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Dokumentenidentifikation DE60313272T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001416167
Titel Lösbares Befestigungssystem
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Browne, Alan Lampe, Grosse Pointe MI 48230, US;
Johnson, Nancy L., Northville MI 48167, US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60313272
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.09.2003
EP-Aktenzeichen 030213714
EP-Offenlegungsdatum 06.05.2004
EP date of grant 18.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse F16B 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse A44B 18/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
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 Aktivierungsvorrichtung 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 einzeln 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 Zusammendrückens 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 Eingriffs 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, Legierungen 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 Hakenelements, 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 &mgr;m 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 Befestigungselement 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.


Anspruch[de]
System aus lösbaren Befestigungselementen (100) zum lösbaren Befestigen eines Schlaufenabschnitts (120) und eines Hakenabschnitts (102, 104), umfassend:

einen Schlaufenabschnitt (120), der einen Träger (122) und ein auf einer Oberfläche davon angeordnetes Schlaufenmaterial (124) umfasst;

einen Hakenabschnitt, der einen Träger (102) und eine Vielzahl von auf einer Oberfläche angeordneten Hakenelementen (104) umfasst, wobei die Vielzahl von Hakenelementen (104) hohle Röhren umfasst, wobei jede hohle Röhre ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweist, wobei ein Aktivierungssignal in der Lage ist, pneumatisch Luft in das offene Ende einzuleiten und die Formorientierung der Vielzahl von Hakenelementen zu verändern, und

eine Aktivierungsvorrichtung, die mit der Vielzahl von Hakenelementen (104) gekoppelt ist und dazu dient, das Aktivierungssignal selektiv an die Hakenelemente (104) zu liefern und die Formorientierung, die Biegemoduleigenschaft oder eine Kombination aus der Formorientierung und den Biegemoduleigenschaften zu verändern, um die Scherkraft und/oder Abziehkraft zu verringern.
System aus lösbaren Befestigungselementen (100) nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein pneumatisches Signal umfasst. System aus lösbaren Befestigungselementen (100) nach Anspruch 1, wobei die Hakenelemente (104) eine Form aufweisen, die eine J-förmige Orientierung, eine Pilzform, eine Knopfform, eine Ankerform mit mehreren Zacken, eine T-Form, eine Spiralform oder Kombinationen mit mindestens einer der vorstehenden Formen umfasst. System aus lösbaren Befestigungselementen (100) nach Anspruch 1, wobei das Schlaufenmaterial (124) eine Form umfasst, die geeignet ist, mit den Hakenelementen (104) in Eingriff gebracht zu werden, wenn der Hakenabschnitt in einander zugewandtem Eingriff mit dem Schlaufenabschnitt (120) gedrückt wird. System aus lösbaren Befestigungselementen (100) nach Anspruch 1, wobei die Aktivierungsvorrichtung ein Aktivierungssignal umfasst, das bewirkt, dass eine Formänderung und/oder eine Änderung in Biegemoduleigenschaften an den Hakenelementen (104) vorgenommen wird. System aus lösbaren Befestigungselementen (100) nach Anspruch 1, wobei sich die Formorientierung an der Vielzahl von Hakenelementen (104) von einer Orientierung in der Form eines umgedrehten J zu einer im Wesentlichen gerade gerichteten Formorientierung ändert. System aus lösbaren Befestigungselementen (100) nach Anspruch 1, wobei der Schlaufenabschnittträger (122) und der Hakenabschnittträger (120) aus einem unflexiblen Material gefertigt sind. Verfahren zum Betreiben des lösbaren Befestigungselementsystems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das umfasst, dass:

konstante Scher- und Abziehkräfte in einem lösbaren Eingriff zwischen dem Schlaufenabschnitt (120) und dem Hakenabschnitt (102, 104) ohne Einleitung eines Energiesignals aufrecht erhalten werden;

Energie selektiv in die Hakenelemente (104) eingeleitet wird, wobei das Energiesignal bewirkt, dass eine Formorientierung, eine Biegemoduleigenschaft oder die Kombination davon an der Vielzahl von Hakenelementen (104) verändert wird; und

Scher- und/oder Abziehkräfte in dem lösbaren Eingriff verringert werden.






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