(70)를 포함하며, 억지 끼워맞춤을 형성시키는 단계는 개구(2)에 대하여 삽입 부분(6)을 위치시키는 하위-단계 및 그 이후 내부 개구(70) 내에 팽창 요소(71)를 삽입하여 억지 끼워맞춤을 형성시키기 위해 개구(2) 내부에서 삽입 부분(6)의 팽창을 유발하는 하위-단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 물체를 접합하는 방법.
  24. 억지 끼워맞춤을 형성시키기 위해 개구(2) 내에 삽입 부분(6)을 삽입하기 위한 삽입 수단(21, 91) 및 앵커링 단계를 수행하기 위한 앵커링 수단(21)을 포함하는, 선행하는 항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 기계.
  25. 제24항에 있어서, 삽입 수단을 갖는 삽입 스테이션 및 그로부터 분리된 앵커링 스테이션을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
  26. 제25항에 있어서, 삽입 스테이션에서 앵커링 스테이션으로 제2 물체를 운반하기 위한 수송장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입 단계 이전에 개구를 형성하기 위해 개구 형성 수단(93)을 갖는 개구 형성 스테이션을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
  28. 제27항에 따른 기계를 포함하고 제1 물체의 스톡을 추가로 포함하는 세트로서, 제1 물체(5)의 삽입 부분(6)과 개구 형성을 위한 수단(93)은 개구(2) 안으로 삽입 부분(6)의 삽입 시 억지 끼워맞춤이 형성될 수 있도록 상호 구성되는 세트.
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