DE4314582A1 - Baustein-System mit selbstkomplementärem Kupplungs-Profil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Bekannte Systeme, die sich mit stereometrischen Bausteinen auseinandersetzen und ohne separate Kupplung definiert sind, sind i. d. R. multistrukturell (etwa die "Noppen-Loch-Verbindungen") und sie gestatten z. B. aus Gründen einschränkender Universalität nur vertikale Abgänge (bei horizontalen <16< und gleichzeitig zyklischen Abgängen können Kupplungsprobleme entstehen).

Die Ambivalenz dieser (in bezug auf die Oberflächen-Struktur) asymmetrischen Bauelemente besteht darin, daß gerade die profillosen Oberflächen-Bereiche ästhetische Vorteile, die profilbehafteten jedoch ästhetische Nachteile ergeben.

Problem

Gesucht sind stereometrische Bausteine ohne separate Kupplung mit

1 monostrukturellem und (möglichst) umschließendem Kupplungs-Profil
2 invarianter Kongruenz des Profils gegenüber 90°-Drehungen
3 waagerechten Abgängen mit u. U. zyklischen Verkettungen
4 Fingerdruck-Kupplung
5 Zentrierung der Kupplungsführung
6 Rast-Haftung
7 geringem Material-Aufwand
8 ästhetischen Oberflächen

Folgende Forderungen sind von einigen o. g. Merkmalen abhängig:

Durch die Forderung 1 entsteht das Problem
9 des dichten Anfügens von orthogonalen Bauelementen an konkav- orthogonale Flächen und des dichten Einfügens von orthogonalen Bauelementen in gleich große konkav-orthogonale Zwischenräume.

Durch die Forderungen 1 und 3 entsteht das Problem
10 der orthogonalen Einsenkung der lokalen Tiefenprofile in das globale Oberflächen-Profil der Gegenbausteine in den potentiellen Abgängen.

Lösung

Das hier dargestellte Baustein-System geht von einem "selbstkomplementären" Oberflächen-Profil aus, das die o. g. Eigenschaften 1-7 erfüllt. Die Forderung 8 (ästhetische Oberflächen) wird hier per definitionem als möglichst gute Annäherung an "glatte" Oberflächen verstanden.

Der Begriff "selbstkomplementäres Profil" wird operational definiert: Ein Profil heißt "selbstkomplementär", wenn jedes Duplikat eine Ergänzung des Originals ist im Sinne eines

(a) dicht anliegenden und
(b) haftenden

Gegenstückes.

(ODER: . . ., wenn jedes Original eine (theoretische) Ergänzung seiner selbst ist, mit den Eigenschaften (a) und (b).)

In der Praxis würden derartige Profile durch korrespondierende Rastelemente formschlüssig ineinander haften. Als solche Rastelemente werden Dreiecks-Prismen <02< und Dreiecks-Hohlprismen <03< gewählt, die lückenlos und haftend ineinander gefügt werden können. Diese Eigenschaft der Rastelemente kann dabei nicht nur lokal, sondern auch global erfüllt werden: Jeweils zwei (Randbereich <01<) bzw. drei konvexe Prismen <02< definieren ein komplementäres Hohlprisma <03<. In der euklidischen Ebene läßt sich diese elementare Struktur iterativ fortsetzen.

Die Forderungen nach globaler Selbstkomplementarität, Kongruenz und Drehungsinvarianz implizieren in gewisser Weise eine rotationssymmetrische Anordnung der Profil-Elemente auf den Baustein-Oberflächen, derart, daß jeweils vier Prismen <02< zusammen mit vier komplementären Hohlprismen <03< ein quadratisches Prisma definieren.

zu 1:
Das Profil der Bauelemente kann nach dem Vorangegangenen monostrukturell ausgelegt werden, da es stets sein eigenes Komplement ist. Das heißt, es sind keine weiteren Strukturen bzgl. der Haftfähigkeit der Bauelemente erforderlich als die oben angegebene.
Das Profil kann die Bauelemente des weiteren "umschließen" in dem Sinne, daß mindestens alle ebenen Teil-Oberflächen sämtlich diese Struktur tragen können und dort gegenseitig kantendeckend und drehungsinvariant haftfähig sind.

zu 2:
Die geforderte invariante Kongruenz des Profils gegenüber 90°-Drehungen ist gegeben, weil es sich als monostrukturelles Profil bzgl. der Selbstkomplementarität bereits invariant gegenüber 90°-Drehungen ist.

zu 3:
Aus Gründen der größtmöglichen Umschließung sind horizontale Abgänge <16< und wegen der Selbstkomplementarität sogar zyklische Verkettungen zumindest bei prismatischen Körpern uneingeschränkt möglich.

zu 4:
Profildichte und -tiefe werden so ausgelegt, daß eine angemessene manuelle Kraft zur Haftung und Trennung der Bausteine ausreicht.

zu 5:
Die Kupplungsführung wird durch erhabene Pyramiden-Stümpfe <14< auf den Profilelementen <2< horizontal gequantet und vertikal zentriert.

zu 6:
Eine feine S-Struktur <09< der Profilseiten sorgt für eine gerade noch wahrnehmbare Einrastung (Clippen) beim Zusammenstecken.

zu 7:
Um einen gleichmäßigen Kupplungsdruck auf die planimetrischen Oberflächen der Bausteine zu erhalten, sollten diese massiv ausgelegt werden. Sofern fertigungstechnisch möglich (etwa bei Verwendung von Polyamid-Verbindungen (PA)), würden Hohlräume <06< im Kernbereich der Bausteine, die den gleichmäßigen Kupplungsdruck nicht beeinträchtigen, den Material-Aufwand reduzieren.

zu 9:
Die gleichzeitige Verkupplung von orthogonalen Bauelementen an zwei konkav-orthogonale Profil-Flächen kann durch geringe Profil-Tiefe bei gleichzeitiger Verwendung von elastischem Material ermöglicht werden.
Dagegen werden sich orthogonale Bauelemente in gleich große konkav-orthogonale Zwischenräume prinzipiell nicht mehr einfügen lassen. Hier bleibt nur die Möglichkeit, Bausteine vorübergehend zu entfernen.
Da es selten erforderlich sein wird, Bausteine in dieser Weise einzufügen, wird es keine wesentliche Einschränkung der gestalterischen Möglichkeiten bedeuten.

zu 10:
Das Problem der orthogonalen Einsenkung der lokalen Tiefenprofile in die Gegenbausteine an den potentiellen Abgängen wird durch die in 2.2 definierte Abschrägung <04< gelöst.
Zugleich wird dadurch für eine bessere Entlüftung beim Kupplungsvorgang gesorgt.

Vorteile

Der für die Produktion entscheidende Vorteil liegt darin, daß die o. g. Eigenschaften 1-7 der Bausteine durch ein einziges Oberflächen- Profil definiert werden. Das Profil ist - im Gegensatz zu "Noppen- Loch-Verbindungen" - seine eigene Ergänzung.

Durch die damit verbundene Doppel-Funktion des Profils als Kupplungs- und als Gestaltungs-Oberfläche wird die unter "Stand der Technik" beschriebene Ambivalenz asymmetrischer Bauelemente überwunden.

Die Ausprägungen der Profil-Dichte und -Tiefe erlauben eine Anpassung an gewünschte Kupplungs-Muster (z. B. Rastdichte, Kupplungsweg) bzw. an gewünschtes Oberflächen-Design (grob bis fein).

Insbesondere aber die zusätzlichen beiden Freiheitsgrade in den zur Längsachse orthogonalen Abgängen führen zu einer Vervielfältigung kreativer Möglichkeiten. Eine Unterlegung (Abstützung) horizontaler Abgänge mit tragenden Bausteinen ist für kleinere Ausdehnungen nicht mehr erforderlich.

Ausgestaltung

Es sollte den Bauelementen nicht - wie häufig anzutreffen - ein spezifisches ("naturgetreues") Modellgepräge realer Objekte a priori gegeben werden, sondern ihnen vielmehr gestalterische Modell-Universalität implementiert werden. Die Möglichkeiten der Baustein-Systeme dürfen nicht auf "Puzzle-Technik" reduziert werden.

Selbstverständlich würden durch entsprechende Ausgestaltung der Bauteil- Oberflächen, d. h. insbesondere durch Beschränkung der Kupplungs- Profile auf bestimmte Oberflächenbereiche, auch konkrete Objekte modellierbar sein. Mit anderen Worten: Das beschriebene "Baustein-System mit selbstkomplementärem Kupplungs-Profil" involviert mindestens den Leistungs-Umfang der "Noppen-Loch-Systeme".

Beispiele

Abb. 1 zeigt perspektivisch einen prototypischen elementaren Baustein (Würfel) mit selbstkomplementärem kongruentem und drehungsinvariantem Oberflächen-Profil, allerdings ohne Führungs- Stümpfe <14< <15< und ohne S-Struktur <09< der Profilseiten.

Dieser Baustein sollte die "kleinste Einheit" im System darstellen, so daß andere Bausteine entweder ganzzahlige Vielfache dieser kleinsten Einheit sind oder andere stereometrische Formgebungen aufweisen.

Die Abbildung läßt folgende Merkmale erkennen:

<01< Randbereich mit den Überlappungen der konvexen Prismen <02< und der konkaven Hohlprismen <03< mit jeweils einer halben Profilseite auf eine halbe Profillänge
<02< konvexe Prismen
<03< konkave Hohlprismen
<04< 45°-Abschrägungen

Abb. 2 zeigt perspektivisch den medialen Querschnitt eines elementaren Bausteines, ohne Führungs-Stümpfe <14< <15< und ohne S- Struktur <09< der Profilseiten.

Die Abbildung läßt folgende Merkmale erkennen:

<05< Querschnitts-Fläche
<06< Querschnitt des kugelförmigen Hohlraumes zur Material-Ersparnis

Abb. 3 zeigt eine Teil-Aufsicht auf den medialen Querschnitt eines elementaren Bausteines, mit (repräsentativ für alle anderen Profil-Prismen) S-Struktur <09< der Profilseiten und ohne Führungs-Stümpfe <14< <15<.

Die S-Struktur <09< wurde maßstabsmäßig überbetont, um die Zusammenhänge zeichnerisch deutlich werden zu lassen. Die Ausprägung würde in der Praxis von den Anforderungen an das "Rast-Muster" des Kupplungs- Vorganges abhängig gemacht werden.

Die Abbildung läßt folgende Merkmale erkennen:

<07< Teil-Aufsicht auf den medialen Querschnitt eines elementaren Bausteines
<08< Profil-Ausschnitt 1 : 2
<09< S-förmige Wellen der Seiten der Profil-Prismen <02< bzw. -Hohlprismen <03<, die zueinander komplementär sind
<10< globaler Profilboden
<11< Profil-Ausschnitt eines rastfähigen Gegen-Bausteins

Abb. 4 stellt (repräsentativ für alle anderen Profil-Prismen) die komplementären Pyramiden-Stümpfe <14< <15< zur Kupplungs-Führung dar, ohne S-Struktur <09< der Profilseiten.

Die Abbildung läßt folgende Merkmale erkennen:

<12< Teil-Aufsicht auf den medialen Querschnitt eines elementaren Bausteines
<13< Profil-Ausschnitt 1 : 4
<14< erhabener Pyramiden-Stumpf mit konvexem Prisma <02<
<15< abgesenkter Pyramiden-Stumpf mit konkavem Hohlprisma <03<

Abb. 5 zeigt laterale und zentrale Überdeckungen von elementaren Bausteinen in der Aufsicht. Dabei sollen die dunklen Teilflächen die erhabenen <02<, die weißen die abgesenkten Profilbereiche <03< darstellen.

Die Abbildung läßt erkennen, daß Selbstkomplementarität und Kongruenz des Profiles invariant gegenüber 90°-Drehungen sind.

Abb. 6 zeigt beispielhaft ein paar "natürliche" Verbindungen von elementaren Bausteinen mit "selbstkomplementärem Kupplungs- Profil". Die lokalen Profilmerkmale sind nicht gezeichnet.

Die Abbildung läßt folgende Merkmale erkennen:

<16< laterale Überdeckung mit horizontalem Abgang

Claims (10)

1. Globale Profilmerkmale
2. 1. Stereometrische Bausteine ohne separate Kupplung mit Oberflächen- Profil, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   • 1.1 Die globale Profil-Struktur ist "selbstkomplementär" in dem Sinne, daß Profil-Duplikate
     • 1.1.1 dicht und
     • 1.1.2 haftend in das Original einpassen.
   • 1.2 Original und Duplikat quadratischer Oberflächen lassen sich kantendeckend zusammenfügen (Kongruenz).
   • 1.3 Selbstkomplementarität (1.1) und Kongruenz (1.2) bleiben bei 90°-Drehungen quadratischer Oberflächen erhalten (Drehungsinvarianz).
3. 2. Oberflächen-Profil nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   • 2.1 Die erhabenen bzw. die abgesenkten Profilbereiche (="lokale Profilelemente") bestehen aus Dreiecks-Prismen <02< bzw. Dreiecks-Hohlprismen <03<, die
     • 2.1.1 rechtwinklig,
     • 2.1.2 gleichschenklig und
     • 2.1.3 komplementär sind in dem Sinne, daß sich die erhabenen Prismen <02< in die abgesenkten Hohlprismen <03< lückenlos einfügen.
   • 2.2 Die erhabenen Dreiecks-Prismen <02< besitzen an mindestens einer der spitzwinkligen Ecken relativ zur Prismenbasis eine 45°-Abschrägung <04<, die
     • 2.2.1 parallel zu den gegenüberliegenden Dreieckskatheten verläuft und
     • 2.2.2 die Lückenlosigkeit in 2.1.3 hierdurch eingeschränkt.
   • 2.3 Die erhabenen Dreiecks-Prismen <02< sind als Profilelemente so angeordnet, daß an den Randbereichen <01< jeweils zwei, sonst jeweils drei von ihnen ein abgesenktes Dreiecks-Hohlprisma <03< definieren, wobei 2.1.3 unter Berücksichtigung von 2.2.2 zu gelten hat.
4. 3. Oberflächenprofil nach Patentanspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   • 3.1 Der Randübergang <01< zweier konvex-orthogonal liegender Profile ist eine konvexe 90°-Rotation einer von zwei eben aneinander grenzenden kongruenten Profilflächen, deren
     • 3.1.1 Rotationsachse durch die zu den Dreiecksflächen parallele Mittellinie der Seitenflächen der Prismen verläuft.
5. Lokale Profilmerkmale: vertikal
6. 4. Oberflächen-Profil nach Patentanspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   • 4.1 Die vertikalen Profile (=Tiefenprofile) der lokalen Profilelemente <02< <03< sind "komplementär" in dem Sinne, daß sie sich
     • 4.1.1 dicht und
     • 4.1.2 rastend einpassen.
7. 5. Oberflächen-Profil nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   • 5.1 Die Seitenflächen der erhabenen und vollen - d. h. nicht im Randbereich liegenden - Dreiecks-Prismen <02< bilden jeweils S-förmige Wellen <09<, die
     • 5.1.1 parallel zur Deckenflächenkante der Prismen <02< verlaufen und
     • 5.1.2 an der Deckenflächenkante der Prismen <02< mit einer Außenwölbung beginnend in eine Innenwölbung übergehen und auf den globalen Profilboden <10< auslaufen.
   • 5.2 Die Seitenflächen der abgesenkten und vollen - d. h. nicht im Randbereich liegenden - Dreiecks-Hohlprismen <03< bilden jeweils S-förmige Wellen <09<, die
     • 5.2.1 parallel zur Basisflächenkante der Hohlprismen <03< verlaufen und
     • 5.2.2 an der Basisflächenkante der Hohlprismen <03< mit einer Innenwölbung beginnend in eine Außenwölbung übergehen und auf den globalen Profilboden <10< auslaufen.
   • 5.3 Für die im Randbereich <01< liegenden Prismen <02< bzw. Hohlprismen <03< gilt 5.1 bzw. 5.2 unter der Einschränkung der Halbierung der orthogonalen Seitenflächen auf die Länge von wiederum einer halben Seitenfläche. Dort entstehen halbe S- förmige, also C-förmige Wölbungen.
8. Lokale Profilmerkmale: horizontal
9. 6. Oberflächen-Profil nach Patentanspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   • 6.1 Die horizontalen Profile der lokalen Profilelemente <2< <3< sind "komplementär" in dem Sinne, daß sie sich
     • 6.1.1 dicht und
     • 6.1.2 zentrierend einpassen.
10. 7. Oberflächen-Profil nach Patentanspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

    • 7.1 Die Deckenflächen der erhabenen Dreiecks-Prismen <02< stellen erhabene Pyramiden-Stumpfe <14< dar, derart, daß
      • 7.1.1 die senkrechte Projektion der Mantelkanten auf das zugehörige Basis-Dreieck Abschnitte von Winkelhalbierenden sind.
    • 7.2 Die Basisflächen der abgesenkten Dreiecks-Hohlprismen <03< stellen abgesenkte Hohlpyramiden-Stumpfe <15< dar, derart, daß
      • 7.2.1 die senkrechte Projektion der Mantelkanten auf das zugehörige Basis-Dreieck Abschnitte von Winkelhalbierenden sind.