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課題・解決手段

この発明は、接合要素(1,20,30,52,67,75,80)の熱的溶融による物体(41,50,51,65,66)の接合の方法に関する。接合要素(1,20,30,52,67,75,80)は、有向の力(F)により、物体(41,50,51,65,66)の1つの表面(4,40,59)に作用し、有向の力(F)の結果としてこれに貫入する。貫入された状況においては、1つの物体(41,50,51,65,66)への接合要素(1,20,30,52,67,75,80)のさらなる貫入の際に、前進が有向の力(F)により維持されるような態様で、機械的励振が発生され、溶融は機械的励振により維持され、これにより、溶融した材料は、物体(41,50,51,65,66)に液圧的変移される。

概要

背景

概要

この発明は、接合要素(1,20,30,52,67,75,80)の熱的溶融による物体(41,50,51,65,66)の接合の方法に関する。接合要素(1,20,30,52,67,75,80)は、有向の力(F)により、物体(41,50,51,65,66)の1つの表面(4,40,59)に作用し、有向の力(F)の結果としてこれに貫入する。貫入された状況においては、1つの物体(41,50,51,65,66)への接合要素(1,20,30,52,67,75,80)のさらなる貫入の際に、前進が有向の力(F)により維持されるような態様で、機械的励振が発生され、溶融は機械的励振により維持され、これにより、溶融した材料は、物体(41,50,51,65,66)に液圧的変移される。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
4件
牽制数
5件

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請求項1

接合要素(1,20,30,52,67,75,80)を熱的に溶融することにより物体(41,50,51,65,66)を接合するための方法であって、接合要素(1,20,30,52,67,75,80)は、有向の力(F)によって物体(41,50,51,65,66)の少なくとも1つの表面(4,40,59)に作用し、有向の力(F)の結果として表面に貫入し、表面が貫入されると、少なくとも1つの物体(41,50,51,65,66)への接合要素(1,20,30,52,67,75,80)のさらなる貫入の際に、前進動きが有向の力(F)により維持されるような態様で、機械的励振が発生され、溶融は機械的励振により維持され、そのため溶融した材料が周囲へ液圧的変移可能となることを特徴とする、方法。

請求項2

物体(41,50,51,65,66)の1つへの接合要素(1,20,30,52,67,75,80)の貫入の予め定められた深さが達成された後、および/または有向の力(F)の予め定められた荷重レベルに達した後、機械的励振が与えられることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

請求項3

機械的励振は、超音波により生じることを特徴とする、請求項2に記載の方法。

請求項4

機械的励振は、回転により生じることを特徴とする、請求項2に記載の方法。

請求項5

貫入を支援する、2次的動きが、物体(41,50,51,65,66)の1つへの接合要素(1,20,30,52,67,75,80)の貫入に重ねられることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

請求項6

2次的動きは回転を表わす、請求項5に記載の方法。

請求項7

少なくとも2つの物体(41,50,51,65,66)は接合要素(1,20,30,52,67,75,80)によって接合されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

請求項8

接合されるべき物体(41,50,51,65,66)の共通表面(59,60)の間には、可溶材料から作られたさらなる層が存在し、その結果として、機械的励振が物体(41,50,51,65,66)の間の機械的ジョイントを溶融し支援し、または封止することを特徴とする、請求項7に記載の方法。

請求項9

物体(41,50,51,65,66)の1つは、接合要素(52)を受入れるためのボア(53)を含むことを特徴とする、請求項7に記載の方法。

請求項10

接合されるべき物体(41,50,51,65,66)の少なくとも1つは、多孔質材料からなることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

請求項11

接合要素(1,20,30,52,67,75,80)は熱可塑性プラスチック材料からなることを特徴とする、請求項1に記載の方法に利用される接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項12

接合要素(1,20,30,52,67,75,80)は射出成形によって製造されることを特徴とする、請求項11に記載の接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項13

熱可塑性プラスチック材料は、内部の機械的減衰を低減する添加剤を含むことを特徴とする、請求項11に記載の接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項14

熱可塑性プラスチック材料は、機械的強度を増大させる添加剤を含むことを特徴とする、請求項11に記載の接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項15

添加剤は、石灰粉炭素繊維ガラス繊維アラミド繊維木粉もしくはセラミック材料、またはこれらの材料の混合物からなることを特徴とする、請求項13および/または14に記載の接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項16

接合要素(1,20,30,52,67,75,80)は、エネルギのための方向を与える要素(70)を含むことを特徴とする、請求項11または15に記載の接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項17

接合要素(1,20,30,52,67,75,80)はヒンジ構成部品であることを特徴とする、請求項11から16のいずれかに記載の接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項18

接合要素(1,20,30,52,67,75,80)は固定要素またはヒンジを受入れる役割をすることを特徴とする、請求項11から16のいずれかに記載の接合要素(1,20,30,52,67,75,80)。

請求項19

接合要素(1,20,30,52,67,75,80)の溶融した材料は、物体(41,50,51,65,66)の構造内で硬化されることを特徴とする、請求項11から18のいずれかに記載の1つまたはいくつかの接合要素で請求項1から10のいずれかに記載の方法に従って製造されるジョイント

0001

ここに提示されるこの発明は、接合要素でいくつかの物体を一体的に接合するための方法に関する。

0002

産業製造業において部品経済的な接合は、直面される主要な問題の1つである。特に、木、プレスボード板、多孔性石または他の材料などの多孔質材料は、加工が困難である。機械的固定要素に基づく従来の方法とは別に、他の技術も公知である。これらについて例示的にここに述べられるのは、貼合わせである。

0003

ある種の材料の溶融に基づく熱プロセスは、益々普及してきている。これらの場合には、接合されるべき表面は、たとえば摩擦下で押合わされ、そのため、接合されるべき部品の基材のいずれか一方またはさらなる材料が、摩擦熱のために溶融し、その結果部品がしっかりと互いに接合される。現在公知である工程はさまざまな不利益を有する。摩擦または確実ロッキング係合に主に基づくねじまたはなどの機械的ジョイントは、部分的に非常に手間のかかる処理であり、それらは高い切欠効果にあてられ、それらはやがて簡単に裂けるかさもなければ緩んでしまう。ここに特に述べられるのは、プレスボード板または同様の材料から作られた家具固定点の裂けまたは緩みの問題である。これは、高い応力集中および望ましくない荷重集中に起因するものと考えられなければならない。

0004

長い間知られている釘付けは、大きな利点を有する:釘は簡単に短い時間でさらなる準備を必要とすることなしに加工が可能である。しかしながら、その不利益は、ジョイントが、摩擦係合にのみ基づき、したがって比較的小さい荷重のみを受けることができるものであるという事実からなる。さらに、基材の変位に基づくこれらのジョイントはしばしば、接合されるべき部品の亀裂に繋がる。

0005

たとえば、貼合わせによって生じるものなどの、係合状態での材料の一体接合は、接合されるべき部品に亀裂が入ったり裂けたりしにくい。しかしながら、それらは他の不利益を特徴とする。これらは、たとえば、部品を接合するときに必要である止めておく時間が長いことや、接合されるべき部品への接着剤の低い浸透深さや、または、接着剤の量を制御することが困難である(流出する)ということにある。

0006

経済的な加工については、材料の溶融に基づく熱プロセスは、正しい方向に向かおうとしているが、それらは、2つのグループに大まかに分けることができる。第1のグループは、たとえば、一方が熱可塑性プラスチック材料からなる2つの部品の表面が互いに対して押し付けられ、互いに(対して)平行に動かされ、それにより摩擦熱が生じるという方法にある。これによって溶融されたプラスチック材料は、冷却の後、2つの部品間の材料係合での一体的ジョイントを形成する。しかしながら、この材料係合は、部品の表面に限られている。溶融した材料の浸透深さおよび付与力は常に低く、その結果これらのジョイントは非常に限られた荷重のみを受けることができる。対応する出願は、たとえば、GB2 061 183から公知である。

0007

熱プロセスの第2のグループは、たとえば、典型的には可溶プラスチック材料からなるだぼまたは同様の要素が、前もって製造されたボアに挿入され、その後機械的励振および圧力によって溶融されるという方法に基づく。対応の方法は、たとえば、PCT/EP95/02527から公知である。ここで重要なことは、だぼをボアに挿入し、溶融によって、予め定められた点で(ボアの端およびだぼに沿ったある範囲)の側壁と接合することができる前に、接合されただぼを受入れる部品が予め穴ぐりされるか予め除去されなければならないということである。このために必要な熱エネルギは、放射によって、または超音波励振によって発生する摩擦によって生成される。必要な(正確な)予めの穴ぐりのために、これは、いくつかの作業工程を必要とするプロセスである。

0008

ここに論じられるこの発明の目的は、物体間のジョイントが経済的に製造可能である方法を示すことであり、有害な応力集中が回避され、荷重の最適な導入が極めて多孔質の材料においてさえも達成される。この目的は、クレームに規定されるこの発明によって達成される。

0009

ここに開示されるこの発明は、多孔質材料を接合するための、または、多孔質および他の材料中の荷重導入点の固定のための方法に基づく。この方法によってできるジョイントは、材料および確実ロッキング係合の両方に基づく。好ましくは、この際に、可溶プラスチック材料からなる接合要素は、それらが表面を突破しその下にある物体の範囲に貫入するような態様で、表面の上に押付けられる。規定された荷重レベルに達した後、および/またはある貫入深さに達した後、外部荷重が維持されながら、接合要素は、好ましくは超音波によって機械的に励振され、それにより、それらは制御された条件下で部分的に溶融する。言うまでもなく、機械的励振は、たとえば、回転によっても達成可能である。溶融は、一般に、表面を通って基材への接合要素の貫入によりできたキャビティ内で起きる。液圧シリンダピストンと同様に、接合要素の溶融していない部分は、開口にあり、封止の態様でそれを充填する。接合要素の溶融した材料は、もはやキャビティから逃れることができないので、外部荷重に基づいて高い液圧が生成される。この圧力および超音波振動の結果として、溶けた材料が基材の既存のおよび/または新しく形成されたキャビティに押入される。そうする際に、貫入深さは、基材の性質、熱、周波数振幅、駆動速度(前進速度)、外部から接合要素に働く力、ジオメトリ、および、接合要素の材料に依存する。接合要素の可溶量により、基材に押入される材料の量は決定可能である。大量の材料が必要とされる場合、または、基材に存在するキャビティのサイズおよび数が知られていない場合、連続的かつ継続的に送り込まれる接合要素を利用することが可能である。

0010

接合要素の機械的押入の結果、さらに、基材の材料圧縮が生じるということが達成されるが、これは強度に対して有利な効果を有する。通常の状況下では、変位され圧縮された材料によって生じる応力ピークは、材料の亀裂に繋がるであろう。しかしながら、超音波および外部機械的圧力の、専用の目的にかなった付加により、および、この発明に従う接合要素の設計により、生じた応力が衰え接合されるべき要素の破壊が起こらないということが達成される。それにもかかわらず発生したキャビティおよび亀裂は、直ちに溶けた材料によって充填される。この理由のために、ここに開示されるこの発明は、始めて、徹底的な効果とともに予めの穴ぐりなしで、材料、特に木、プレスボード板または多孔性コンクリートおよびそれらの組合せなどの多孔質材料に、単一の作業工程で固定要素を固定することを可能とする。隣接した範囲内の領域の制御された材料圧縮により、接合要素が非常に多孔質な材料にさえも非常に強い保持を達成することが達成される。その結果、非常に高い機械的引裂け力が得られる。材料の表面下での高い圧力下で接合要素の溶融材料による、圧縮された固定範囲のおよび隣接した範囲のさらなる空間的浸透により、固定の圧縮材料がさらに強化される。したがって、導入される荷重の最適な分配および有害な応力ピークの劣化が確実にされる。ゆえに、たとえば、予めの穴ぐりなしで単一の作業工程で、メラミン層を備えたプレスボードにおいてさえも、荷重導入点のための耐久性のある耐荷重固定点を実現することが初めて可能である。熱および圧力により、木は可塑的に変形され、内部応力が強く低減されるかまたは均等に分配される。

0011

先行技術とは対照的に、ここに開示されるこの発明の接合要素は、接合されるべき要素の表面範囲においてのみならず、好ましくはそれらの内部に作用する。工程の経済的観点から特に有効な効果を有するものであるが、接合されるべきすべての部品の予めの穴ぐりが不必要であるという点で、さらに、接合されるべき部品の予めの穴ぐりを必要とする先行技術から公知の方法とは対照的に、固定点がより高い荷重を受けることができる、ということが達成される。これとは別に、加工行程中のごみの生成が完全にまたは大幅に回避される。基材において生成される応力ピークの意図的な低減の結果、非常に薄い要素においてさえも、予め穴ぐりすることなしに非常に厚い接合要素を固定することが可能である。実験が示すところでは、たとえば、予め穴ぐりすることなく、約8mmの厚さを有するこの発明に従う接合要素は、約20mmの厚さのプレスボード板の端縁表面に固定されることができる。したがって、多孔質材料における荷重導入の固定または接合点が劇的に合理化される。部品の予めの穴ぐりがもはや必要とされないので、または、たとえば、接合要素が溶融の前の予めの穴ぐり操作に役立つという点で、必要とされても同じ工程に統合されるので、第1に時間が節約され、第2に高価な機械をなくすことができ、第3に、予めの穴ぐりの正確さに関して他の態様では高い要求が低減される。この理由のために、ここに示されるこの方法では、部品は、たとえば、釘付けによってのように同様に単純な態様で接合可能である。接合されるべき部品が互いの上部に置かれた後、単一の作業工程でそれらはしっかりと、材料によって、およびポジティブインターロッキング一体的ジョイントによって接合される。釘付けとは対照的に、このジョイントはとりわけ、接合されるべき部品への力の最適な導入を保証する。

0012

この発明に従う工程は、必要であれば接合されるべき部品の1つが予め穴ぐりされることを除外するものでない。その結果としてこれによって達成されることは、これが接合要素のための案内効果を果たすということである。正確に一致しなければならない2つのボアの精度について高い要求がもはや必要とされなくなるので、予め穴ぐりされていない部品と予め穴ぐりされた部品の接合は、先行技術に従う方法に比べてかなりの合理化を示す。

0013

超音波(または等価の手段)を用いる接合要素の有利な励振の結果、特に接合の主な方向に平行な高いせん断効果が、擦り合わされた表面間で達成される。この結果、一般に熱可塑性プラスチック材料を含む、溶融されるべき材料が液体となり、これにより、接合されるべき部品への深い貫入が確実とされる。これは、たとえば、回転による摩擦に基づき(摩擦溶接)、したがって比較的低いせん断効果のみを有する先行技術から公知の方法と比べて、大きな利点を示す。さらに、摩擦溶接中、溶接方向に垂直な運動が生じ、これは固定深さに対して否定的な効果を有すると知られている。

0014

有利には、熱可塑性プラスチック材料からなる接合要素が利用される。熱可塑性プラスチック材料は非常に高い機械的減衰効果を有するが、これは不可逆エネルギ吸収に繋がる。プラスチック材料の不良な熱伝導性のために、このエネルギ吸収は、非常に高い周波数(たとえば超音波)で励振される構成要素の場合特に、これらは制御されない態様で溶融するので、顕著となる。機械的減衰を特定的に制御する材料の混合により、初めて、接合要素の制御されない溶融を回避することが可能である。これに依存して、接合要素のより高い機械的荷重支持能力が加工中に得られる。特に、被覆層の機械的突破の際、増大された堅固性を達成することができるが、これは接合要素のその後の機械的負荷支持能力に対して2次的効果をも有する。特に有利であるのは、等方性を有する石灰粉もしくは木粉などの材料、または異方性を有する強化繊維などの材料である。さらなる材料成分の量により、接合要素の特性を具体的に調節することができる。接合要素は、部分的にまたは範囲内でより高い濃度のさらなる材料成分を有してもよい。これにより、溶融範囲をさらに制御することができる。

0015

接合要素の振動特性は、周波数、ジオメトリ、質量分布によって、および材料の組成によって制御可能である。接合要素の特に大きな変位を達成するために、超音波の周波数は、接合要素がそれらの共振、または固有振動数振動するような態様で選択される。振動特性、および特に共振特性は、ジオメトリによってさらに最適化され支援される。たとえば、好適な点での質量集中または密度のばらつきにより、接合要素は、ばね/1つまたはいくつかのばねおよび質量を備える質量振り子と同様の態様で挙動する。接合要素の材料の意図的な異方性により、音の伝達が方向に依存するようになることが達成される。このような態様で得られた音響ブリッジは、音響エネルギがある場所に導かれ、必要であれば集中されることを可能にする。たとえば、可能な音響ブリッジは、繊維によって形成可能である。材料組成局所的変化により、とりわけ材料の部分的エネルギ吸収の尺度を表わす機械的減衰に影響を与えることができる。この結果として達成されるのは、接合要素が別個の予め定められた点のみを加熱することである。この配置はさらなる大きな利点を有する:先行技術とは対照的に、接合要素が、擦り合わされた2つの表面の摩擦熱によってではなく、内部加熱によって加熱されることを達成することが可能である。上述した特性を備える接合要素は、たとえば、熱可塑性基質を備える繊維の押出成形により、または多成分射出成形により製造可能である。特に、先行技術から公知であるように、対応の接合要素に指向性エネルギ伝達を与えることが可能である。

0016

超音波周波数およびジオメトリにより、とりわけ、接合要素の振動の形が能動的に規定可能であり、溶融特性に影響を与える。必要であれば、この理由のために、接合要素が溶融する溶融範囲が、基材の表面の下の最適な位置にあるような態様で、接合要素の貫入深さを制御することが理に適う。最適な周波数は、たとえば、接合要素の振動長さを連続的に決定するセンサにより決定される。超音波振動の生成のために、市場入手可能な超音波溶接機器を利用することができる。周波数の能動的な制御のために、この器具は変形されなければならない。

0017

図面に基づき、この発明を詳細に以下に説明する。言うまでもなく、その際には、この発明の概念は例示される実施例に限られるものでない。

0018

図1は、この発明に従う方法の主な工程を断面図で概略的に示す。長手のだぼ1の形をここでは有する接合要素が、深い貫入作用で、木、プレスボード板または多孔性コンクリートなどの多孔質基材10に固定される。有利には、金属からなり、開口3を備え、だぼ1の一時的保持に好適であるホルダ2が認められる。開口3は、だぼ1がその中に保持されある程度までそれによって案内され、加工中にそれが落ちないような態様で設計される(言うまでもなく、だぼ1は外部手段によっても保持可能である)。有利には、特に、だぼ1とホルダ2との間の開口および結合は、だぼ1が制御されずに溶け始めないような態様で設計される。超音波発生器(詳細には図示されない)および加圧装置(詳細には示されない)がホルダ2と活性的に接続される。加圧装置は、ホルダ2を通ってだぼ1に力Fを与える役割を果たす。

0019

第1のステップでは、図1a)に示されるように、ここでは、点5形状のだぼ1の一方の端が表面4の上にくるように、だぼ1とともにホルダ2が基材10の表面4の上に置かれる。その上に、加圧装置(詳細には示されない)によって力Fがかけられる。この結果として、だぼ1の点5が基材10の表面4を突破し、基材10に貫入する。この結果として基材10はこの範囲において圧縮される。だぼ1の点5が貫入のある深さに達した後(図1b参照)かつ/または力Fがある大きさに達した後、ホルダ2と活性的に接続される超音波発生器(詳細には示されない)によってだぼ1は、ここではz軸の方向に振動させられる。この工程は、矢印12によって示される。その際に、周波数は、だぼ1のジオメトリ、特にその長さ、材料組成および質量分布に合わせられる。これによって達成されるのは、ここでは表面4の下の予め規定された範囲13の領域において、だぼ1が溶融するという結果である。図1b)によって明らかとなるように、だぼ1は、栓のような態様で、液圧シリンダのピストンと同様の態様でシールがこの開口を充填するように、開口11に位置する。だぼ1の溶融材料は逃れることができず、だぼ1に作用する力Fのために高い圧力下にある。これは、だぼ1の溶融材料が基材10に圧入され、そのため、存在するいかなるキャビティもが充填されるという効果を有する(図1c参照)。超音波振動および生じた溶解熱は、支援効果を有する。

0020

ここに例示されるこの実施例は、範囲13でのだぼ1の連続的な溶融に関する。開口11を通って範囲13に入るだぼ1の連続的な送り込みと力Fとによって、表面の下の圧力が維持されるということが達成される。溶融範囲13は、振動周波数および他のプロセスパラメータにより影響を受ける。だぼ1の長さLは、とりわけそれが振動特性と関連付けられるので、ここではある役割を果たす。範囲13の溶融と、開口11へのだぼ1の連続した送り込みとに基づいて、だぼ1の長さLは変わる。この理由のために、必要であれば、他のプロセスパラメータが、たとえば長さLなどの変化値に応じて監視され、必要であれば工程中に変更される。したがって、長さLはセンサ(詳細には示されない)で測定され、超音波周波数のための制御パラメータとして利用される。これにより、だぼ1の最適な溶融が達成される。

0021

図2は、接合要素20の6つの異なった実施例を例示の態様で示す。個々の実施例は、異なった用途および材料に対して好適である。言うまでもなく、設計はここに示される形と異なってもよい。異なった材料および応用の分野を考慮するために、さまざまな接合要素が意図的に適合される。加工中に一般にここに表わされる接合要素は、ホルダ(詳細には示されない)に一方の端21のところで保持され制御される。最適な材料組成は、用途によって異なり、したがって適合させられる。機械的減衰に影響を与えるために、接合要素20は、たとえば石灰粉または強化繊維などのさらなる材料を含む。より高い荷重またはより細長い接合要素が実現可能であるように、これらは部分的に、加工中に有効な効果をさらに有する。端22の設計は、接合要素20の特性にとって重要であり、それはまた、基材中のその後の材料分布を決定する。したがって、これらの設計は特に、基材に合わせられる。端22のより平らな設計(図2aおよび図2d参照)は、それらの前方の材料を押し、接合要素20の前方に強力に圧縮された範囲をさらにより形成しやすい。これは、この側では、溶けた材料の横方向の分布を支持する。鋭いエッジ23および点24は、基材10の被覆層4の貫入中(図1参照)、接合要素20の切削効果を増強する。これとは別に、これは、接合要素20の溶融特性にも影響を与える。たとえば超音波による機械的励振の場合には、ここでは接合要素20の縦軸に平行に延びるリブ25の形である、エネルギのための方向を与える要素が、局所的溶融を促進する集中を導く。局所的材料集中により、たとえば拡大部26により、接合要素20の振動特性に影響を与える。この意味で、接合要素20内に質量集中を実現することも可能である。

0022

図3は、円柱部31と、この中心に位置する尖頭要素32とを含む接合要素30のさらなる実施例を示す。この要素は、リブ33を備えており、表面に貫入する役割を果たす(図4参照)。円状に配置された要素34は、表面に押し入る役割も果たす(図4参照)。要素34は、ある種の切削効果を有するエッジ35を有する。接合要素は、たとえば、ヒンジ構成部品であったり、またはたとえば、ヒンジ(詳細には示されない)を固定するのに役立ち、または家具の場合には別の荷重導入点のもの、またはプレスボード要素もしくは同様の材料からなる他の物体のもの、または、それはそれ自体さらなる機能を含むものであってもよい。それはまた、特に、たとえばねじなどのさらなる要素の受入れに役立ってもよい。木、多孔性コンクリートまたはコンクリートもしくはプラスチック材料などの同様の材料などの多孔質材料における固定が特に有利である。これに関し、接合されるべき表面の予めの穴ぐりは必要でない。接合要素30は、熱可塑性プラスチック材料からなる。これには、さらなる充填材料が備わっており、これは内部の機械的減衰に影響を与える。これにより、溶融特性は制御され影響される。接合要素は、有利には射出成形によって製造される。いくつかの成分の処理により、接合されるべき基材に合った、接合要素30の品質が得られる。困難な材料の加工を可能にするために、要素32および34は、それらの切削効果が2次的動きによって増大されるような態様で設計されてもよい。それらは、たとえば、回転によって基材が支持された状態で破開されるように設計可能である。そうする際に、接合要素30は、有利には、それが2次的動きの結果として溶融しないような態様で設計される。

0023

図4は、図3に従う接合要素30の加工を3ステップで断面図で概略的に示す。言うまでもなく、ここでは原理のみが示される。もちろん、接合要素30は異なったジオメトリを有してもよく、または、たとえば、ブレースもしくは小さい装飾物、他の固定要素もしくはヒンジなどの他の要素と接続されてもよい。第1のステップで、接合要素30(図4a参照)は、基材41の表面40の上に置かれる。ここでは基材は、その端縁範囲42にその芯範囲よりも高い密度を有する多孔質材料を含む(言うまでもなく、一定の厚さを有する、そのような材料が加工されてもよい)。被覆層44は、基材の外部仕上げを形成する。表面40の上に位置決めされる接合要素30は、要素32および34が表面を突破し基材41にある深さまで貫入するような態様で、力Fで表面30に押しつけられる(図4b参照)。ここでの貫入の深さは、とりわけ、基材41と、要素32および34の設計と、力Fとに依存する。たとえば、回転の形の2次的動きが、接合要素30の貫入を支援してもよい。ある深さの貫入に達した後、接合要素30は、矢印12によってより明らかとなるように、超音波によって機械的に励振される。そうする際に、機械的励振は、有利には、表面40に垂直に行なわれる。摩擦および/または内部機械的減衰の結果として、接合要素30の加熱が起きる。この結果として、要素32および34は、制御された態様で表面40の下で溶融する。力Fの結果として、接合要素30はより深くに沈み、そのため材料は連続的に溶かされ、高い圧力下で基材41に押入される。この際に接合要素30の溶融した材料は、存在するいかなるキャビティをも充填し、それにより、基材42はさらに強化される。超音波振動、熱および圧力により、基材42は圧縮され強化される:さらに、接合要素30がより簡単に貫入するということが達成される。基材41への接合要素30の固定は、図4c)に概略的に示される。

0024

図5は、長手の接合要素52による、たとえば木からなる2つの物体50、51の接合を概略的に示す。物体51はここでは、ボア53を備えるが、これは必ずしも必要なわけではない。2つの物体50および51は、第1のステップでは、矢印54によって明らかとなるように、他方の上に一方が置かれており(図5a参照)、それらの最終位置に固定される。その上に接合要素52がボア53に挿入される(図5b参照)。加圧装置(詳細には示されない)と活性的に接続される加圧ヘッド55と超音波発生器(詳細には示されない)とにより、力Fが接合要素52にかけられ、そのため、それは物体50の表面に押入される。力Fおよび/または貫入の深さがある予め定められた値に達した後、接合要素52は、超音波発生器(詳細には示されない)によって機械的に励振される(矢印12によって示される)。この結果として、接合要素52は、制御下で溶け出し、物体50に浸透し始める(図5c参照)。この際に、物体50の材料は意図的に圧縮され、存在するキャビティには、接合要素52の材料が点在する。リブ56または接合要素52に同様の効果を与える他の要素による結果として、接合要素52が物体50への貫入のある深さに達した後、接合が物体51と接合要素52との間で生じる。接合要素52が所望の深さに達した後、堅固な接続が2つの物体50と51との間に得られる。両方の物体の予めの穴ぐりが必要とされないので、接合は、最も経済的な態様で単一の作業工程で行なうことができる。必要であれば、接合要素52にはその表面にさらなる要素が設けられてもよい。これらの結果として、接合要素52の2次的な動きにより(たとえば、縦軸を中心とする回転)、力F下で、ある種の切りくず形成を斟酌するより容易な貫入が起きる。しかしながら、この2次的動きは、接合要素52の制御されない溶融をもたらすものでない。2つの物体50と51との接合を支援するために、または、ある種の封止効果を達成するために表面59および60に可溶材料の層を設けることが有利である。しかしながら、この層はさらに適所に置かれてもよい。接合要素52を介してまたは直接に与えられる超音波振動により、この層が、摩擦および/または内部機械的減衰のために溶けるということが達成される。この結果として、物体50と51とのジョイントはさらに支援され、接合要素52によって封止される。ここに示されるこの方法は、たとえば、窓枠または同様の要素を接合するために特に好適である。これに関し、最大の機械的荷重支持能力が獲得されるような態様で、いかなる正確な予めの穴ぐりをもすることなく極めて細く長い物体を接合することが初めて可能となる。

0025

図6図6a)は、第1の物体65と、第2の物体66と、接合要素67とを示す。第1の物体65はここでは、木からなる梁であり、第2の物体66は、たとえば、多孔性コンクリートなどのレンガ積みである。接合要素67は、熱可塑性材料を含み、必要であれば、熱可塑性材料の内部機械的減衰を調整する添加剤を含む。図6b)は、加工行程中の接合要素67と物体65および66とを断面図で表わす。断片である、ここに示す条件においては、接合要素67は第1の物体65を突破して、第2の物体66に貫入している。力Fが接合要素67に作用している。同時に、接合要素67は、矢印12によって示すようにその縦軸の方向に超音波により機械的に励振される。その結果、この要素は、範囲68の領域で第2の物体66の内部で制御された態様で溶融する。接合要素67に対する支援案内効果を達成するために、第1の物体65を予め穴ぐりすることが可能である。接合要素67の芯範囲69は初め、溶融工程中固体のままであり、その結果として、とりわけ、範囲71内の第2の物体66の基材が、有害な応力が生ずることなしに制御下で圧縮される。力Fにより、接合要素67は連続的に送り込まれ、そのため、範囲68において溶融している接合要素67の材料は、矢印Pで示す液圧下にあり、第2の物体66の内部に押入される。この結果として、超音波による機械的励振により、第2の物体66の基材中の有害な応力が意図的に低減される。接合要素67はここでは、エネルギのための方向を与えるある種の要素70を含み(図6a参照)、この結果として、ある深さの貫入に達した後、接合要素67は、第1の物体65の範囲において部分的に溶融し、材料係合によりこれと接合される。これは、矢印72によって概略的により明らかとなる。溶融した材料の冷却の後、接合要素67は、材料係合および確実形状ばめにより物体65および66と接合され、その結果非常に高い荷重支持能力を備える機械的ジョイントが得られる。周囲の影響に対して第1の物体65と第2の物体66との間の接触表面を密閉するために、接触表面には、熱で溶けるワニスまたは、超音波による機械的励振中に溶ける別のコーティングが設けられ得る。これによって達成されるのは、接触表面にさらに封止ジョイントが設けられるという結果である。図6c)は、物体65および66を接合するのに好適である接合要素75のさらなる実施例を示す。接合要素67(図6a参照)とは対照的に、接合要素75は、ドリルとある種の類似性を有する。一方の端76に、接合要素75は、2次的動きを物体65および66の少なくとも1つに重ねることにより部分的な貫入を支援する設計を有する。この2次的動きは、たとえば、縦軸を中心とする回転によって実現されてもよいが、これは、接合要素75の制御されない溶融を招くものではない。部品の1つへのある深さの貫入を達成した後、接合要素75は、接合要素67と同じ態様で扱われる(図6aおよび図6b参照)。

0026

図7は、この発明に従う方法の最適な制御のための可能性を概略的に例示し、この場合には、接合要素80が物体82の表面81に貫入している。加工行程に関連する測定値は、とりわけ、接合要素80の自由長さL′と、溶融した材料の温度Tおよび周囲温度とである。これらは、力Fの大きさと、矢印12によって示される超音波振動のエネルギ(周波数、振幅)と、接合要素80が表面81に貫入する前進速度とによって決定的に決定される。接合要素80の最適な加工を確実とするために、これらの値は、工程中監視され、必要とされる調節可能な変数確立に利用される。温度T、好ましくは間接的に、および自由長さL′の決定は、矢印83.1および83.2によって概略的に示される。調節可能な変数は、好適なプロセスコンピュータ84で確立され、力F(矢印85.1)、接合要素80の前進速度(詳細には示されない)、超音波周波数および振幅(矢印85.2)を制御するために利用される。この結果として達成されるのは、接合要素80と物体82との間の、最適で有効な完全な接合である。

0027

図8は、斜視断面図に基づくこの発明の液圧操作モードを、概略的に簡素化して示す。表面4を通って物体6に貫入している接合要素1が認められる。物体6の内部には、細い通路または毛管8と連結され、接合要素1によって閉じられているキャビティ7がある。通路8およびキャビティ7は、溶融した材料14で充填される。超音波発生器(詳細には示されない)からの縦波は、確実係合または確実な嵌め合いで接合要素1に結合される。応力分布の強い不均等性により、ジョイントが獲得されるべき範囲での最大の応力集中で、熱は機械的エネルギの変形により生成される。熱は、典型的には損失、たとえば機械的ヒステリシスヒステリシス損)または摩擦により発生される。不均質または多孔性の表面への接合要素1の衝突により、接合要素1の微細な範囲で、高い内部剪断効果が発生する(図9参照)。この剪断効果は、温度増大と関連づけられて、接合要素1の材料が溶融するという効果をもたらし、溶けた材料の粘性の非常に強い低減が生じる。この発明に従う超音波の付与により、非常に特定的で最適な範囲内で、液圧下で微細な孔、亀裂および毛管空隙入り込む粘性の低い溶融材料を生じさせることが可能である(矢印9)。溶融材料は、典型的には、異方性であり、そのため方向依存特性を有する。特に、超音波の付与中、溶融材料の粘性は、これは先行技術から公知の他の方法とは対照的であるのだが、数十パーセント分低減可能である。接合要素1をキャビティ7に押入することにより達成される、この強い液化は、液圧とともに、溶融材料が接合材料の微細な範囲の多孔質構造に浸透するという結果を生じる。この際に、接合要素1の溶融材料は、本質的に基材10の配向に従い、これを強化し補強する。その結果、基材10から接合要素1への流体遷移での複合状の合成物が生成され、キャビティ7および固体の均質な芯のまわりの範囲で意図的に強化される。対応する合成物は、機械的強度性に関して特に、先行技術から公知の従来の接合方法よりもはるかに優れている。図8の一部が、拡大図で図9に表わされる。

0028

図9は、図8からのモデル図の一部18を拡大図で示す。基材に延びる通路8、キャビティ7および接合要素1が認められる。溶融材料14は、キャビティ7および通路8を充填し、矢印15によって示される液圧下にある。超音波による接合要素1の機械的励振により、溶融範囲13が形成され、ここで、高剪断効果の結果として材料が加熱され溶融される。機械的励振およびそれによって生じる剪断効果のために、接合要素1の動きは、矢印12によって概略的に示される。接合要素1をキャビティ7に圧入することから得られる高液圧により、溶融材料は、とりわけ、キャビティ8に変移される。溶融材料と、変移された材料と、外部から連続的に送り込まれる材料との間に、平衡が確立され、そのため連続的工程が自動的に得られる。

0029

図10は、3つの曲線46、47、48に基づき、たとえば接合要素1に利用されるものなどの熱可塑性プラスチック材料の剪断効果(x軸)と粘性(y軸)との間の典型的な関係を示す。3つの曲線46、47、48は、異なった温度での特性を表わす。曲線46は、より低い温度での特性を示し、曲線47はより高い温度であり、曲線48は最も高い温度である。剪断効果(x軸)および温度が増大すると、粘性(y軸)は減少する。言い換えれば、プラスチック材料は、温度がより高くなり剪断効果がより大きくなるとより流動的となる。ここに論じられるこの発明の場合、これは、周波数および振幅により超音波による機械的励振を増大させることにより、溶融材料の特性と関係するように影響を与えるということを意味する。概して、外部熱エネルギ源が利用されないので、キャビティ7(図8および図9参照)内の温度は、機械的パラメータおよび周囲の熱伝導性の結果として生じる。周囲および接合要素の材料が最適な特性を左右し、接合要素1の制御されない溶融が生じないような態様で、工程が調節される。

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