-
Hintergrund
-
Die
vorliegende Offenlegung betrifft lösbare Befestigungsvorrichtungen
von der Art, die verwendet wird, um Komponenten einer Vorrichtung
oder einer Struktur, die unter kontrollierten Bedingungen getrennt
oder gelöst
werden sollen, zu befestigen, festzuhalten oder miteinander zu verriegeln.
-
Trennbare
Haken- und Schlaufen-Befestigungselemente sind gut bekannt und werden
verwendet, um zwei Elemente trennbar miteinander zu verbinden. Diese
Arten von Befestigungselementen weisen allgemein zwei Komponenten
auf, die auf gegenüberliegenden
Elementoberflächen
angeordnet sind. Eine Komponente umfasst typischerweise eine Vielzahl
von elastischen Haken, während
die andere Komponente typischerweise eine Vielzahl von Schlaufen
umfasst. Wenn die zwei Komponenten zusammengedrückt werden, verriegeln sie,
um einen lösbaren
Eingriff zu bilden. Die durch den Eingriff erzeugte resultierende
Verbindung ist relativ widerstandsfähig gegenüber Scher- und Zugkräften und weist
schwache Ablösekräfte auf.
Als solches kann das Ablösen
einer Komponente von der anderen Komponente verwendete werden, um
die Komponenten mit einer minimalen angewendeten Kraft zu trennen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Scheren" auf eine Aktivität oder Belastung, die aus aufgebrachten
Kräften
resultiert, welche bewirken oder dazu neigen zu bewirken, dass zwei
benachbarte Teile eines Körpers
sich relativ zueinander in einer Richtung parallel zu ihrer Berührungsebene verschieben.
Der Begriff „Zugkraft" bezieht sich auf eine
Aktivität
oder Belastung, die aus aufgebrachten Kräften resultiert, welche bewirken
oder dazu neigen zu bewirken, dass zwei benachbarte Teile eines
Körpers
sich relativ zueinander in einer Richtung rechtwinklig zu ihrer
Berührungsebene
verschieben.
-
Die
EP-A-1 499 808 (
WO-A-03/08 273 )
fällt unter
Artikel 54(3) und (4) EPC und ist somit nicht relevant im Hinblick
auf die Frage nach dem erfinderischen Schritt. Sie zielt allgemein
auf ein System aus Haken- und Schlaufen-Befestigungselementen ab, das
auf der Verwendung von Formgedächtnislegierungen
basiert, wobei elektrische Energie an die Formgedächtnislegierung
angelegt wird, um eine Änderung
der Form davon zu induzieren und dadurch ein Lösen des Systems aus Haken-
und Schlaufen-Befestigungselementen zu bewirken.
-
Kurzzusammenfassung
-
Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System aus lösbaren Befestigungselementen
bereitzustellen, das ein kontrolliertes Lösen oder Trennen in einer Scher-
und/oder Abziehrichtung ermöglicht.
-
Dieses
Ziel wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
-
Hierin
offengelegt ist ein System aus lösbaren
Befestigungselementen, das ein kontrolliertes Lösen oder Trennen einer Verbindung
in einer Scher- und/oder
Abziehrichtung vorsieht. Das System aus lösbaren Befestigungselementen
umfasst einen Schlaufenabschnitt, der einen Träger und ein auf einer Oberfläche davon
angeordnetes Schlaufenmaterial umfasst; einen Hakenabschnitt, der
einen Träger und
eine Vielzahl von auf einer Oberfläche angeordneten Hakenelementen
umfasst. Die Hakenelemente umfassen hohle Röhren und ein Aktivierungssignal ist
in der Lage, pneumatisch Luft in ein offenes Ende der Rohre einzuleiten.
Eine Aktivierungs vorrichtung ist mit der Vielzahl von Hakenelementen
gekoppelt und dient dazu, das Aktivierungssignal selektiv an die Hakenelemente
zu liefern und die Formorientierung, die Biegemoduleigenschaft oder
eine Kombination aus der Formorientierung und den Biegemoduleigenschaften
auf Wunsch zu verändern,
um eine Scherkraft und eine Abziehkraft zu verringern.
-
Ein
Verfahren zum Betreiben solch eines Systems aus lösbaren Befestigungselementen
umfasst, dass konstante Scher- und Abziehkräfte in einem lösbaren Eingriff
zwischen dem Schlaufenabschnitt und dem Hakenabschnitt ohne Einleitung
eines Energiesignals aufrecht erhalten werden; das Energiesignal
selektiv in die Hakenelemente eingeleitet wird, wobei das Energiesignal
bewirkt, dass eine Formorientierung, eine Biegemoduleigenschaft oder
die Kombination davon an der Vielzahl von Hakenelementen verändert wird;
und Scher- und Abziehkräfte
in dem lösbaren
Eingriff verringert werden.
-
In
einer nicht beanspruchten Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Systems aus lösbaren Befestigungselementen,
dass ein Hakenabschnitt in einem aktiven Zustand mit einem Schlaufenabschnitt
in Kontakt gebracht wird, wobei der Schlaufenabschnitt einen Träger und
ein auf einer Oberfläche
davon angeordnetes Schlaufenmaterial umfasst und wobei der Hakenabschnitt
einen Träger
und eine Vielzahl von auf einer Oberfläche angeordneten Hakenelementen
umfasst, wobei das Schlaufenmaterial und die Vielzahl von Hakenelementen
ein Material oder eine Ausgestaltung umfassen, das/die dazu geeignet
ist, eine Formorientierung, eine Biegemoduleigenschaft oder eine
Kombination davon während
des aktivierten Zustands und beim Abschalten der Energie zu verändern, wobei
die Hakenelemente und das Schlaufenmaterial verriegeln, um einen
lösbaren
Eingriff zu bilden.
-
Ein
Hakenabschnitt für
ein System aus lösbaren
Befestigungselementen der nicht beanspruchten Ausführungsform
umfasst einen Träger;
und eine Vielzahl von auf einer Oberfläche des Trägers angeordneten Hakenelementen,
wobei die Vielzahl von Hakenelementen ein Material oder eine Ausgestaltung
umfasst, das/die dazu geeignet ist, nach Empfang eines Aktivierungssignals
eine Formorientierung, eine Biegemoduleigenschaft oder eine Kombination
davon zu verändern.
-
Die
oben beschriebenen und weitere Merkmale sind durch die folgenden
Fig. und die detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die Figs, die beispielhafte Ausführungsformen
sind und in denen gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern aufweisen,
ist:
-
1 eine
Querschnittsansicht eines nicht beanspruchten Systems aus lösbaren Befestigungselementen;
-
2 eine
Querschnittsansicht des Systems aus lösbaren Befestigungselementen
von 1, wobei das System aus lösbaren Befestigungselementen in
Eingriff steht;
-
3 eine
Querschnittsansicht des Systems aus lösbaren Befestigungselementen
von 1, wobei das System aus lösbaren Befestigungselementen außer Eingriff
gebracht ist;
-
4 eine
Querschnittsansicht eines nicht beanspruchten Systems aus lösbaren Befestigungselementen,
das Formgedächtnislegierungsmaterialien
verwendet;
-
5 eine Querschnittsansicht eines Systems
aus lösbaren
Befestigungselementen gemäß einer
weiteren nicht beanspruchten Ausführungsform;
-
6 eine
Querschnittsansicht eines pneumatischen Systems aus lösbaren Befestigungselementen
gemäß der Erfindung;
und
-
7 eine
Querschnittsansicht eines nicht beanspruchten, mechanisch aktivierten
Systems aus lösbaren
Befestigungselementen.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Wie
in 1 gezeigt, umfasst ein nicht beanspruchtes System
aus lösbaren
Befestigungselementen, allgemein bei 10 bezeichnet, einen
Schlaufenabschnitt 12 und einen Hakenabschnitt 14.
Der Schlaufenabschnitt 12 umfasst einen Träger 16 und ein
Schlaufenmaterial 18, das auf einer Seite davon angeordnet
ist, wobei der Hakenabschnitt 14 einen Träger 20 und
eine Vielzahl von eng beabstandeten aufstehenden Hakenelemente 22 umfasst,
die sich von einer Seite davon weg erstrecken. Die Hakenelemente 22 sind
aus einem Material gebildet oder weisen Ausgestaltungen auf, das/die
den Hakenelementen 22 eine Form verändernde Fähigkeit und/oder eine Änderung
von Biegemoduleigenschaften verleiht/en, wie in größerem Detail
beschrieben wird. Die verwendeten Materialien sind vorzugsweise
elastisch und flexibel und stellen darüber hinaus Form verändernde
Fähigkeiten
und/oder Änderungen
von Biegemoduleigenschaften bereit. Gekoppelt mit den Hakenelementen 22 und
in funktioneller Verbindung mit diesen ist eine Aktivierungsvorrichtung 24.
Die Aktivierungsvorrichtung 24 liefert auf Wunsch ein Aktivierungssignal
an die Hakenelemente 22, um die Formorientierung und/oder
den Biegemodul der Hakenelemente 22 zu ändern. Das Aktivierungssignal,
das von der Aktivierungsvorrichtung 24 geliefert wird,
um die Formorientierung und/oder den Biegemodul der Hakenelemente 22 zu
andern, kann ein Wärmesignal, ein
magnetisches Signal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches
Signal, ein mechanisches Aktivierungssignal, Kombinationen, die
mindestens eines der vorstehenden Signale umfassen, und dergleichen
sein, wobei das spezielle Aktivierungssignal von den Materialien
und/oder der Ausgestaltung der Hakenelemente 22 abhängig ist.
Die Änderung
der Formorientierung und/oder der Biegemoduleigenschaft bleibt im
Allgemeinen für
die Dauer des angelegten Aktivierungssignals bestehen. Bei einer
Unterbrechung des magnetischen Aktivierungssignals kehren die Hakenelemente 22 im
Wesentlichen in eine entspannte oder energielose Form zurück. Das veranschaulichte
System aus lösbaren
Befestigungselementen 10 ist nur beispielhaft und soll
nicht auf irgendeine bestimmte Form, Größe, Ausgestaltung, Anzahl oder
Form von Hakenelementen 22, die Form des Schlaufenmaterials 18 oder
dergleichen beschränkt
sein.
-
Während eines
Eingriffs werden die zwei Abschnitte 12, 14 zusammengedrückt, um
eine Verbindung zu erzeugen, die relativ stark in den Scher- und Abziehrichtungen
und schwach in einer Ablöserichtung
ist. Wenn z. B. die zwei Abschnitte 12, 14 in
einander zugewandtem Eingriff gedrückt werden, werden die Hakenelemente 22 in
Eingriff mit dem Schlaufenmaterial 18 gebracht und die
enge Beabstandung der Hakenelemente 22 widersteht einer wesentlichen
seitlichen Bewegung, wenn sie Scherkräften in der Ebene des Eingriffs
unterworfen werden. In ähnlicher
Weise widerstehen die Hakenelemente 22 einer wesentlichen
Trennung der zwei Abschnitte 12, 14, wenn die
in Eingriff stehende Verbindung einer Kraft rechtwinklig zu dieser
Ebene (d. h. Abziehkräften)
unterworfen ist. Wenn die Hakenelemente 22 jedoch einer
Ablösekraft
unterworfen sind, können
die Hakenelemente 22 außer Eingriff mit dem Schlaufenmaterial 18 gelangen.
Es sollte angemerkt werden, dass ein Trennen der zwei Abschnitte 12, 14 mithilfe
der Ablösekraft
allgemein erfordert, dass einer oder beide Träger, die den Hakenabschnitt
und den Schlaufenabschnitt bilden, flexibel ist/sind.
-
Um
die aus dem Eingriff resultierenden Scher- und Abziehkräfte zu verringern,
wird die Formorientierung und/oder der Biegemodul der Hakenelemente 22 bei
Empfang des Aktivierungssignals von der Aktivierungsvorrichtung 24 geändert, um
einen Fernlösemechanismus
der in Eingriff stehenden Verbindung bereitzustellen. Infolge der Änderung
der Formorientierung und/oder des Biegmoduls der Hakenelemente 22 ist
eine merkliche Verringerung der Scher- und Abziehkräfte zu beobachten,
wodurch zugelassen wird, dass die Verbindung in Richtungen, die
normalerweise einem Abziehen oder einer Scherung zugehörig sind,
zu trennen. Das heißt,
die Änderung
der Formorientierung und/oder des Biegemoduls verringert die Scherkräfte in der
Ebene des Eingriffs und verringert die Abziehkräfte rechtwinklig zu der Ebene
des Eingriffs. Zum Beispiel, wie in den 2 und 3 gezeigt,
kann die Vielzahl von Hakenelementen 22 Ausrichtungen in
der Form eines umgedrehten J aufweisen, die auf Wunsch beim Empfang
eines Aktivierungssignals von der Aktivierungsvorrichtung 24 in
im Wesentlichen geradegerichtete Formorientierungen geändert werden.
Die im Wesentlichen gerade gerichtete Form bezüglich der J-förmigen Orientierung
verleiht der Verbindung merkliche Verringerungen der Scher- und
Abziehkräfte.
In ähnlicher
Weise ist eine Verringerung der Scher- und Abziehkräfte durch Ändern des
Biegmoduls der Hakenelemente zu beobachten. Die Änderung der Biegemoduleigenschaften
kann ein zeln oder in Verbindung mit der Formänderung erfolgen. Zum Beispiel
verringert eine Änderung
der Biegemoduleigenschaften der Hakenelemente, um eine Erhöhung der
Flexibilität
vorzusehen, die Scher- und Abziehkräfte. Im Gegensatz dazu kann
eine Änderung der
Biegemoduleigenschaften der Hakenelemente, um eine Verringerung
der Flexibilität
vorzusehen (d. h. die Steifigkeit zu erhöhen), verwendet werden, um die
Scher- und Abziehkräfte
im Eingriff zu erhöhen. Das
heißt,
die Haltekraft ist erhöht,
wodurch eine stärkere
Verbindung bereitgestellt ist.
-
Die
Hakenelemente 22 können
einteilig mit dem Träger 20 gebildet
sein oder können
bevorzugter auf dem Träger 20 angeordnet
sein. In der Praxis weist die Beabstandung zwischen benachbarten
Hakenelementen 22 einen Betrag auf, der wirksam ist, um
einen ausreichenden Scher- und Abziehwiderstand bereitzustellen,
der für
die bestimmte Anwendung während
eines Eingriffs mit dem Schlaufenmaterial 18 gewünscht ist.
In Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung kann der Betrag der Scher- und Abziehkraft, der für einen
wirksamen Eingriff erforderlich ist, beträchtlich variieren. Im Allgemeinen wird,
je enger die Beabstandung und je größer die Anzahl der verwendeten
Hakenelemente ist, dies zu erhöhten
Scher- und Abziehkräften bei
einem Eingriff führen.
Die Hakenelemente 22 weisen vorzugsweise eine Form auf,
die derart ausgestaltet ist, dass sie bei einem In-Kontakt-Drücken des
Schlaufenabschnitts 12 mit dem Hakenabschnitt 14 mit
dem Schlaufenmaterial 18 in Eingriff gelangen und umgekehrt.
In diesem Eingriffsmodus können
die Hakenelemente 22 eine umgedrehte J-förmige Orientierung,
eine Pilzform, eine Knopfform, eine Ankerform mit mehreren Zacken,
eine T-Form, Spiralen oder eine beliebige andere mechanische Form
eines hakenartigen Elements aufweisen, die für trennbare Haken- und Schlaufen-Befestigungselemente
verwendet wird. Solche Elemente sind hierin als „hakenförmige", „Hakentyp-" oder „Haken-" Elemente bezeichnet,
unabhängig
davon, ob sie die Form eines Hakens aufweisen oder nicht. In gleicher
Weise kann das Schlaufenmaterial eine Vielzahl von Schlaufen oder einen
Flor, eine dem Hakenelement komplementäre Form (z. B. einen schlüssel- und
schlossartigen Eingriff) oder eine beliebige andere mechanische
Form eines schlaufenartigen Elements umfassen, die für trennbare
Haken- und Schlaufen-Befestigungselemente verwendet wird.
-
Die
für die
Fertigung der Hakenelemente 22 gewählten Materialien werden verwendet,
um ein Formänderungsvermögen und/oder
eine Änderung des
Biegemoduls vorzusehen. Geeignete Materialien zum Bereitstellen
des Formänderungsvermögens und/oder
einer Änderung
des Biegemoduls umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf
Formgedächtnislegierungen,
Formgedächtnispolymere,
piezoelektrische Materialien, magnetorestriktive Materialien (auch
als magnetorestriktive Materialien bezeichnet), Ionenpolymer/Metallverbundstoffe,
elastische Gedächtnisverbundstoffe,
Verbundstoffe aus elektroaktiven Polymeren und Metallen und dergleichen
Materialien. Die Aktivierungsvorrichtung 24 kann derart ausgestaltet
sein, dass sie ein Aktivierungssignal an die Hakenelemente liefert,
wobei das Aktivierungssignal ein magnetisches Signal, ein elektrisches
Signal, ein Wärmesignal,
ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Aktivierungssignal, eine
Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Signale umfasst,
und dergleichen umfassen kann, wobei die Art des verwendeten Aktivierungssignals
von dem speziellen die Form ändernden
Material und/oder den Biegemodul ändernden Material abhängig ist,
das verwendet wird, um das Hakenelement zu fertigen. Zum Beispiel
könnte
ein magnetisches und/oder elektrisches Signal verwendet werden,
um die Form von aus magnetorestriktiven Materialien gefertigten
Hakenelementen zu ändern.
Wärmesignale
könnten verwendet
werden, um eine Änderung
der Form von aus Formgedächtnislegierungen
oder Formgedächtnispolymeren
gefertigten Hakenelementen zu bewirken. Elektrische Signale könnten verwendet
werden, um eine Änderung
der Form von Hakenelementen, die aus elektroaktiven Materialien,
piezoelektrischen Materialien, elektrostatischen Materialien und
Ionenpolymer/Metallver-bundstoffen hergestellt sind, zu bewirken.
-
Das
Schlaufenmaterial 18 umfasst allgemein ein zufälliges Schlaufenmuster
oder Flormaterial. Das Schlaufenmaterial wird oft als das „Weiche", das „Flauschige", der „Flor", das „Weibchen" oder der „Teppich" bezeichnet. Geeignete
Schlaufenmaterialien sind im Handel unter der Markenbezeichnung VELCRO
von Velcro Industries B. V. erhältlich.
Materialien, die zur Herstellung des Schlaufenmaterials geeignet
sind, umfassen Thermoplaste wie z. B. Polypropylen, Polyethylen,
Polyamid, Polyester, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Acetal, Acryl,
Polykarbonat, Polyphenylenoxid, Polyurethan, Polysulfon und dergleichen.
Das Schlaufenmaterial 18 kann in dem Träger integriert sein oder kann
an dem Träger
angebracht sein.
-
Alternativ
kann das Schlaufenmaterial 18 aus denselben die Form ändernden
Materialen und/oder den Biegemodul ändernden Materialien gefertigt
sein, die für
die Hakenelemente verwendet werden. Als solches kann das Schlaufenmaterial
derart gebildet sein, dass es bei Empfang eines Aktivierungssignals
aktiv und nicht passiv ist. Beispielsweise können sowohl die Hakenelemente
als auch das Schlaufenmaterial die Form von Spiralen aufweisen, die,
wenn sie zusammengedrückt
werden, zu einem Eingriff mit relativ starken Scher- und Abziehkräften und
schwachen Ablösekräften führen. Eine
Aktivierung des Schlaufenmaterials 18 und der Hakenelemente 22 bewirkt
eine Änderung
der Form und/oder des Biegemoduls, was für eine beträchtliche Verringerung der für eine Trennung
erforderlichen Scher- und Abziehkräfte sorgt.
-
Die
Träger 16 (Schlaufenabschnitt 12)
oder 20 (Hakenabschnitt 14) können, abhängig von der vorgesehenen Anwendung,
steif oder biegsam sein. Geeignete Materialien zum Fertigen des
Trägers
umfassen Kunststoffe, Gewebe, Metalle und dergleichen. Zum Beispiel
umfassen geeignete Kunststoffe Thermoplaste wie z. B. Polypropylen,
Polyethylen, Polyamid, Polyester, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Acetal,
Acryl, Polykarbonat, Polyphenylenoxid, Polyurethan, Polysulfon und
andere ähnliche
thermoplastische Polymere. Ein Klebstoff kann auf die hintere Oberfläche des
Trägers
(die Oberfläche
ohne die Hakenelemente 22 oder das Schlaufenmaterial) für eine Anwendung
des Systems aus lösbaren
Befestigungselementen auf eine Vorrichtung oder Struktur aufgebracht
werden. Alternativ kann das System aus lösbaren Befestigungselementen 10 durch
Schrauben, durch Schweißen
oder ein beliebiges anderes mechanisches Befestigungsmittel an einer
Vorrichtung oder Struktur befestigt werden. Es ist anzumerken, dass
im Gegensatz zu traditionellen Haken- und Schlaufen-Befestigungselementen
im Hinblick auf die vorgesehene Fähigkeit des entfernten Lösens beide
Träger 16 und 20 aus
einem steifen oder unflexiblem Material gefertigt sein könnten. Traditionelle Haken- und Schlaufen-Befestigungselemente
erfordern typischerweise, dass zumindest ein Träger flexibel ist, sodass eine
Ablösekraft
zum Trennen des Haken- und Schlaufen-Befestigungselements aufgebracht
werden kann.
-
Der
Träger 20 kann
auch die Aktivierungsvorrichtung 24 zum Liefern des Aktivierungssignals an
die Hakenelemente umfassen. Beispielsweise kann der Träger ein
Widerstandsheizblock sein, um ein Wärmeenergiesignal bereitzustellen,
das ausreicht, um eine Änderung
der Form und/oder eine Änderung
des Biegemoduls zu bewirken, die für Hakenelemente erforderlich
sein kann, welche aus Formgedächtnislegierungen,
Formgedächtnispolymeren
und ähnlichen
thermisch aktivierte Materialien gefertigt sind, oder der Träger 20 kann
ein Elektromagnet sein, um ein magnetisches Signal an Hakenelemente zu
liefern, die aus magnetorestriktiven Materialien gefertigt sind,
oder der Träger 20 kann
aus einer Schaltung bestehen, um ein elektrisches Signal an Hakenelemente
zu liefern, die aus elektroaktiven Materialien, Ionenpolymer/Metallverbundstoffen,
elektrostatischen Materialien, piezoelektrischen Materialien und
dergleichen hergestellt sind. Auf eine ähnliche Weise kann der Träger 16,
wenn das Schlaufenmaterial 18 aus denselben Materialien
gefertigt ist wie die Hakenelemente 22, auch die Aktivierungsvorrichtung 24 umfassen,
um das Aktivierungssignal an das Schlaufenmaterial 18 zu
liefern.
-
Beispielhaft
wird nun Bezug auf die Verwendung von Formgedächtnislegierungen zur Fertigung der
Hakenelemente und zum Bereitstellen der Fähigkeit zu einer Änderung
der Formorientierung und/oder der Änderung von Biegemoduleigenschaften
bei Empfangen eines Aktivierungssignals. Die Änderungen der Formorientierung
und/oder Biegemoduleigenschaften können bewirkt werden, indem die
Formgedächtniseigenschaft
und/oder Überelastizitätseigenschaft
der speziellen Formgedächtnislegierung
verwendet wird. Beispielsweise besitzen Formgedächtnislegierungen im Allgemeinen
die Fähigkeit
beim Erwärmen
bis zu einer Temperatur bei oder oberhalb einer Übergangstemperatur in eine vorbestimmte
Form zurückzukehren.
Wenn sich eine Formgedächtnislegierung
unterhalb ihrer Übergangstemperatur
befindet, besitzt die Legierung eine sehr niedrige Fließgrenze
und kann ganz einfach in eine beliebige neue Form verformt werden.
Wenn das Material jedoch bis über
seine Übergangstemperatur
erwärmt
wird, erfährt
die Kristallstruktur der Formgedächtnislegierung
eine Änderung
der Form, die bewirkt, dass sie in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.
Die Temperatur, bei der die Legierung sich an ihre Hochtemperaturform „erinnert", wenn sie erwärmt wird,
kann durch geringfügige Änderungen
in der Zusammensetzung der Legierung und über eine Wärmebehandlung eingestellt werden.
Zum Beispiel kann sie in Nickel-Titan
(NiTi-)Formgedächtnislegierungen
von oberhalb von etwa 100 °C
bis unter etwa –100 °C verändert werden.
Der Formwiederherstellungsprozess erfolgt über einen Bereich von nur wenigen
Grad und der Beginn oder das Ende des Übergangs kann abhängig von
der gewünschten
Anwendung innerhalb von ein oder Grad gesteuert werden.
-
Die
beiden Phasen, die in Formgedächtnislegierungen
auftreten, werden oft auch als Martensit- und Austenitphase bezeichnet.
Die Martensitphase ist eine relativ weiche und leicht verformbare
Phase der Formgedächtnislegierungen,
die allgemein bei niedrigeren Temperaturen vorliegt. Die Austenitphase,
die stärkere
Phase der Formgedächtnislegierungen,
liegt bei höheren
Temperaturen vor.
-
In
einer nicht beanspruchten, beispielhaften Ausführungsform umfasst der Hakenabschnitt
eine Oberfläche,
die eine Gruppierung von Hakenelementen umfasst, welche aus der
Formgedächtnislegierung
gefertigt sind. Die so gebildeten Hakenelemente sind rechtwinklig
zu der Oberfläche
orientiert und weisen eine hakenartige Formorientierung auf. Das Schlaufenmaterial
umfasst eine Oberfläche,
die Schlaufen oder eine Floor aus dem Material enthält. Alternativ
kann das Schlaufenmaterial, wie oben erläutert, aus Formgedächtnislegierungen
gefertigt sein, die mit einer ähnlichen
Geometrie und Funktion ausgestaltet sind wie jene an dem Hakenabschnitt, an
dem die Schlaufenmaterialoberfläche
angebracht werden soll, z. B. können
sowohl die Hakenelemente als auch die Schlaufenmaterialien spiralförmige Geometrien
aufweisen, die in Eingriff gebracht werden können, wenn die beiden Abschnitte
zusammengedrückt
werden. Die Gruppierungen von Hakenelementen mit verschiedenen Geometrien
und/oder Schlaufen an den beiden Oberflächen müssen derart angeordnet und
ausreichend dicht sein, dass die Wirkung des Zu sammendrückens der
beiden Oberflächen
zu einem mechanischen Eingriff der Hakenelemente mit dem Schlaufenmaterial
führt und
eine Verbindung erzeugt, deren Scher- und Abziehkräfte groß und deren
Ablösekraft
relativ schwach ist. Eine Fernausrückung der beiden Oberflächen wird
verschiedentlich bewirkt, indem die Temperatur der Formgedächtnislegierung
bis über
ihre Übergangstemperatur
erhöht
wird, was bewirkt, dass sich die Hakenelemente und/oder das Schlaufenmaterial
gerade richten/t (z. B. in den Beispielen, in denen die Formgedächtniseigenschaft
der Formgedächtnislegierung verwendet
wird), und/oder indem die Temperatur der Formgedächtnislegierung verringert
wird, um eine Umschaltung von der steiferen Austenit- zu der schwächeren Martensitphase
(z. B. in den Beispielen, in denen die Überelastizitätseigenschaft
der Formgedächtnislegierung
verwendet wird) zu bewirken. Auf diese Weise kann ein Ändern der
Formorientierung und/oder der Biegemoduleigenschaften der Hakenelemente
verwendet werden, um auf Wunsch ein/en Eingriff/Lösen von
Verbindungen/Befestigungen bereitzustellen.
-
Optional
können
die Formgedächtnislegierungs-Hakenelemente
mit einem Elastomer, einem Formgedächtnispolymer oder dergleichen
mit einer Dicke beschichtet sein, die wirksam ist, um reversible elastische
Verformungen von bis zu etwa 20 bis etwa 30% zuzulassen. Auf diese
Weise erhöht
die Beschichtung den Biegemodul der Hakenelemente im energielosen
Zustand und somit ihre Haltekraft bei niedrigen Temperaturen.
-
In
einer weiteren nicht beanspruchten, beispielhaften Ausführungsform
werden die überelastischen
Formgedächtnislegierungen
verwendet, um die Hakenelemente zu fertigen. Überelastische Formgedächtnislegierungen
existieren in der steifen Austenitphase bei Raumtemperatur, gehen
jedoch bei niedrigeren Temperaturen in die schwächere Martensitphase über. Eine
Verringerung der Temperatur der überelastischen
Formgedächtnislegierung bewirkt,
dass das Formgedächtnislegierungsmaterial von
der steiferen Austenit- in die schwächere Martensitphase übergeht
und die Trennung der beiden Oberflächen bei deutlich geringeren
Kraftwerten zulässt.
In dieser Ausführungsform
wird die Austenitphase verwendet, um den Haltezustand zu erreichen,
während
ein Abkühlen
verwendet wird, um ein Lösen
zu erreichen.
-
4 veranschaulicht
schematisch ein nicht beanspruchtes, beispielhaftes System aus lösbaren Befestigungselementen,
das Formgedächtnislegierungen
verwendet. Das System, allgemein bei 30 bezeichnet, umfasst
einen Schlaufenabschnitt 32 und einen Hakenabschnitt 34.
Der Schlaufenabschnitt 32 umfasst einen Träger 36 und
ein Schlaufenmaterial 38, das auf einer Seite davon angeordnet
ist, während
der Hakenabschnitt 34 einen Träger 40 und eine Vielzahl
von eng beabstandeten aufstehenden Hakenelementen 42 umfasst,
die sich von einer Seite davon weg erstrecken. Die beiden Abschnitte 30, 32 werden
zusammengedrückt,
um einen mechanischen Eingriff bereitzustellen. In einem energielosen Zustand
führt der
Eingriff der beiden Abschnitte 30, 32 zu einer
Verbindung, die relativ widerstandsfähig gegenüber Scher- und Abziehkräften ist
und schwache Ablösekräfte aufweist.
In einem aktivierten Zustand erwärmt
ein Aktivierungssignal die Hakenelemente 42 bis über die Übergangstemperatur
der Formgedächtnislegierung,
um zu bewirken, dass sich die Hakenelemente 42 gerade richten,
wie gezeigt. Geeignete Aktivierungssignale umfassen eine Leitung
von Wärme
von der Trägeroberfläche, an
der die Hakenelemente 42 angebracht sind, eine Widerstandserwärmung der
Formgedächtnislegierungs-Hakenelemente
selbst, allgemeine Erhöhungen
der Temperatur der gesamten Anordnung und ihrer Umgebung (d. h.
Konvektion), Kombinationen, die zumindest eines der vorstehenden
umfassen, oder dergleichen. Vorteilhafterweise bietet das Aufrechterhalten
eines Ein griffs in dem energielosen Zustand einen beträchtlichen
wirtschaftlichen Vorteil, da keine Energieressourcen verwendet werden,
um den Eingriff kontinuierlich aufrechtzuerhalten. Nur im aktivierten
Zustand ist Energie erforderlich, um die Fernlösung der beiden Abschnitte
vorzusehen.
-
5 veranschaulicht schematisch ein nicht beanspruchtes,
beispielhaftes System aus lösbaren Befestigungselementen 50,
das einen Schlaufenabschnitt 52 und einen Hakenabschnitt 54 umfasst.
Der Schlaufenabschnitt 52 umfasst einen Träger 56 und ein
Schlaufenmaterial 58, das auf einer Seite davon angeordnet
ist, während
der Hakenabschnitt 54 einen Träger 60 und Hakenelemente 62 umfasst.
In dieser Ausführungsform
sind sowohl die Hakenelemente 52 als auch das Schlaufenmaterial 54 aus
einer Formgedächtnislegierung
gefertigt und liegen in einem energielosen Zustand in Form von Spiralen vor,
während
sich in dem aktivierten Zustand die Form der Spiralen in eine relativ
gerade gerichtete Form ändert,
wie gezeigt. Im aktivierten Zustand werden die beiden Abschnitte 52, 54 zusammengedrückt. Die
Energie wird dann abgeschaltet, d. h., ein Aktivierungssignal wird
unterbrochen, und das Schlaufenmaterial und die Hakenelemente kehren
in die Spiralformorientierung zurück. Infolge der Rückkehr in
die Spiralformorientierung werden die Spiralen verriegelt und stellen
dadurch eine Verbindung bereit, die relativ widerstandsfähig gegenüber Scher- und
Abziehkräften
ist und schwache Ablösekräfte aufweist.
Um die beiden Abschnitte 52, 54 zu trennen, wird
ein Aktivierungssignal an das Schlaufenmaterial 58 und
die Hakenelemente 62 auf eine Weise geliefert, wie vorstehend
beschrieben. Vorteilhafterweise wird keine Energie verbraucht, um
die Verbindung aufrecht zu erhalten, sobald die Verbindung gebildet
ist.
-
Geeignete
Formgedächtnislegierungsmaterialien
umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf Legierungen auf
Nickel-Titan-Basis, Legierun gen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen,
Kupfer-Aluminiumlegierungen und Kupfer-Zinnlegierungen), Gold-Cadmium-legierungen,
Eisen-Platinlegierungen und dergleichen. Die Hakenelemente können aus
der Formgedächtnislegierung
gebildet werden, indem zuerst Drähte
oder Fasern gebildet werden. Dann können auf die aus diesen Legierungen
gebildeten Drähte
oder Fasern Belastungen durch eine Oberflächenbehandlung wie z. B. Hochenergiestrahlen
von Ionen- oder Laserquellen oder mechanische Mittel aus Kugelstrahlen
oder Polieren eingebracht werden. Diese Behandlungen können die
Struktur der Bereiche in der Nähe
der Oberfläche
andern und Belastungen einbringen, die die Bildung von Haken bewirken.
Die Fasern können
dann mithilfe einer Vielfalt von Verfahren auf einem Substrat (z.
B. dem Träger
20) angeordnet werden. Beispielsweise kann ein Klebstoff (z. B.
silberdotiertes Epoxid) auf das Substrat aufgetragen werden und
die Formgedächtnislegierungs-Hakenelemente können mechanisch
in den Klebstoff gedrückt
werden.
-
Die
Formänderungsfähigkeit
des Hakenelements kann pneumatisch und/oder in einer nicht beanspruchten,
alternativen Ausführungsform
durch ein mechanisches Mittel vorgesehen sein. Beispielsweise können die
Hakenelemente in Form von hohlen Rohren gefertigt sein. In dieser
Ausführungsform
umfasst die Aktivierungsvorrichtung einen Luftaufblasmechanismus,
der die hohlen Rohre selektiv unter Druck setzen und/oder drucklos
machen kann. Auf diese Weise kann das hohle Rohr, d. h. hohle Elemente,
auf Wunsch gerade gerichtet oder entspannt werden, um ein fernlösbares System
aus Befestigungselementen bereitzustellen.
-
6 veranschaulicht
schematisch ein beispielhaftes pneumatisch betätigtes System aus lösbaren Befestigungselementen
gemäß Anspruch
1. Das pneumatisch betätigte
System aus lösbaren
Befestigungselementen, allgemein bei 100 bezeichnet, umfasst
einen Träger 102 mit
einer Vielzahl von aufstehenden Hakenelementen 104 und
Perforationen 106. Jedes Hakenelement 104 umfasst
einen hohlen Innenbereich, der mit der Perforation 106 in
dem Träger 102 ausgerichtet
ist und mit diesem in Fluidverbindung steht. In einem entspannten
oder energielosen Zustand sind die Hakenelemente 104 hakenartig geformt
und können
mit einem Schlaufenabschnitt 120 in Eingriff gebracht werden.
Der Schlaufenabschnitt 120 umfasst einen Träger 122 und
ein Schlaufenmaterial 124 auf einer Seite davon. Zum besseren Verständnis veranschaulicht 6 ein
einziges Schlaufen- 124 und Hakenelement 104 in
einer Eingriffposition. In der Praxis werden vorzugsweise eine Vielzahl
von Hakenelementen 104 und Schlaufen 124 verwendet.
Die Hakenelemente 104 sind aus elastischen, flexiblen Materialien
gefertigt, um ein Verbiegen und Zurückbiegen der Hakenelemente 104 zuzulassen.
-
Das
System 100 umfasst ferner ein Aufnahmegefäß 108,
das mit dem Träger 102 gekoppelt
ist und in dem ein Plunger 110 verschiebbar gegen die Wände des
Aufnahmegefäßes 108 in
Eingriff stehen kann. Eine Einwärtsbewegung
des Plungers 110 bewirkt eine Druckluftbeaufschlagung innerhalb
eines in dem Aufnahmegefäß 108 gebildeten
Behälters 112,
das in der Folge eine Druckluftbeaufschlagung innerhalb des Hakenelements 104 bewirkt.
Die Erhöhung
des Drucks innerhalb des Hakenelements 104 bewirkt eine Änderung
der Formorientierung und/oder des Biegemoduls des Hakenelements 104. Im
Spezielleren richtet sich das Hakenelement 104 gerade und
löst dadurch
das Hakenelement 104 von der Schleife 124.
-
7 veranschaulicht
eine alternative, nicht beanspruchte Ausführungsform, in der die Hakenelemente
in der Längsrichtung
verstärkt
sind. In dieser Ausführungsform
ist die Druckluftbeaufschlagung des Hakenele ments, um die Formänderung
zu bewirken, optional. Vorzugsweise ist/sind eine oder mehrere steife
Stangen 130 mit einem geringen Durchmesser in den hohlen
Bereich des Hakenelements 104 eingesetzt, wobei ein Ende
der Stange 130 mit dem Plunger 110 gekoppelt ist.
Die Länge
der Stange 130 ist derart bemessen, dass zugelassen wird,
dass das Hakenelement 104 eine hakenartige Form aufweist.
Anders ausgedrückt,
das distale Ende des Hakenelements 104 ist von der Stange 130 frei,
wenn das Hakenelement 104 seine hakenartige Form aufweist.
Federn 132 sind mit dem Plunger 110 und dem Träger 102 gekoppelt.
In der nicht aktivierten Position sind die Federn vorzugsweise nicht
belastet und somit gestreckt. Bei einer Bewegung der Basis zu der Oberseite
unter einer aufgebrachten Belastung werden die Federn zusammengedrückt und
die Stangen werden in die gekrümmten
Spitzenabschnitte der Haken gedrückt
und richten auf diese Weise diese Spitzenabschnitte gerade. Dieses
Geraderichten der Spitzen der Haken bewirkt, dass diese von den Schleifen
ausrücken.
Ein Lösen
der auf den Plunger aufgebrachten Belastung bewirkt, dass sich die
Federn zu ihrer unbelasteten Geometrie ausdehnen, und die Wirkung
davon zieht die Stangen von den Spitzen der Haken zurück, was
wiederum dazu führt, dass
die Haken ihre ursprüngliche
hakenartige Geometrie annehmen.
-
Die
Bewegung des Plungers 110 innerhalb des Aufnahmegefäßes 108 kann
durch verschiedene direkte oder entfernte Mittel bewirkt werden,
die eine Bewegung eines Magnetschalters, ein Durchbiegen einer Membran,
eine direkte Belastung des Plungers wie z. B. durch den Finger eines
Bedieners, ein Fertigen der Federn aus einem Formgedächtnismaterial, das
wirksam ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Belastung
auszuüben,
und dergleichen umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Alternativ kann die Membran aus einem Formgedächtnismaterial gebildet sein,
das auf eine angewendete Wärme
für eine Druckluftbeaufschlagung
und Duckentlastung des Gefäßes und
der Hakenelemente anspricht.
-
Die
Offenlegung ist außerdem
durch die nachfolgenden, nicht beanspruchten Beispiele veranschaulicht.
-
Beispiele
-
In
diesem Beispiel wurde ein Hakenabschnitt aus einer Nickel-Titan
(Ni-Ti)-Formgedächtnislegierung
gefertigt. Ein 200 μm
dicker NiTi-Formgedächtnislegierungsdraht
mit einer Austenit-Endübergangs-temperatur
von 70 °C
wurde in ein Metallgitter (ca. 1 Millimeter Gitterabstand) und um
einen Metallstangendorn mit einem Radius von 1,25 Millimeter (mm)
herum gewebt. Die Stange wurde entfernt und die Formgedächtnislegierungs-Drahtschlaufen
wurden unter Verwendung eines Epoxids an der Rückseite des Gitters befestigt.
Nach dem Aushärten
des Epoxids wurden die Schlaufen in der Nähe der Basis einer Seite einer
jeden Schlaufe geschnitten, um eine Gruppierung von Hakenelementen
zu bilden. Ein Heizelement mit 15 bis 20 Watt wurde an der Rückseite
des Metallgitters befestigt. Der Hakenabschnitt wurde in einander
zugewandtem Eingriff mit einem Schlaufenabschnitt gebracht, der
aus einem Velcro®-Schlaufenmaterial, im Handel erhältlich von
Velcro Corporation, bestand, was zu einem mechanischen Eingriff
führte,
der widerstandsfähig
gegenüber
Scher- und Abziehkräften
war und schwache Ablösekräfte aufwies.
Beim Erwärmen
richtete sich die Gruppierung von Hakenelementen gerade und verringerte
deutlich die Scher- und Abziehkräfte.
-
Vorteilhafterweise
sind die Systeme aus lösbaren
Befestigungselementen extrem vielseitig und können in einer Anzahl von unterschiedlichen
Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann das lösbare Befesti gungselement
verwendet werden, um zwei Autostrukturelemente lösbar aneinander zu befestigen,
um einen Mechanismus vorzusehen, der verschiedene Belastungspfade
im Fall eines Aufpralls vorsieht, der ausreicht, um den Lösemechanismus
zu aktivieren. Geschweißte
und geklebt verbundene „starre" Verbindungen sehen
feste Belastungspfade vor. Die Verwendung des Fernlösemechanismus
kann verwendet werden, um den Belastungspfad zu andern. Weitere
Beispiele umfassen die Bereitstellung eines Mechanismus zum Öffnen und Schließen einer
Vorrichtung wie z. B. Kofferräumen, Türen, ein
Handschuhfach und dergleichen. Das System aus lösbaren Befestigungselementen
kann auch für
lösbare
Befestigungsmechanismen auf Wunsch wie z. B. zum lösbaren Befestigen
von Batterien, Brennstoffzellen, Transportcontainern, Fahrzeuginnen-
und -außenkomponenten
und dergleichen verwendet werden. Darüber hinaus kann das System
aus lösbaren
Befestigungselementen derart ausgestaltet sein, dass eine Energiequelle
nicht erforderlich ist, um einen Eingriff der Verbindung aufrecht
zu erhalten. Energie, d. h. ein Aktivierungssignal, kann verwendet
werden, um eine Trennung bereitzustellen, wodurch der Einfluss auf
Energiequellen während
der Verwendung des Systems aus lösbaren
Befestigungselementen minimiert ist.