CN101128281B - 可重新配置的工具和/或模具、嵌入件及使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种可重新配置的工具和/或模具几何形状和使用方法一般包括用形状记忆材料形成形状限定表面的至少一部分。响应于激活信号，形状记忆材料改变形状限定表面的几何形状，以提供用同一工具和/或模具形成具有不同几何形状的零件的方式。在一个替代实施例中，可以使用用于工具和/或模具的嵌入件，其中该嵌入件的形状限定表面的至少一部分由形状记忆材料形成。还公开了使用可重新配置的工具和/或模具以及可重新配置的嵌入件与标准工具和/或模具，形成具有限定几何形状的第一零件和具有不同于第一零件限定几何形状的限定几何形状的第二零件的方法。

Description

可重新配置的工具和/或模具、嵌入件及使用方法
技术领域
本发明一般地涉及一种可重新配置的工具和/或模具。可重新配置的工具和/或模具可以适用于使用相同工具和/或模具制造具有不同几何形状的部件或零件。 
背景技术
对于形成金属或塑料部件的工艺，通常会具有不同的工具和/或模具。制造甚至仅仅几何形状或尺寸具有某些很小差别的部件都必须有不同的工具和/或模具。而且，如果部件需要形成为仅具有很小几何形状或尺寸变化的不同构造，则采用不同工具/模具。结果，制造者一般必须花费显著的资源以适应制造各种部件所必要的各种工具和/或模具。这些资源不仅包括采购各种工具和/或模具的经济成本，而且还包括与在不同形成操作之间更换工具和/或模具相关联的成本。 
所以，需要一种可用于制造不同部件的可重新配置的工具和/或模具，其中该可重新配置的工具和/或模具可以选择性地改变来适应多于一种的部件构造。 
发明内容
本文公开了可选择性改变来使用相同工具和/或模具适应多于一种零件或部件构造的可重新配置的工具和/或模具以及嵌入件。在一个实施例中，可重新配置的工具和/或模具包括：包括形状限定表面的阳模；包括形状限定表面的阴模；形成所述阳模和阴模的形状限定表面中所选之一或两者的至少一部分的形状记忆材料，其中所述形状记忆材料响应于激活信号选择性地改变所述形状限定表面中所选之一或两者的几何形状。 
一种用于工具和/或模具的嵌入件，包括：具有形状限定第一表面的形状记忆材料，所述形状限定第一表面适于响应于激活信号改变到形状限定第二表面，其中所述第一和第二表面具有不同的几何形状。 
一种方法用于使用可重新配置的工具和/或模具形成具有限定几何形状的第一零件和具有不同于第一零件限定几何形状的限定几何形状的第二零件，所述方法包括：用所述可重新配置的工具和/或模具形成所述第一零件，其中所述可重新配置的工具和/或模具包括形状限定表面，所述形状限定表面包括由形状记忆材料形成的至少一部分，其中用所述可重新配置的工具和/或模具形成所述第一零件的步骤产生具有限定几何形状的所述第一零件；激活所述形状记忆材料以改变所述形状限定表面；以及用所述改变的形状限定表面形成所述第二零件以产生具有限定几何形状的所述第二零件，其中所述第二零件限定几何形状与所述第一零件限定几何形状不同。 
在另一实施例中，一种方法用于使用工具和/或模具组形成具有限定几何形状的第一零件和具有不同于第一零件限定几何形状的限定几何形状的第二零件，所述方法包括：将嵌入件嵌入工具和/或模具组中，其中所述嵌入件包括具有至少一个形状限定第一表面的形状记忆材料，所述形状限定第一表面适于响应于激活信号改变到形状限定第二表面，其中所述第一和第二形状限定表面具有不同的几何形状；使坯料与所述嵌入件和所述工具和/或模具组接触以形成具有限定几何形状的所述第一零件；激活所述形状记忆材料以使所述形状限定第一表面改变成形状限定第二表面；以及使另一坯料或所述第一零件与所述嵌入件的形状限定第二表面和所述工具和/或模具组接触以形成具有限定几何形状的所述第二零件，其中所述第二零件限定几何形状与所述第一零件限定几何形状不同。 
在另一实施例中，一种用于保持工具的夹具包括：可旋转地联接到扭簧的壳体，所述扭簧包括形状记忆材料，所述形状记忆材料响应于激活信号而改变所述形状记忆材料的至少一个属性，其中所述至少一个属性的改变使所述壳体绕中心轴线旋转；以及从所述壳体伸出的臂。 
通过以下附图和详细说明举例说明上述和其它特征。 
附图说明
现在参照作为示例性实施例的附图，其中相似的元件相似地编号： 
图1和2示意性示出用于形成具有不同几何形状的零件或部件的可重新配置的工具和/或模具； 
图3和4示意性示出用于冲压具有不同几何形状的零件或部件的可重新配置的工具和/或模具； 
图5示意性示出用于形成具有不同几何形状的零件或部件的标准化工具和/或模具的可重新配置的嵌入件； 
图6示意性示出与用于形成具有不同几何形状的零件或部件的标准化工具和/或模具一起使用的多个可重新配置的嵌入件； 
图7示意性示出根据另一实施例用于形成具有不同几何形状的零件或部件的标准化工具和/或模具的可重新配置的嵌入件；以及 
图8示意性示出可重新配置的夹具。 
具体实施方式
本文公开了可重新配置的工具和/或模具，其可以选择性地重新配置来使用相同的工具和模具形成或模制不同的部件和/或零件或者相同零件的不同几何形状。可重新配置的工具和/或模具包括可以选择性激活来向工具和/或模具提供不同几何形状的形状记忆材料。这样，相同的工具和/或模具可以有利地用于生产具有不同几何形状的零件或部件，由此对制造工艺提供重要的商业上的优点。形状记忆材料可以整体或部分与工具和/或模具成为一体，或者可以具有与标准工具和/或模具一起使用的嵌入件的形式。本文还公开了可重新配置的夹具和/或卡具，其以相似方式利用形状记忆材料来向待加工的零件和/或部件提供例如主动和选择性的定位。有利地，可以在柔性制造系统中采用该可重新配置的夹具和/或卡具，以消除现有技术的被动定位机构，例如螺纹钉、凸轮、螺线管等。因为从公开文献公知形状记忆材料的一般特性，所以对其将不进一步详细描述。 
现在参照图1，示出了总体示为10的可重新配置的工具和/或模具组件，其包括阴模12和阳模14。在工作期间，阴模12和阳模14匹配到一起以使布置在其间的坯料16成形。所示可重新配置的工具和/或模具组件10用作示例而非限制为任何具体形式或形状。类似地，坯料16并不用于限制为任何具体形状。在此具体示例中，坯料16示为具有平面表面的基体。但是，从本发明应该清楚合适的坯料可以包括各种不同形状和几何形状，其中术语“坯料”可以一般地定义为由可重新配置的工具和/或模具加工的部件或零件。坯料16可以由任何可变形和/或可模 制材料制成。例如，坯料可以是热塑性塑料、压塑性塑料(baroplastic)、金属等。坯料并不用于限制为任何具体类型或种类的材料。 
如图1所示，可重新配置的工具和/或模具10最初配置成在阴模12与阳模14匹配时提供具有半圆形形状17的坯料16。阴模12包括半圆形形状的凹部18，而阳模14包括半圆形形状的突起20，其中突起20和凹部18的位置互补。一旦这样使期望数量的坯料16成形，则可重新配置的工具和/或模具10可以重新配置成生产具有不同形状的坯料16，例如如图2所示的饼形。各个模具中至少对加工坯料限定不同几何形状的部分由形状记忆材料形成或者与形状记忆材料具有配合关系。为了实现几何形状的变化，通过激活形状记忆材料来重新配置工具和/或模具。如本领域技术人员所熟知的，形状记忆材料一般包括其中形状和/或模量特性可以借助所施加的激活信号而选择性改变的材料。通过激活形状记忆材料，工具和/或模具的几何形状改变，然后使用该工具和/或模具来形成坯料16。例如，如图所示，阴模12和阳模14的形状记忆材料部分包括限定坯料的几何形状的区域，该区域的形状从图1所示的其开始的半圆形构造18、20分别变成图2所示的饼形构造22、24。这样，用重新配置之后的同一工具和/或模具10加工的坯料16形成与之前获得的例如零件17不同几何形状的零件26。 
通过如上所述使用形状记忆材料，部分或整个由形状记忆材料制成的单个工具和/或模具可以适用于制造两种(使用下面所讨论的单程形状记忆效应)或三种(使用下面所讨论的双程形状记忆效应)不同零件(即部件)或者需要多个形成操作(仅具有其间的某些最小形状和尺寸变化)的部件。例如，形状记忆合金是可以按照成分表现出单程形状记忆效应或双程形状记忆效应的形状记忆材料。双程形状恢复提供恢复高温形式和低温形式两者的能力，而单程形状恢复仅仅提供恢复一种这样形式的能力。如果单个工具或模具包含可以独立激活的多个活性材料区域，则可以用同一工具/模具制造许多不同的部件/零件几何形状，该数量仅仅受到激活区域的可能组合的数量所限制。 
通过形状记忆材料的激活在工具和/或模具的(多种)形状记忆材料中选择性产生相变而获得在不同形成操作中实现的几何形状或尺寸的变化(重新配置)。相变的具体类型将取决于所使用的形状记忆材料的类型，例如形状记忆合金可以经历其晶体结构从马氏体到奥氏体的相 变。类似地，激活可以通过各种措施实现，包括但不限于磁、电、热、应力激活和包括上述激活信号中至少之一的组合。所期望的工具和/或模具的构造通过先验进行的训练过程记忆到形状记忆材料中。当然，本领域技术人员应该清楚，实际成形工艺中采用的压力和温度将需要考虑具体形状记忆材料的特性，使得可以发生所期望的尺寸变化。 
如前所述，整个工具和/或模具或者工具和/或模具的部分可以由形状记忆材料制成。后者的示例包括只有表面层(在模具的阴模部分、阳模部分或者两个部分上)由形状记忆材料制成的模具以及其中只有段/部分/区域由形状记忆材料制成的模具。有利地，可重新配置的工具和/或模具可以用于生产整体相似但具有局部差别的零件，这些局部差别通过激活模具的形状记忆材料部分来实现。 
图3和4示意性示出适于拉伸和/或冲压操作的总体示为30的可重新配置的工具和/或模具组件。所示可重新配置的工具和/或模具30总体包括用于冲压或拉伸坯料16的T形阳模32和阴模34。模具之一或两者32和/或34包括用于改变相应阳模和/或阴模部分32、34的形状的形状记忆材料。形状记忆材料以前述方式布置在相应阳模和/或阴模部分32、34的整体或部分中。如图4更清楚示出的，激活形状记忆材料以实现工具和/或模具从第一形状到第二形状如36到38和/或40到42的重新配置。形状记忆材料的激活的效应示为如虚线结构所示的阳模32和阴模34的侧向尺寸的变化，该变化有效减小了冲压区域。同样，模具30可以产生具有不同冲压几何形状44、46的坯料。类似地，模具30可以配置成产生由于拉伸操作而具有不同几何形状例如不同厚度的坯料16。 
应该注意图1-4所示可重新配置的工具和/或模具仅仅是示例性的。本领域技术人员在了解本发明的情况下将清楚各种改变和尺寸变化。 
本文所公开的可重新配置的工具和/或模具还可以适于对之前加工的坯料提供精加工属性。有利地，一旦坯料的总体形状已经限定，则可以在同一工具和/或模具中施加精加工属性。在这些示例中，工具和/或模具的构造是静态的，并使用由形状记忆材料形成的可重新配置的嵌入件。 
作为示例，如图5所示，由形状记忆材料形成的嵌入件52可以用 于总体包括阳模58和阴模56的标准工具和/或模具50(非可重新配置的)。但是，应该注意可以在可重新配置的工具和/或模具中利用可重新配置的嵌入件，这对于一些应用可能是期望的。尽管示出了一个嵌入件，但本申请并不限于一个。可以在工具和/或模具中可以采用附加的嵌入件来在选择性激活时提供局部化改变，以对所加工的零件产生各种不同几何形状和精加工属性。如图所示，嵌入件52位于阳模58和坯料16之间。全局特征首先施加到坯料16，其非常接近阳模58的成形表面。形状记忆嵌入件52可以随后激活以提供如重新配置的嵌入件54所示的更多的细节。在此示例中，一旦激活，则重新配置的形状记忆嵌入件54表现出接近阴模56的形状的形状变化，该形状变化随后可以在阳模58和阴模56配合时传递到坯料16。 
可以将由形状记忆材料形成的嵌入件52用于多个模具，或者替代地可以将多个嵌入件用于同一模具。这样，采用嵌入件的工具和模具极其通用。例如，特征具有很小变化的零件例如用于不同车辆的面板可以在不必对机加工或成形工艺的每个步骤使用单独的工具和模具的情况下进行机加工。 
在一个实施例中(例如图5所示)，嵌入件52在激活时恢复到的训练形状具有限定的表面特征。在工作中，可重新配置的嵌入件52可以是完全被动的且不在坯料16上施加特殊特征，或者可以在闭合模具56、58来施加表面特征之后激活。在后一情况下，现在具有如标号54所示嵌入件的形状的嵌入件如果是由单程形状记忆材料制成的，则在去活之后，应该在重新使用之前重新冲压以将嵌入件54恢复到嵌入件52的原始几何形状。 
在另一实施例中，如图6所示，多个可重新配置的嵌入件可以用于总体包括阳模58和阴模56的标准工具和/或模具50(非可重新配置的)。阴模56构造具有一个或多个几何形状特征。阳模58包括一些共用互补部分，以允许阴模与阳模匹配但缺少阴模中的一些互补的几何形状特征。在模具56、58闭合时，第一可重新配置的嵌入件52(例如由处于其非活化低温低模量状态下的形状记忆合金形成的嵌入件)被激活以对应于特定阴模的几何形状来生成零件60。在打开模具56、58时且移除坯料之后，嵌入件52可以恢复到其原始几何形状。然后可以使用第二可重新配置的嵌入件62来选择性地施加其它特征。于是与需要机 械重新成形的实施例不同，可以在形成具有不同几何形状的零件之间所需要的形状记忆材料激活时重复使用可重新配置的嵌入件52、62。 
图7示意性示出另一实施例，其采用单个可重新配置的嵌入件52来生成具有不同几何形状的各种零件。嵌入件52布置在坯料16和阴模56之间。阴模56包括多个特征并重复使用，同时采用具有特定特征的多个阳模66、68。作为示例，阳模66如图所示具有位于左侧的升高的突起。将具有多个特征的阴模56与此特定阳模66匹配且与可重新配置的嵌入件52一起包括待成形的坯料16可以产生零件70。在闭合模具时，使嵌入件52(示例是处于其非活化的低温低模量状态下的SMA)变形以对应于特定阳模的几何形状。在打开模具时且移除零件之后，嵌入件52可以简单地通过重新加热而恢复到其原始几何形状。于是与需要机械重新成形的其它实施例不同，可以在形成具有不同几何形状的零件之间仅仅需要激活活性材料的情况下重复使用单个嵌入件。用阳模68代替阳模66导致产生零件72。使用形状记忆合金作为形成嵌入件52的示例性材料，本实施例涉及形状记忆合金的嵌入件中应力产生的超弹性。由于这一点，嵌入件52将在打开模具时恢复到其原始几何形状。上述实施例仅仅是示例性的并且不限制为这里所公开的具体实施例。本领域技术人员考虑到本发明将认识到其它变化。例如，可以采用多个嵌入件用于具有多个特征的阴模和阳模部分以生成具有不同几何形状和/或表面纹理的多个不同零件。 
可重新配置的工具、模具和/或嵌入件对于制造热塑性或薄板金属零件特别有吸引力，此时形成零件所需的力相对较低。特定的形状记忆材料一般确定了对于力水平的约束。而且，可重新配置的工具、模具和/或嵌入件还适合用于注入模制工艺。此外，本领域普通技术人员将认识到，可重新配置的工具、模具、嵌入件还可以用于快速原型机和表面纹理。例如，与几何形状(形状)的变化不同，嵌入件可以用于对坯料提供纹理的变化。 
如前所述，形状记忆材料还可以用于可重新配置的夹具和卡具。夹具一般用于保持工具，其中使用机械、伺服液压、气动和/或电装置来手动或自动引导工具。这一般涉及复杂的驱动机构、被动机构(例如凸轮、连杆驱动螺钉)以及协同工作以实现所需定位和运动的其它机构。这里所公开的可重新配置的夹具可以采用由形状记忆材料形成的缆线或弹 簧或补片等，以将所需工具主动定位成所需顺序以及通过施加实现例如切割和进给深度所期望的运动来引导工具，从而便于机加工零件。为了在机加工期间将夹具固定定位在给定位置，可以采用附加的锁定装置。例如，可重新配置的夹具可以包括电磁锁定装置或机械锁定销以防止机加工期间夹具的不期望的运动。 
作为示例，图8示出了适于可能是夹具所期望的旋转定位以及轴向、横向和平移定位的可重新配置的夹具80的俯视图。对于旋转定位，夹具可以包括布置在壳体84内由形状记忆材料形成的扭簧82。一旦激活了形状记忆材料，则扭簧82将由于从其原始形状到其记忆形状的尺寸变化而使夹具旋转。这样，夹具80可以构造用于不同的工具类型，其旋转量可以编程以允许依次编程工具来机加工零件和/或部件。可以采用扭簧来实现旋转以用于夹具自身和/或附装到其的卡具。 
夹具80还可以包括在从壳体90延伸的臂内的直线运动装置86，该直线运动装置包括形状记忆材料。该直线运动装置包括布置在壳体90内由形状记忆材料制成的一个或多个直线布置的弹簧88，用于受控的轴向和横向运动。夹具80可以根据期望的应用包括一个或多个臂。各个弹簧82和/或88具有涉及预定行程或伸长的记忆的特定形状。通过施加所需的热、电、磁或应力场来激励这些弹簧，可以实现夹具的期望定位和运动。如果需要，还可以使用偏压弹簧或缩回机构，以控制用于施加例如切割和进给深度的运动。 
使用这种方法的优点是主动的重新配置和先后顺序，这是通过使用相对简单的基于形状记忆材料的装置实现的，这样就消除和/或减少了被动机构如螺纹钉、凸轮等的使用。这有助于减小摩擦、噪声，并且还简化了夹具设计和操作。通过合适的电子控制来以磁、电、热等方式激活这些形状记忆装置，工艺可以自动化和重新编程来实现切割工具操作的不同序列组。而且，可以由夹具实现精确的运动和位置，这提高了机加工工艺的质量。 
以上图示为简单起见示出了其中行程和深度控制机构对于所有工具都是相同的情况。如果期望独立控制每个工具的行程和深度，则可以提供类似的机构来解决这些应用。尽管具体参照了弹簧的使用，但是本领域普通技术人员将认识到在本发明的情况下也可以使用缆线、管和/或杆。形状记忆材料与控制机构(未示出)操作通信，以提供选择性激 活的装置并由此提供选择性的旋转和/或平移。 
除了可重新配置的夹具之外，形状记忆材料可以适用于卡具。类似于上述可重新配置的夹具，可以使用可重新配置的卡具，主要区别在于使用这些来顺序引导待机加工的多个零件。 
用于实现工具、模具、夹具和卡具的重新配置的合适形状记忆材料一般是其中可以通过激活信号选择性改变形状和/或模量特性的材料。在大多数应用中，选择形状记忆材料来提供用于期望操作的足够刚性。例如，由形状记忆材料形成用于标准工具和模具的嵌入件应该具有足够刚度，以对其中加工的零件和/或部件施加期望属性。对于弹簧，期望可以选择性改变模量和/或形状尺寸来提供期望的运动。可选地，可能期望用由传统材料(即没有形状记忆)形成的偏压和/或支承弹簧来补充形状记忆弹簧，以在需要时补偿施加在形状记忆弹簧上的力。 
合适的形状记忆材料包括但不限于形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)、电活性聚合物(EAP)、铁磁体SMA、磁体SMA、电流变流体(ER)、磁流变流体(MR)、介电弹性体、离子聚合物金属复合物(IPMC)、压电材料、压电陶瓷、以上材料的各种组合等。尽管上述形状记忆材料中的某些可能不适合于本文公开的各个实施例中所述的一些应用，但是可以进行各种形状材料与这些材料的组合来获得期望的结果。例如，可以结合形状记忆弹簧采用MR流体来提供变化程度的平移，其中选择性激活MR流体锁定例如弹簧的尺寸。 
如前所述，一些形状记忆材料可以根据合金成分和处理历史表现出单程形状记忆效应、固有的双程效应、或者外来的双程形状记忆效应。例如，退火形状记忆合金通常仅仅表现出单程形状记忆效应。在形状记忆材料的低温变形之后的充分加热将导致马氏体到奥氏体式的转变，并且该材料将恢复原始的退火形状。因此，单程形状记忆效应仅仅在加热时观察到。包括表现出单程记忆效应的形状记忆合金成分的形状记忆材料不会自动恢复，并将可能需要外部的机械力来恢复前一形状，如果特定应用需要的话。 
使用形状记忆合金作为示例，固有和外来的双程形状记忆材料的特征在于在从马氏体相加热到奥氏体相时的形状转变、以及在从奥氏体相冷却回到马氏体相时的附加形状转变。表现出固有形状记忆效应的形状记忆材料可以用将使形状记忆材料由于上述相变而自动恢复自身的形 状记忆合金成分制造。固有的双程形状记忆行为必须通过处理在形状记忆材料中产生。这种过程包括在马氏体相中使材料极度变形、在约束或负载下的加热-冷却、或者诸如激光退火、抛光或喷丸处理之类的表面改性。一旦已经将材料训练成表现出双程形状记忆效应，则低温和高温状态之间的形状变化一般是可逆的，并保持经过大量热循环。相反，表现出外在双程形状记忆效应的形状记忆材料是将表现出单程效应的形状记忆合金成分与提供恢复原始形状的恢复力的另一元件组合起来的复合或多成分材料。 
形状记忆合金是具有至少两种不同温度依赖相的合金复合物。这些相中最常用的是所谓的马氏体和奥氏体相。在以下讨论中，马氏体相一般指更加可变形的低温相，而奥氏体相一般指更加刚性的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始变成奥氏体相。此现象开始时的温度常称为奥氏体起始温度(As)。此现象结束时的温度称为奥氏体结束温度(Af)。当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始变成马氏体相，并且此现象开始时的温度称为马氏体起始温度(Ms)。奥氏体完成向马氏体的转变时的温度称为马氏体结束温度(Mf)。应该注意上述转变温度是由SMA试样所受应力的函数。具体地，这些温度随着应力的增大而升高。考虑到以上特性，形状记忆合金的变形优选在奥氏体转变温度处或之下(等于或低于As)。随后加热到高于奥氏体转变温度使得变形的形状记忆材料试样回复到其永久形状。于是，用于形状记忆合金的合适激活信号是大小足以产生马氏体和奥氏体相之间转变的热激活信号。 
在加热时形状记忆合金记住其高温形式的温度可以通过合金成分的细微变化和通过热机械处理来调节。例如在镍-钛形状记忆合金中，其可以从高于约100℃变到低于约-100℃。形状恢复过程可以在仅仅几度的范围上发生或者表现出更渐变的恢复。可以根据期望的应用和合金成分将转变的起始或结束控制在1度或2度内。形状记忆合金的机械特性在跨越其转变的温度范围上变化很大，这通常提供了形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼能力。例如，在马氏体相中观察到比奥氏体相中更低的弹性模量。马氏体相中的形状记忆合金可以通过将晶体结构重构与所施加应力(例如来自匹配压力足的压力)重新对齐而承受大的变形。如下面将更详细描述的，在去除应力之后该材料将保持此形状。 
合适的形状记忆合金材料包括但不限于基于镍-钛的合金、基于铟-钛的合金、基于镍-铝的合金、基于镍-镓的合金、基于铜的合金(例如铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金合金和铜-锡合金)、基于金-镉的合金、基于银-镉的合金、基于铟-镉的合金、基于锰-铜的合金、基于铁-铂的合金、基于铁-钯的合金等。合金可以是二元的、三元的或者任意更多元的，只要该合金成分表现出形状记忆效应，例如形状、定向、屈服强度、弯曲模量、阻尼能力、超弹性和/或类似特性的变化。合适形状记忆合金成分的选择取决于该部件将工作的温度范围。 
如上所述，当形状记忆合金SMA在韧性低温相下经历变形并随后受热到高于转变温度(即奥氏体结束温度)时，发生形状恢复。恢复压力可以超过400兆帕(60000psi)。可恢复应变对于单个恢复循环高达约8％(对于铜合金约4％到约5％)，并一般随着循环数的增加而降低。 
形状记忆聚合物一般指在施加热激活信号时表现出特性变化的聚合物材料，该特性例如是弹性模量、形状、尺寸、形状定向、或者包括以上特性中至少之一的组合。 
一般而言，SMP是包括至少两种不同单元的相偏析共聚物，这可以描述为在SMP内限定不同的段，每个段都对SMP的整体特性作出不同的贡献。如这里所用的，术语“段”指共聚合以形成SMP的相同或相似单体或低聚体单元的嵌段、接枝或序列。每个段可以是晶态或无定形态的，并将分别具有相应的熔点或玻璃态转变温度(Tg)。术语“热转变温度”在此方便地用于根据该段是无定形态段还是晶态段而一般地指Tg或熔点。对于包括n段的SMP，认为该SMP具有1个硬段和(n-1)个软段，其中该硬段的热转变温度比任一软段更高。于是，SMP具有n个热转变温度。硬段的热转变温度称为“最后转变温度”，并且所谓“最软”段的最低热转变温度称为“第一转变温度”。重要的是注意到如果SMP具有特征在于相同热转变温度(其也是最后转变温度)的多个段，则认为该SMP具有多个硬段。 
当SMP加热到高于最后转变温度时，SMP材料可以形成一定形状。可以通过随后将SMP冷却到低于该温度来设定或记住SMP的永久形状。如这里所用的，术语“原始形状”、“之前限定的形状”和“永久形状”是同义的，并可互换地使用。通过将该材料加热到高于任一软段的热转变温度但低于最后转变温度的温度，施加外部应力或负载来使 SMP变形，然后在保持变形的外部应力或负载的同时冷却到低于该软段的特定热转变温度，可以设定暂时形状。 
通过在去除应力或负载的情况下将该材料加热到高于该软段的特定热转变温度但低于最后转变温度，可以恢复永久形状。于是，应该清楚通过组合多个软段可以得到多个暂时形状，而利用多个硬段可以得到多个永久形状。类似地使用分层或复合方法，多个SMP的组合将显示多个暂时和永久形状之间的转变。 
对于仅具有2段的SMP，形状记忆聚合物的暂时形状在第一转变温度处设定，接着在负载下冷却SMP而锁定在该暂时形状中。只要SMP保持低于第一转变温度就保持该暂时形状。当在去除负载的情况下使SMP再次高于第一转变温度时，重新得到永久形状。重复加热、成形和冷却步骤可以反复地重新设定暂时形状。 
大多数SMP表现出“单程”效应，其中SMP表现出一种永久形状。在没有应力或负载的情况下将形状记忆聚合物加热到高于软段热转变温度时，实现永久形状并且不使用外力该形状将不会回复到暂时形状。 
作为替代，一些形状记忆聚合物成分可以制备为表现出“双程”效应，其中SMP表现出两种永久形状。这些系统包括至少两种聚合物成分。例如，一种成分可以是第一交联聚合物，而另一成分是不同的交联聚合物。这些成分通过层技术组合或者是互穿网络，其中两种聚合物成分是交联的但并不彼此交联。通过改变温度，形状记忆聚合物在第一永久形状或第二永久形状的方向上改变其形状。每个永久形状都属于SMP的一种成分。整体形状的温度依赖性由以下事实产生，即一种成分(“成分A”)的机械特性在感兴趣的温度间隔中几乎与温度无关。另一成分(“成分B”)的机械特性在感兴趣的温度间隔中依赖于温度。在一个实施例中，成分B与成分A相比在低温下变得更强，而成分A在高温下变得更强并确定实际形状。双程记忆装置可以通过以下这样来制备，即设定成分A的永久形状(“第一永久形状”)、使该装置变形成成分B的永久形状(“第二永久形状”)、并在施加应力的同时固定成分B的永久形状。 
本领域普通技术人员应该认识到可以将SMP配置成许多不同形式和形状。设计聚合物自身的成分和结构可以允许选择用于期望应用的特定温度。例如，根据特定应用，最后转变温度可以是约0℃到约300℃ 或更高。形状恢复的温度(即软段热转变温度)可以高于或等于约-30℃。另一形状恢复温度可以高于或等于约40℃。另一形状恢复温度可以高于或等于约100℃。另一形状恢复温度可以低于或等于约250℃。另一形状恢复温度可以低于或等于约200℃。最后，另一形状恢复温度可以低于或等于约150℃。 
可选地，可以选择SMP来提供应力导致的屈服，这可以直接用于(即不用将SMP加热到高于其热转变温度来“软化”它)使其与给定表面共形。在一些实施例中，SMP在此情况下可以承受的最大应变可以与当SMP在高于其热转变温度下变形时的情况相当。 
合适的形状记忆聚合物可以是热塑性、热固性、互穿网络、半互穿网络或混和网络。聚合物可以是单种聚合物或者聚合物的混和。聚合物可以是直线热塑弹性体或者具有侧链或枝状结构元件的分枝热塑弹性体。形成形状记忆聚合物的合适聚合物成分包括但不限于聚磷腈、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酰胺酯、聚胺基酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷基物、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚亚烷基氧化物、聚对苯二甲酸亚苯基酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卤化物、聚酯、聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚亚安酯、聚醚、聚醚聚醚酰胺、聚醚酯及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的示例包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚甲基丙烯酸异癸酯、聚甲基丙烯酸十二酯、聚甲基丙烯酸苯酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸异丙酯、聚丙烯酸异丁酯和聚丙烯酸十八酯。其它合适聚合物的示例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮、聚氯丁烯、聚十八烷基乙烯基醚、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚环氧乙烷-聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯/尼龙接枝共聚物、聚已酸内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯(diniethacrylate)-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面低聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、聚氨酯/丁二烯共聚物、聚亚安酯嵌段共聚物、苯乙烯-马来酸酐嵌段共聚物等。用于形成上述SMP中各段的聚合物或者是商业上可得到的，或者可以使用普通化学合成。本领域技术人员可以容易地不必进行不适当实验的情况下使用已知化学知识和处理技术制备这些聚合物。 
形状记忆材料还可以包括电活性聚合物，其中的两类是电子和离子 EAP(电活性聚合物)，其示例包括离子聚合物金属复合物、导电聚合物、压电材料等。 
电活性聚合物包括响应于电或机械场而表现出压电、热电或电致伸缩特性的聚合物材料。这些材料通常采用使得聚合物膜能够响应于所施加的电场或机械应力在面内方向上扩展或收缩的柔性电极。电致伸缩接枝弹性体的一个示例是压电聚(1，1-二氟乙烯-三氟乙烯)共聚物。此组合具有产生变化量的铁电-电致伸缩分子复合系统的能力。这些可以用作压电传感器或者甚至电致伸缩致动器。 
适合用作电活性聚合物的材料可以包括响应于静电力变形或者其变形导致电场变化的任何基本绝缘的聚合物或橡胶(或者其组合)。适合用作预应变聚合物的示例性材料包括硅树脂弹性体、丙烯酸弹性体、聚亚安酯、热塑弹性体、含PVDF的共聚物、压力敏感粘性剂、含氟弹性体、含硅树脂和丙烯酸半族的聚合物等。含硅树脂和丙烯酸半族的聚合物可以包括例如含硅树脂和丙烯酸半族的共聚物、含硅树脂弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物。 
用作电活性聚合物的材料可以基于一种或多种材料特性进行选择，例如高电击穿强度、低弹性模量(对于大或小的变形)、高介电常数等。在一个实施例中，选择聚合物使得其具有至多约100MPa的弹性模量。在另一实施例中，选择聚合物使得其具有在约0.05MPa到约10MPa之间的最低致动压力，并优选在约0.3MPa到约3MPa之间。在另一实施例中，选择聚合物使得其具有在约2到约20之间的介电常数，并优选在约2.5到约12之间。本发明并不限于这些范围。理想地，如果材料具有高介电常数和高介电强度两者，则具有比以上给出范围更高的介电常数的材料会是期望的。在许多情况下，电活性聚合物可以制造和实现为薄膜。适合于这些薄膜的厚度可以低于50微米。 
因为电活性聚合物可以在高应变下偏转，所以附装到聚合物的电极也应该偏转，而不会降低机械或电性能。一般而言，适合使用的电极可以是任何形状和材料的，只要它们能够向电活性聚合物提供合适的电压或者从其接收合适的电压。该电压可以是不变的或者随时间变化的。在一个实施例中，电极粘附到聚合物的表面。粘附到聚合物的电极优选是柔性的，并与聚合物的变化形状共形。相应地，本发明可以包括与其所附装到的电活性聚合物的形状共形的柔性电极。电极可以仅仅施加到电 活性聚合物的一部分并根据其几何形状限定活化区域。适合用于本发明的各种电极包括含金属迹线和电荷分布层的结构化电极、含变化的面外尺寸的织物电极、诸如碳脂或银脂之类的导电脂、胶状悬浮物、诸如碳纤维和碳纳米管之类的高纵横比导电材料、以及离子传导材料的混合物。 
用于本发明的电极的材料可以变化。用于电极的合适材料可以包括石墨、碳黑、胶状悬浮物、含银和金的薄金属、填充银和填充碳的凝胶体和聚合物、以及离子或电传导聚合物。应该理解某些电极材料可能与特定的聚合物工作地很好而与其它聚合物无法工作得很好。作为示例，碳纤维与丙烯酸弹性体聚合物工作得很好，但与硅树脂聚合物工作得不是很好。 
如这里所用的，术语“压电”用于描述当施加电压势时机械变形或者相反在机械变形时产生电荷的材料。优选地，压电材料布置在柔性金属或陶瓷片的条上。这些条可以是单层或双层的。优选地，这些条是双层的，因为双层的一般比单层的表现出更大的位移。 
一种单层结构由在外部接合到柔性金属薄片或条的单个压电元件构成，其由压电元件在用变化的电压激活时激励并产生与压电元件的运动相反的轴向翘曲或偏转。单层的致动器运动可以是通过收缩或扩展。单层可以表现出高达约10％的应变，但一般相对于单层结构的整体尺寸只能保持低负载。 
与单层压电装置相反，双层装置包括夹在两个压电元件之间的中间柔性金属薄片。双层表现出比单层更大的位移，因为在所施加电压下一个陶瓷元件将收缩而另一个扩展。双层可以表现出高达约20％的应变，但类似于单层一般相对于单层结构的整体尺寸无法保持高负载。 
合适的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。关于有机材料，在主链上或在侧链上或者在分子内的两种链上具有非中心对称结构和大偶极矩组的所有聚合物材料都可以用作压电膜的候选物。合适聚合物的示例例如包括但不限于：聚苯磺酸钠(“PSS”)、聚S-(聚(乙烯胺)骨架偶氮发色团)及其衍生物；聚碳氟化合物，包括聚偏氟乙烯(“PVDF”)、其共聚物偏氟乙烯(“VDF″)、三氟乙烯(TrFE）及其衍生物；多氯烃，包括聚氯乙烯(“PVC”)、聚偏二氯乙烯(“PVC2”）及其衍生物；聚丙烯腈(“PAN”)及其衍生物；聚羧酸，包括聚甲基 丙烯酸(“PMA”)及其衍生物；聚脲及其衍生物；聚亚安酯(“PUE”)及其衍生物；生物聚合物分子，例如聚-L-乳酸及其衍生物、和膜蛋白质以及磷酸盐生物分子；聚苯胺及其衍生物，以及四胺的所有衍生物；聚酰亚胺，包括Kapton分子和聚醚酰亚胺(“PEI”)及其衍生物；所有的膜聚合物；聚乙烯基吡咯烷酮(“PVP”)均聚物及其衍生物，以及随机PVP与乙酸乙烯(“PVAc”)共聚物；以及在主链或侧链中或者在主链和侧链两者中具有偶极矩组的所有芳族聚合物及其混合物。 
另外，压电材料可以包括Pt、Pd、Ni、Ti、Cr、Fe、Ag、Au、Cu及其金属合金和混合物。这些压电材料还可以包括例如：金属氧化物，如SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、SrTiO3、PbTiO3、BaTiO3、FeO3、Fe3O4、ZnO及其混合物；以及VIA和IIB族化合物，如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe2、ZnSe、GaP、InP、ZnS及其混合物。 
合适的MR弹性体材料包括但不限于含铁磁或顺磁颗粒的悬浮物的弹性聚合物基体，其中颗粒如上所述。合适的聚合物基体包括但不限于聚α-烯烃、天然橡胶、硅树脂、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯等。 
合适的形状记忆材料还可以包括磁流变(MR)成分，例如MR弹性体，其已知为在施加磁场时流变特性可以快速变化的“智能”材料。MR弹性体是微米尺寸的磁极化颗粒在热固弹性聚合物或橡胶中的悬浮物。弹性体结构的刚性通过改变所施加磁场的强度来改变剪切和压缩/张紧模量而实现。MR弹性体通常在暴露到磁场中少到几毫秒就形成结构。将MR弹性体中止暴露到磁场就使该过程逆向，弹性体恢复到其较低模量状态。 
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解可以进行各种变化且可以用等同物替代其元素而不偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适合于本发明的教导而不偏离其基本范围。因此，本发明并不限于作为执行本发明的最佳模式公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。 

Claims (22)

1.一种可重新配置的工具和/或模具组，包括：
包括形状限定表面的阳模；
包括形状限定表面的阴模；和
形成所述阳模的形状限定表面和所述阴模的形状限定表面中所选之一或两者的至少一部分的形状记忆材料；
其中所述形状记忆材料响应于激活信号选择性地改变所述形状限定表面中所选之一或两者的几何形状。
2.根据权利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具组，其中所述形状记忆材料包括形状记忆聚合物、形状记忆合金、电活性聚合物、铁磁形状记忆合金、磁形状记忆合金、电流变流体、磁流变流体、介电弹性体、离子聚合物金属复合物、压电聚合物、压电陶瓷或者以上形状记忆材料的组合。
3.根据权利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具组，其中所述阳模由形状记忆材料形成。
4.根据权利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具组，其中所述阴模由形状记忆材料形成。
5.根据权利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具组，其中所述激活信号包括磁信号、热信号、电信号、应力信号或者以上激活信号的组合。
6.根据权利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具组，其中选择所述形状记忆材料以表现出单程形状记忆效应。
7.根据权利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具组，其中选择所述形状记忆材料以表现出双程形状记忆效应。
8.一种用于工具和/或模具组的嵌入件，包括：
具有形状限定第一表面的形状记忆材料，所述形状限定第一表面适于响应于激活信号改变到形状限定第二表面，其中所述第一和第二表面具有不同的几何形状，其中所述工具和/或模具组的阳模或阴模的形状限定表面之一或两者的至少一部分由形状记忆材料形成。
9.根据权利要求8所述的嵌入件，其中选择所述形状记忆材料以表现出单程形状记忆效应。
10.根据权利要求8所述的嵌入件，其中选择所述形状记忆材料以表现出双程形状记忆效应。
11.根据权利要求8所述的嵌入件，其中所述形状记忆材料包括形状记忆聚合物、形状记忆合金、电活性聚合物、铁磁形状记忆合金、磁形状记忆合金、电流变流体、磁流变流体、介电弹性体、离子聚合物金属复合物、压电聚合物、压电陶瓷或者以上形状记忆材料的组合。
12.一种用于使用可重新配置的工具和/或模具组形成具有限定几何形状的第一零件和具有不同于第一零件限定几何形状的限定几何形状的第二零件的方法，所述方法包括：
用所述可重新配置的工具和/或模具组形成所述第一零件，其中所述可重新配置的工具和/或模具组包括形状限定表面，所述形状限定表面包括由形状记忆材料形成的至少一部分，其中用所述可重新配置的工具和/或模具组形成所述第一零件的步骤产生具有限定几何形状的所述第一零件；
激活所述形状记忆材料以改变所述形状限定表面；以及
用所述改变的形状限定表面形成所述第二零件以产生具有限定几何形状的所述第二零件，其中所述第二零件限定几何形状与所述第一零件限定几何形状不同。
13.根据权利要求12所述的方法，其中激活所述形状记忆材料的步骤包括传输激活信号，所述激活信号包括磁信号、热信号、电信号、应力信号或者包括以上激活信号中至少之一的组合。
14.根据权利要求12所述的方法，其中包括由所述形状记忆材料形成的至少一部分的所述形状限定表面是嵌入件。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述形状记忆材料包括形状记忆聚合物、形状记忆合金、电活性聚合物、铁磁形状记忆合金、磁形状记忆合金、电流变流体、磁流变流体、介电弹性体、离子聚合物金属复合物、压电聚合物、压电陶瓷或者以上形状记忆材料的组合。
16.根据权利要求12所述的方法，其中选择所述形状记忆材料以表现出单程形状记忆效应。
17.根据权利要求12所述的方法，其中选择所述形状记忆材料以表现出双程形状记忆效应。
18.一种用于使用工具和/或模具组形成具有限定几何形状的第一零件和具有不同于第一零件限定几何形状的限定几何形状的第二零件的方法，所述方法包括：
将嵌入件嵌入工具和/或模具组中，其中所述嵌入件包括具有至少一个形状限定第一表面的形状记忆材料，所述形状限定第一表面适于响应于激活信号改变到形状限定第二表面，其中所述形状限定第一表面和形状限定第二表面具有不同的几何形状；
使坯料与所述嵌入件和所述工具和/或模具组接触以形成具有限定几何形状的所述第一零件；
激活所述形状记忆材料以使所述形状限定第一表面改变成形状限定第二表面；以及
使另一坯料或所述第一零件与所述嵌入件的形状限定第二表面和所述工具和/或模具组接触以形成具有限定几何形状的所述第二零件，其中所述第二零件限定几何形状与所述第一零件限定几何形状不同。
19.根据权利要求18所述的方法，其中选择所述形状记忆材料以表现出单程形状记忆效应。
20.根据权利要求18所述的方法，其中选择所述形状记忆材料以表现出双程形状记忆效应。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述形状记忆材料包括形状记忆聚合物、形状记忆合金、电活性聚合物、铁磁形状记忆合金、磁形状记忆合金、电流变流体、磁流变流体、介电弹性体、离子聚合物金属复合物、压电聚合物、压电陶瓷或者以上形状记忆材料的组合。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括在去活之后重新冲压所述形状记忆材料以将所述嵌入件恢复到所述至少一个形状限定第一表面。
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