WO2002066844A1 - Montageelement zum verbinden zweier gegenstände, insbesondere zweier geräteteile - Google Patents

Montageelement zum verbinden zweier gegenstände, insbesondere zweier geräteteile Download PDF

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WO2002066844A1
WO2002066844A1 PCT/DE2002/000466 DE0200466W WO02066844A1 WO 2002066844 A1 WO2002066844 A1 WO 2002066844A1 DE 0200466 W DE0200466 W DE 0200466W WO 02066844 A1 WO02066844 A1 WO 02066844A1
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shape
rivet
mounting element
temperature
shape memory
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PCT/DE2002/000466
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Inventor
Heinz Zeininger
Stefan Kautz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B19/00—Bolts without screw-thread; Pins, including deformable elements; Rivets
    • F16B19/04—Rivets; Spigots or the like fastened by riveting
    • F16B19/06—Solid rivets made in one piece
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/006—Resulting in heat recoverable alloys with a memory effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/04—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2201/00—Properties
    • C08L2201/12—Shape memory
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B2200/00—Constructional details of connections not covered for in other groups of this subclass
    • F16B2200/77—Use of a shape-memory material

Definitions

  • the invention relates to a mounting element for connecting two objects, in particular two parts of the device.
  • the parts to be connected generally have to be dimensioned sufficiently so that the screw is not properly gripped or torn out if the wall thickness or the like is too small.
  • Another disadvantage is the considerable space required due to the screws used, which is not available, in particular in the case of highly integrated electrical and electronic devices, or can only be created by making the devices larger.
  • Screws if this is possible at all or justifiable in terms of effort. Disassembly is either in the case of a Maintenance or repair of the device or necessary as part of recycling.
  • the invention is based on the problem of specifying a mounting element which permits simple connection of two objects.
  • a mounting element which consists at least partially of a shape memory alloy and has a first shape in the assembled state and a second shape in the final assembly position, which mechanically connects the objects, which it uses before using the shape memory -Properties were impressed, and the first form of which is that of a rivet with a rivet head that can be placed on an object, and an elongated rivet shaft that widens in the assembly end position to a head-like widening that engages behind the other object.
  • the mounting element according to the invention advantageously consists at least partially of a shape memory alloy, also called memory metal.
  • a shape memory alloy also called memory metal.
  • Such a material has the property that it can change its shape depending on the temperature.
  • the rivet-shaped mounting element which in the assembled state has a first shape with an elongated rivet shaft, is inserted through corresponding bores or openings of the objects to be connected, for example two housing shells, which receive the shaft.
  • the rivet is then heated. Above a phase transition temperature, the phase of the alloy changes from a low temperature phase to a high temperature phase (e.g. from martensite to austenite).
  • the high temperature phase is a second form, taking advantage of the shape memory properties.
  • the phase change changes the shape of the rivet, which according to the invention widens like a head in the area of the shaft, so that it engages behind the other object.
  • the invention therefore allows a connection by simply plugging in the mounting element and increasing the temperature accordingly.
  • the objects are firmly connected to one another, this connection taking place very quickly, easily and without effort, since the device only has to be transported through a heating furnace, for example.
  • the mounting element takes up much less space than a connection screw which is often of considerable length, which is why it can be used in particular in small devices.
  • the requirements with regard to the dimensioning of the connection areas are also not as with a screw connection, rather material can be saved in these areas.
  • the shape memory alloy shows a renewed phase change when cooled sufficiently, and changes from the high-temperature phase to the low-temperature phase.
  • the high temperature phase is significantly harder than the low temperature phase.
  • martensite is softer by a factor of 5 than austenite. This makes it easy to remove the rivet when it is soft.
  • Valuable components and unloaded components such as plastic housings, yokes, anchors, memory components, precious metal contacts etc. can be easily recovered and reused in this way.
  • connection according to the invention is not loosened by vibrations and the action of force. Rather, a non-positive connection that is under tension is realized.
  • the shaft end slits longitudinally one or more times is. This makes it possible for the shaft ends to bend outwards when the shape is increased due to the temperature increase and to reach behind the object.
  • a simple longitudinal slit is already sufficient, which means that the shaft ends bend in opposite directions.
  • a cross recess is also conceivable, so that a total of four shaft sections bend outwards.
  • Another alternative to the invention provides that at least the shaft end is shortened and at the same time widened during the change of shape into the second shape.
  • the shortening and widening leads to an increase in the diameter, the widened area of the shaft engaging behind the object.
  • the mounting element consists of a shape memory alloy which has a transition temperature at which a high temperature phase forms due to an increase in temperature and the rivet assumes the second shape, and one of at least 30 °, better 50 ° below this transformation temperature, at which the transformation into the low-temperature phase occurs during cooling.
  • the different conversion temperatures are therefore as far apart as possible in order to avoid that any temperature fluctuations can have any negative effects.
  • the transition temperature for the transition to the high temperature phase can be> 40 ° C, in particular> 50 ° C and the transition temperature for the transition to the low temperature phase can be ⁇ 0 ° C, in particular ⁇ - 40 ° C.
  • the shape memory alloy can have a one-way effect.
  • the rivet converts to the second form when the temperature rises; when the temperature falls below the second phase formation temperature, only a phase transition into the low-temperature phase occurs, but the second form is retained. The material therefore only becomes soft, but retains its shape-related shape. An easy disassembly is still possible due to the softness of the material.
  • the shape memory alloy has a two-way effect, in which the rivet assumes the embossed first shape when it is converted into the low-temperature phase.
  • the rivet changes between the two embossed shapes. This means that in the event of cooling for dismantling, the rivet returns to its original form of assembly with an elongated shaft. The mechanical connection can be released very easily.
  • the shape memory alloy itself can be a TiNi or NiMn or CuAl alloy, which may also contain at least one further alloy partner.
  • FIG. 1 shows an assembly element according to the invention of a first embodiment in the assembled state
  • FIG. 2 shows the assembly element from FIG. 1 in the assembly end position
  • 3 shows a diagram to illustrate the voltage curve in the mounting element over the temperature present
  • FIG. 5 shows an assembly element according to the invention of a second embodiment in the assembled state
  • Fig. 6 shows the assembly element from Fig. 5 in the final assembly position.
  • Fig. 1 shows in the form of a schematic diagram a mounting element 1 according to the invention in the form of a rivet.
  • the rivet has a rivet head 2 and an essentially cylindrical rivet shaft 3.
  • the rivet shaft can of course also have any other cross section.
  • the rivet shank 3 is slit over part of its length by means of its longitudinal cut 4, the slit opening into a through hole 5.
  • the mounting element 1, that is to say the rivet, is inserted into two mutually aligned bores 6, 7 of two objects 8, 9 to be connected to one another.
  • These objects can be, for example, two housing halves of a device or the like.
  • the diameter of the through holes 6, 7 is slightly larger than the diameter of the rivet.
  • the rivet is pushed in until the rivet head 2 lies against the object 9.
  • the rivet is inserted, for example, at room temperature.
  • the rivet is heated to connect the objects.
  • the rivet or the shaft changes its shape due to a change in the phase of the shape memory alloy from which the rivet as a whole, or at least the shaft, is made in its end region.
  • the two shaft sections 10, 11, which result from the longitudinal section 4 bend outward and engage behind the object 8, as can be seen in FIG. 2 , In this way, a firm mechanical connection of the two objects 8, 9 is realized.
  • the mounting element is set to a temperature well below the first phase formation temperature of e.g. Cooled to 50 ° C, e.g. to approx. -40 ° C. At or below this temperature, a new phase transition into the low-temperature phase occurs, in which the shape memory alloy was originally in the assembly form, as shown in FIG. 1. Due to the cooling of the phase change that occurs, the rivet is in a softer phase, which means that the material is much softer than in the high-temperature phase. If the shape memory alloy shows a one-way effect, the final assembly position adopted according to FIG. 2 or this shape is retained despite the phase change.
  • the first phase formation temperature e.g. Cooled to 50 ° C, e.g. to approx. -40 ° C.
  • the two objects 8, 9 can be separated from one another without any problems, since the shaft sections 10, 11 can be bent inwards again without great effort and the objects 8, 9 can be separated from one another.
  • the shape memory alloy shows a two-way effect, the shape shown in FIG. 2 is converted back into the first shape shown in FIG. 1, which is also stamped on the rivet. The rivet can be pulled out easily.
  • 3 and 4 show the course of the tension in the rivet over the temperature or the austenite portion over the temperature.
  • the course is shown for a rivet with a first transition temperature of 50 ° C, at which the formation of the austenite phase begins when the temperature rises, and a second transition temperature of approx. -40 ° C, at which the formation occurs during cooling the martensite phase begins.
  • first transition temperature 50 ° C
  • second transition temperature approx. -40 ° C
  • the curve shown in FIG. 4 shows a corresponding hysteresis curve. If the rivet is used at room temperature RT and then heated above 50 ° C, a strong formation of austenite appears. The material becomes very hard overall, the change to the second bent shape begins. This hard state and thus the high austenite content is retained during subsequent cooling until the second phase formation temperature of -40 ° C is reached or fallen below. The austenite content then drops due to the formation of the martensite phase, the material becomes soft. If an alloy with a two-way effect is used, the new shape change begins at the same time.
  • FIGS. 5 and 6 show a further mounting element 12 according to the invention.
  • This is also designed as a rivet with a rivet head 13 and an elongated, for example cylindrical rivet shaft 14. If the mounting element is in the aligned bores 15, 16 of the two objects 17, 18 inserted and then heated, the shaft 14 shortens and widens at the same time with this mounting element. As a result, a head-like widening 19 is formed in the region of the shaft end, which obviously engages behind the object 17.
  • all the actuators or actuator strips shown are at least partially made of a known shape memory alloy. Examples of such alloys are Ti-Ni alloys, the Ti component and the Ni component forming the main components and other alloy partners may also be present.
  • Cu-Al alloys with other alloy partners are also known, it being possible for the proportion of the Al component to be larger or smaller than that of the further alloy partner.
  • Ti-Ni alloys are particularly suitable. So go z. B. from “Materials Science and Engineering, Vol. A 202, 1995, pages 148 to 156 differently composed Ti-Ni and Ti-Ni-Cu alloys. In “Intermetallic *, Vol. 3, 1995, pages 35 to 46 and” Scripta METALLURGICA et MATERIALIA *, Vol. 27, 1992, pages 1097 to 1102, various Ti 5 oNi 5 o- ⁇ Pd x shape memory alloys are described. Instead of the Ti-Ni alloys, other shape memory alloys are of course also suitable. For example, Cu-Al shape memory alloys come into question. A corresponding Cu-Zn24A13 alloy is from “Z. Metallkde. ", Vol. 79, H. 10,
  • a further Cu-Al-Ni shape memory alloy is described in "Scripta Materialia", Vol. 34, No. 2, 1996, pages 255 to 260.
  • alloy partners such as eg B. Hf, Pd, Au, Pt, Cr or optionally Ti may be added in a manner known per se, for example the proportion of this at least one further component is less than 5 atomic percent, but it can also vary more Binary memory metals, including those for Ni-Mn alloys, are mentioned in “Transactions of the ASME", vol. 121, Jan. 1999, pages 98 to 101.
  • Another advantage of the mounting element according to the invention is that the connected housing parts, if they are conductive, can be electrically contacted by the rivet, which for reasons of electromagnetic contract Lichity and for protective mechanisms of the housing is advantageous.

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Abstract

Montageelement zum Verbinden zweier Gegenstände, insbesondere zweier Geräteteile, 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 (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 hintergreifenden kopfartigen Verbreiterung (10, 11, 19) auf-weitet.

Description

Beschreibung
Montageelement zum Verbinden zweier Gegenstände, insbesondere zweier Geräteteile
Die Erfindung betrifft ein Montageelement zum Verbinden zweier Gegenstände, insbesondere zweier Geräteteile.
In annähernd allen Bereichen der Technik ist es häufig erfor- derlich, zwei Gegenstände miteinander fest mechanisch zu verbinden. Diese Gegenstände können aus gleichartigen Werkstoffen 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 entweder in einem Gerät bzw. Gehäuse verschiedene Bauteile miteinander 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 Einschrauben relativ umständlich, zeit- und kostenintensiv. Weiterhin 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 ausreißt. Weiterhin nachteilig ist der infolge der verwendeten Schrauben häufig benötigte beachtliche Platzbedarf, der insbesondere bei hochintegrierten elektrischen und elektroni- sehen Geräten nicht zur Verfügung steht bzw. nur dadurch geschaffen 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 Recyclings erforderlich.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Montageelement anzugeben, das eine einfache Verbindung zweier Gegenstände zulässt .
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Montageelement vorgesehen, das zumindest teilweise aus einer Formge- dächtnis-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 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 zumindest teilweise aus einer Formgedächtnis-Legierung, auch Memory-Metall genannt. Ein derartiges Material hat die Eigenschaft, 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 Hochtemperaturphase (z.B. von Martensit zu Austenit) um. Der Hochtemperaturphase ist eine zweite Form, die Formgedächtnis- Eigenschaften ausnutzend, aufgeprägt. Mit der Phasenumwand- lung wandelt sich die Form des Niets, der sich erfindungsgemäß im Bereich des Schafts kopfartig verbreitert, so dass er den anderen Gegenstand hintergreift. Die Erfindung lässt also ein Verbinden durch einfaches Einstecken des Montageelements und entsprechende Temperaturerhöhung 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 Hochtemperaturphase in die Tieftemperaturphase wandelt. Die Hochtemperaturphase 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 werden. Wertvolle Bauelemente und unbelastete Komponenten wie Kunststoffgehäuse, Joche, Anker, Speicherbauelemente, Edelmetallkontakte etc. können auf diese Weise sehr leicht wiedergewonnen und wiederverwendet werden.
Ein weiterer beachtlicher Vorteil ist ferner die erhöhte Si- cherheit im Betrieb des jeweiligen Geräts bzw. bei der Behandlung der verbundenen Gegenstände, da die erfindungsgemäße Verbindung sich durch Vibrationen und handhabungsbedingte Krafteinwirkung nicht lockert. Vielmehr wird eine kraftschlüssige, 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 Längsschlitz 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 Durchmessers, wobei der hierdurch verbreiterte Schaftbereich den Gegenstand hintergreift.
Um zu vermeiden, dass eine aus dem Betrieb des Geräts, umgebungsbedingt oder sonst wie resultierende Temperaturveränderung in irgendeiner Form zu einer Phasenänderung der Formgedächtnis-Legierung führt, die zu einer ungewollten Formwand- lung entweder in die eine oder in die andere Richtung, je nach Temperaturänderung, führt, kann zweckmäßigerweise vorgesehen 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 Umwandlungstemperatur liegenden Umwandlungstemperatur, bei welcher bei einer Abkühlung die Umwandlung in die Tieftemperaturphase erfolgt, 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 Umwandlungstemperatur 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 wandelt sich der Niet bei einer Temperaturerhöhung in die zweite Form um, bei einer Temperaturerniedrigung unter die zweite Phasenbildungstemperatur tritt lediglich eine Phasenumwandlung 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 Erfindungsalternative 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 einen weiteren Legierungspartner enthält.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig.l eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Montageelements einer ersten Ausführungsform im Montagezustand,
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 Montageelements einer zweiten Ausführungsform im Montage- zustand und
Fig. 6 das Montageelement aus Fig. 5 in der Montageendstellung.
Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein erfindungsgemäßes 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 beliebigen 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 Gegenstand 9 anliegt. Das Einsetzen des Niets erfolgt beispielsweise 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 Formän- derung in die in Fig. 2 gezeigte zweite Form, die dem Niet ursprünglich aufgeprägt wurde, biegen sich die beiden Schaftabschnitte 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 deutlich 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 Tieftemperaturphase ein, in der die Formgedächtnis-Legierung ursprünglich 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 Hochtemperaturphase. 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 Schaftabschnitte 10, 11 ohne größeren Kraftaufwand wieder nach innen 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 gezeigte 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. Ersichtlich 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 abgebaut werden.
Einen entsprechenden Hystereseverlauf zeigt die in Fig. 4 gezeigte 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 aufgrund der Bildung der Martensit-Phase, das Material wird weich. Wird eine Legierung mit einem Zwei-Weg-Effekt verwendet, so setzt gleichzeitig die erneute Formwandlung ein.
Ersichtlich zeigen beide Kurven einen hystereseartigen Verlauf, der es ermöglicht, dass ein erfindungsgemäßes Montageelement 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 erfindungsgemäßes Montageelement 12. Auch dieses ist als Niet ausgeführt 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. Aktorstreifen zumindest teilweise aus einer bekannten Formgedächtnis-Legierung. Beispiele solcher Legierungen sind Ti-Ni- Legierungen, wobei die Ti-Komponente als auch die Ni- Komponente die Hauptkomponenten bilden und noch weitere Legierungspartner vorhanden sein können. Daneben sind auch Cu- Al-Legierungen mit weiteren Legierungspartnern bekannt, wobei der Anteil der AI-Komponente größer oder kleiner als der des weiteren Legierungspartners sein kann. Als besonders geeignet sind Ti-Ni-Legierungen anzusehen. So gehen z. B. aus „Materials 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 Ti5oNi5o-χPdx- Formgedächtnis-Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni- Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächtnis-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 weitere Cu-Al-Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Selbstverständlich 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 werden können, was aus Gründen der elektromagnetischen Vertrag- lichkeit sowie für Schutzmechanismen des Gehäuses vorteilhaft ist.

Claims

Patentansprüche
1. 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 Formgedachtnis-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 hintergreifenden köpfartigen Verbreiterung (10, 11, 19) aufweitet.
2. Montageelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Schaftende ein- oder mehrfach längsgeschlitzt (4) ist.
3. Montageelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich zumindest das Schaftende während der Formwandlung in die zweite Form verkürzt und gleichzeitig verbreitert.
4. Montageelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht, die eine Umwandlungstemperatur, bei der sich aufgrund einer Temperaturerhöhung eine Hochtemperaturphase bildet und der Niet die zweite Form einnimmt, und eine um wenigstens 30°, insbesondere um wenigstens 50° unterhalb dieser Umwandlungstemperatur liegende Umwandlungstemperatur, bei welcher bei einer Abkühlung die Umwandlung in die Tieftemperaturphase erfolgt, aufweist.
5. Montageelement nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Umwandlungstemperatur zum Übergang in die Hochtemperaturphase > 40°C, insbesondere > 50°C und die Umwandlungstemperatur zum Übergang in die Tieftemperaturphase < 0°C, insbesondere < -40°C ist.
6. Montageelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Formgedächtnis-Legierung eine TiNi- oder NiMn- oder CuAl- Legierung ist, die gegebenenfalls noch mindestens einen weitere Legierungspartner enthält.
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