DE10030790C1 - Halbzeug aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Aufgabe ist es hierbei, auf einfache Weise und mit nur geringen Prozessschritten einen Zweiwegeffekt in der Formgedächtnislegierung hervorzurufen, so dass das aus der Formgedächtnislegierung bestehende Halbzeug beim Phasenübergang Austenit/Martensit eine hohe Anzahl von Umformzyklen durchlaufen kann und hohe Effektbeträge aufweist, ohne dass ein langwieriges Training der Formgedächtnislegierung oder von außen einwirkende Kräfte erforderlich sind. Dies wird dadurch erreicht, dass in einem einzigen Deformationsschritt zusätzlich eine lineare superelastische Phase in der Formgedächtnislegierung erzeugt wird, wodurch eine Rückstellkraft in der Formgedächtnislegierung eingebracht wird, so dass unter Einwirkung dieser Rückstellkraft die Formgedächtnislegierung den Verformungszyklus bei der Phasenumwandlung Austenit/Martensit mehrfach durchläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt und ein Verfahren zum Herstellen des selben.

Es ist bekannt, daß Formgedächtnislegierungen bzw. sog. "Shape Memory Alloys" (SMA) im Vergleich zu konventionellen Strukturwerkstoffen vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Aufgrund ihres Erinnerungsvermögens an eine bestimmte Form in der Tieftemperaturphase Martensit und in der Hochtemperaturphase Austenit können Formänderungen innerhalb eines eingestellten Temperaturbereichs über hohe Zyklenzahlen erreicht werden.

Bei der Phasenumwandlung Austenit/Martensit und der damit verbundenen Formänderung können zwei Effekte ausgenutzt werden, nämlich der Einwegeffekt und der Zweiwegeffekt. Beim Einwegeffekt beginnt sich ein Element bestehend aus einer Formgedächtnislegierung, welches im Temperaturbereich, in dem die Legierung in der martensitischen Phase vorliegt, plastisch verformt wurde, bei Erwärmung über die Temperatur, bei der die Umwandlung zur austenitischen Phase beginnt, zurückzuverformen. Die Legierung erinnert sich an die ursprüngliche Form und wandelt in der austenitischen Phase das Element in seinen unverformten Zustand zurück. Beim Abkühlen in den martensitischen Zustand verändert sich die Form der Legierung jedoch nicht noch einmal. Formgedächtnislegierungen mit Einwegeffekt können somit nur für eine einmalige Umformung verwendet werden. Derartige Formgedächtnislegierungen werden beispielsweise in der Verbindungs-, Befestigungs- und Dichtungstechnik sowie für Entfaltungsvorgänge in der Raumfahrt verwendet.

Der Zweiwegeffekt beschreibt die Tatsache, daß sich die Formgedächtnislegierung sowohl an eine bestimmte Form in der Hochtemperaturphase Austenit als auch an eine in der Tieftemperaturphase Martensit erinnert. Dadurch ist ein mehrfaches Durchlaufen des Verformungszyklus möglich. Die Umwandlung kann aufgrund einer äußeren Kraft (extrinsischer Zweiwegeffekt) oder durch mehrere Belastungszyklen der Legierung eingeprägt werden. Letzteres wird als intrinsischer Zweiwegeffekt bezeichnet.

Für den intrinsischen Zweiwegeffekt bedarf es eines sog. Trainings, um der Legierung bestimmte Versetzungsstrukturen einzuprägen, die die Legierung auch beim Abkühlen in eine gewollte bzw. eintrainierte Form zurückführen. Dazu wird die Legierung im martensitischen Zustand über das Martensitplateau hinaus verformt, um auch plastische Formänderungen durch Versetzungen in die Legierung einzubringen. Beim Erwärmen geht aufgrund der Versetzungen nur ein Teil des Formänderungsanteils zurück. Beim Abkühlen führen die vorliegenden plastischen Spannungsfelder um die Versetzungen zu Martensitvarianten, die die Legierung in die gewünschte Tieftemperaturform umwandeln. Zu diesem Zweck wird die Verformung mit Umwandlungszyklen n-fach wiederholt, so daß sich die inneren Spannungen in der Formgedächtnislegierung stabilisieren und die Legierung sich die Versetzungsstrukturen einprägt. Dies bedeutet jedoch, daß die Formgedächtnislegierung vor ihrer funktionstüchtigen Anwendung diesem zeitaufwendigen Training ausgesetzt werden muß.

Beim extrinsischen Zweiwegeffekt wird durch das Einwirken einer äußeren Kraft, beispielsweise ein Gewicht, eine Gegenfeder oder auch ein entgegengesetztes Formgedächtniselement, zunächst das Element im martensitischen Zustand verformt. Beim Erwärmen in den austenitischen Zustand tritt beim Phasenübergang Martensit/Austenit eine Rückverformung auf. Die nachfolgende Abkühlung führt unter Einwirkung der äußeren Kraft zur erneuten Verformung. Das Bereitstellen einer externen Kraft zum Antreiben des Zweiwegeffekts kann für viele Anwendungen von Nachteil sein, da zusätzliche Vorkehrung zum Bereitstellen und Abstimmen von Formgedächtnislegierung und äußerer Kraft nötig sind.

Druckschrift US 4,411,711 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen eines reversiblen Zweiweg- Shape-Memory-Effekts in einer Komponente, die aus einem Material hergestellt ist, die nur einen Einweg-Shape-Memory-Effekt aufweist. Die Komponente aus einer Formgedächtnislegierung, die unter Normalbedingungen nur einen Einwegeffekt aufzeigt, wird speziell bearbeitet, so daß in dieser Komponente ein Zweiwegeffekt induziert wird. Dazu wird die Formgedächtnislegierung zunächst einer Lösungsbehandlung ausgesetzt und anschließend in Wasser abgeschreckt. Danach wird die Formgedächtnislegierung entweder mit Kugelstrahlen beschossen oder geschmiedet.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Halbzeug aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt und ein Verfahren zur Herstellung des Halbzeugs zu schaffen, wobei der Zweiwegeffekt in der Formgedächtnislegierung auf einfache Weise und mit möglichst wenig Prozeßschritten bewerkstelligt wird, so daß das aus der Formgedächtnislegierung bestehende Halbzeug beim Phasenübergang Austenit/Martensit eine hohe Anzahl von Umformzyklen durchlaufen kann und hohe Effektbeträge aufweist, ohne daß zuvor ein langwieriges Training der Formgedächtnislegierung oder von außen einwirkende Kräfte erforderlich sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Halbzeug aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt und einem Verfahren zur Herstellung desselben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zentraler Gedanke ist hierbei, daß die Formgedächtnislegierung im kalten, martensitischen Zustand neben der martensitischen Phase eine deformationsbedingte linear elastische Phase bzw. linear superelastische Phase aufweist, wodurch eine Rückstellkraft in der Formgedächtnislegierung selbst entsteht, so daß aufgrund der Rückstellkraft ein Zweiwegeffekt in der Formgedächtnislegierung mit hoher Zykluszahl gewährleistet ist. Das Einbringen der linear superelastischen Phase erfolgt durch einen einzigen Deformationsschritt, der im kalten, martensitischen Zustand durchgeführt wird.

Die Deformation der Formgedächtnislegierung bewirkt, daß sich die linear superelastische Phase an der Querschnittsaußenseite des aus der Formgedächtnislegierung bestehenden Halbzeuges bildet, und daß im kalten Zustand sich die aktive martensitische Phase im Querschnittsmittelbereich des Halbzeuges befindet. Die martensitische Phase geht beim Erwärmen unter Verformung der Formgedächtnislegierung in die austenitische Phase über. Beim erneuten Abkühlen und Übergang in die martensitische Phase formt sich die Formgedächtnislegierung unter Einwirkung der durch die linear superelastische Phase bedingte Rückstellkraft zurück.

Durch die Deformation sind Spannungsverteilungen in der Formgedächtnislegierung enthalten, so daß sich Zug- und Druckkräfte bilden, die zu einer Krümmung des aus der Formgedächtnislegierung bestehenden Halbzeuges führen. Die Zugkräfte verlaufen an der Krümmungsaußenseite und die Druckkräfte an der Krümmungsinnenseite des Halbzeuges.

Die verwendete Formgedächtnislegierung ist eine Legierung, die prinzipiell in der Lage ist, einen Zweiwegeffekt aufzuweisen. Es werden beispielsweise Ni-Ti-Legierungen verwendet.

Aufgrund der linear superelastischen Phase, die eine Rückstellkraft in der Formgedächtnislegierung bewirkt, ist die für den sonst als extrinsisch bekannten Zweiwegeffekt erforderliche äußere Kraft bereits in der Formgedächtnislegierung integriert, so daß die den Zweiwegeffekt antreibende Kraft nicht von außen zugeführt werden muß und auch kein vorheriges Training der Formgedächtnislegierung erforderlich ist.

Zu diesem Zweck wird eine stab-, band- oder drahtförmige Formgedächtnislegierung im kalten, martensitischen Zustand in Längsrichtung über einen Dorn unter Krafteinwirkung gezogen. Dies bewirkt eine Deformation der Formgedächtnislegierung und damit ein Induzieren von Spannungsverteilungen, so daß sich die linear superelastische Phase in der Legierung ausbildet. Nach dem Bearbeitungsschritt nimmt die Formgedächtnislegierung eine gekrümmte oder spiralförmige Gestalt an. Anschließend kann die Formgedächtnislegierung in einzelne bogenförmige Abschnitte zerschnitten und in geeigneterweise auf einer Unterlage befestigt werden. Auf diese Weise erhält man bogenförmige Legierungsabschnitte, die im kalten, martensitischen Zustand beispielsweise ein nahezu geschlossenes, ringförmiges Verhakungselement bilden. Die induzierte Spannungsverteilung und die dadurch in der Legierung bereitgestellte Rückstellkraft wird beim Zerschneiden des Drahtes nicht beeinflußt. Geht die Formgedächtnislegierung unter Wärmeeinwirkung in die austenitische Phase über, erinnert sich die Legierung an ihre ursprüngliche Form und geht unter Verkürzung in seine ursprüngliche Form über. Das Verhakungselement öffnet sich. Beim anschließenden Abkühlen dehnt sich die Formgedächtnislegierung unter Einwirkung der Rückstellkraft wieder aus. Das Verhakungselement schließt sich. Wird danach wieder erwärmt, öffnet sich das Verbindungselement. Der Zyklus wird erneut durchlaufen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine drahtförmige Formgedächtnislegierung beim Einweben in Materialien oder Gewebe derart über Lanzetten geführt, daß durch das einmalige Streifen über die Lanzetten die linear superelastische Phase in der Formgedächtnislegierung erzeugt wird, so daß der eingewobene Legierungsdraht automatisch beim zyklischen Phasenübergang Austenit/Martensit den oben beschriebenen Öffnungs-/Schließvorgang mehrfach durchläuft.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auf einfache Weise ein stabiler Zweiwegeffekt in der Formgedächtnislegierung erzeugt wird, so daß das aus dieser Formgedächnislegierung bestehende Halbzeug einen Verformungszyklus mehrfach mit hoher Effektstabilität durchlaufen kann. Ein langwieriger Trainingsprozeß der Formgedächtnislegierung oder das Einwirken äußerer Kräfte ist nicht erforderlich. Es ist lediglich ein Prozeßschritt nötig, der im kalten, martensitischen Zustand durchgeführt wird.

Ferner zeichnet sich die Erfindung durch eine hohe Variabilität aus, da die Halbzeuge in verschiedenen Anordnungen, wie Verhakungs- oder Befestigungselementen Anwendung finden. Zudem ist das Verfahren zur Herstellung derartiger Halbzeuge vielfältig einsetzbar, beispielsweise beim Erzeugen von Verhakungselementen und Schlingen oder beim automatischen Einweben in Gewebestrukturen.

In folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnen beschrieben. In denen zeigt:

Fig. 1 schematisch Darstellung der Funktionsweise des Zweiwegeffekts in einer Formgedächtnislegierung;

Fig. 2 schematische Darstellung der Funktionsweise einer Formgedächtnislegierung, die neben der aktiven martensitischen/austenitischen Phase eine linear superelastische Phase enthält;

Fig. 3 Spannungs-Dehnungsverlauf einer Formgedächtnislegierung im martensitischen Zustand;

Fig. 4 Spannungs-Dehnungsverlauf eines linearen Superelasten in einer Ni-Ti-Legierung;

Fig. 5 schematische Darstellung der Anordnung zum Einbringen gezielter Deformationen in die Formgedächtnislegierung;

Fig. 6a, 6b schematische Darstellung des Halbzeuges bestehend aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt im kalten bzw. warmen Zustand; und

Fig. 7 Beispiel der Verformung eines ringförmigen SMA-Elements bestehend aus einem Ni-Ti- Draht mit 0.203 µm Durchmesser.

Zunächst wird das Prinzip des Zweiwegeffekts unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine stab-, band- oder drahtförmige Formgedächtnislegierung, im folgenden auch als SMA-Element bezeichnet. Das SMA-Element 1 ist im kalten, martensitischen Zustand unverformt und weist im Ausgangszustand 1a eine lineare Form auf. Das SMA-Element 1 wird im kalten, martensitischen Zustand unter Einwirkung einer Kraft über das Martensitplateau des in Fig. 3 dargestellten Spannungs-Dehnungsverlaufes hinaus verformt, um plastische Formänderungen durch Versetzungen in die Legierung einzubringen. Das SMA- Element 1 nimmt nach der Verformung die ringförmige Gestalt 1b ein. Erwärmt man die Legierung erfolgt ein Phasenübergang in den Austenit und nur ein Teil des reversiblen Formänderungsanteils geht aufgrund der eingebrachten Versetzungen zurück. Das ringförmige SMA-Element 1 geht nicht völlig in seinen Ausgangszustand 1a über sondern verkürzt sich nur zu einem gewissen Grad, so daß sich das ringförmige SMA-Element 1 öffnet. In dieser Position 1c ist der Krümmungsradius des SMA-Elements 1 größer, als im geschlossenen Zustand 1b. Bei Abkühlen in die Tieftemperaturphase Martensit führen die vorliegenden elastischen Spannungsfelder um die Versetzungen zu Martensitvarianten, die die Legierung in die gewünschte Tieftemperaturform umwandeln. Das SMA-Element 1 nimmt wieder die Form 1b ein. Aufgrund des irreversiblen Anteils erfolgt also die Umwandlung vom kalten, geschlossenen, ringförmigen Zustand 1b in die geöffnete Form 1c und wieder zurück in den geschlossenen Zustand 1b. Der Zyklus kann nur dann mehrfach durchlaufen werden, wenn die Formgedächtnislegierung zuvor trainiert wurde; d. h. wenn die Formgedächtnislegierung die Verformung zuvor mehrfach durchlaufen hat, so daß sich die Formgedächtnislegierung bei Abkühlen bzw. Erwärmen an die jeweilige Form erinnert; oder eine zusätzlich Kraft von außen auf die Formgedächtnislegierung einwirkt.

Fig. 2 zeigt schematisch die Funktionsweise einer Formgedächtnislegierung, die neben der im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten aktiven martensitischen/austenitischen Phase eine zusätzlich lineare superelastische Phase aufweist. Das SMA-Element 1, das einen linearen Ausgangszustand 1a aufweist, wird im kalten, martensitischen Zustand verformt. Durch diese Verformung werden analog zu dem in Fig. 1 beschriebenen Fall plastische Formänderungen in der Legierung erzeugt. Jedoch wird bei diesem Verformungsschritt gleichzeitig eine linear superelastische Phase erzeugt. Der Spannungs-Dehnungsverlauf eines derartigen linearen Superelasten ist in Fig. 4 für eine Ni-Ti-Legierung dargestellt. Es ergeben sich Zug- und Druckspannungen in Längsrichtung des SMA-Elements, so daß dadurch eine Rückstellkraft innerhalb der Formgedächtnislegierung selbst erzeugt wird. Die Rückstellkraft ist in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie 2 schematisch angedeutet. Das SMA-Element 1 nimmt nach der Verformung im kalten, martensitischen Zustand die ringförmige Gestalt 1b an. Beim Übergang in die Hochtemperaturphase Austenit erinnert sich die Legierung an ihre ursprüngliche Form und das ringförmige SMA-Element 1 öffnet sich durch Zusammenziehen der Legierung. Dabei nimmt der Krümmungsradius des ringförmigen SMA-Elements 1 zu. Aufgrund des irreversiblen Anteils geht das SMA-Element 1 nicht in seine lineare Ausgangsposition 1a über, sondern in die geöffnete Position 1c. Beim anschließenden Abkühlen in die Tieftemperaturphase Martensit dehnt sich die Legierung unter Einwirkung der in der Legierung enthaltenen Rückstellkraft aus. Das ringförmige SMA-Element 1 schließt sich und geht in die Position 1b über. Diese Schließbewegung erfolgt gegen die an der Krümmungsinnenseite des SMA-Elements 1 verlaufenden Druckkräfte. Gleichzeitig bewirkt das Einwirken der Rückstellkraft im martensitischen Zustand eine Dehnung der Legierung, so daß der Zyklus beim Übergang von Martinsit in Austenit wieder erneut ablaufen kann. Beim Phasenübergang in den Austenit erinnert sich die Legierung an ihre ursprüngliche Form und verkürzt sich. Das ringförmige SMA- Element 1 öffnet sich gegen die auf der Krümmungsradiusaußenseite des SMA-Elements 1 verlaufenden Zugkräfte. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 diskutierten üblichen Zweiwegeffekten, ist durch die in Fig. 2 beschriebene Kombination aktive martensitische/austenitische Phase und linear superelastische Phase, was einen gradienten Werkstoff darstellt, eine Vereinfachung erzielt. Aufgrund der in die Formgedächtnislegierung eingebrachten linear superelastische Phase und die dadurch erzeugte Rückstellkraft wird die Kraft, die zur Dehnung der Legierung beim Phasenübergang Austenit/Martensit erforderlich ist, von der Legierung selbst bereitgestellt, so daß keine äußere Kraft oder ein Training erforderlich ist. Die Phasenumwandlung Martensit/Austenit kann mit hoher Zykluszahl zuverlässig wiederholt werden.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, wird neben der im kalten Zustand der Formgedächtnislegierung vorliegenden martensitischen Phase eine linear superelastische Phase in die Legierung eingebracht. Dies erfolgt durch einen einzigen Deformationsschritt, durch den auch gleichzeitig die pseudoplastisch oder plastische Verformung der martensitischen Phase erzeugt wird. Alternativ kann die Verformung für die jeweilige Phase auch in getrennten Schritten erfolgen, worauf hier jedoch nicht detailliert eingegangen wird.

Im Zusammenhang mit Fig. 5 wird nun erläutert, wie die linear superelastische Phase in die Formgedächtnislegierung eingebracht wird. Eine stab-, band- oder drahtförmige Formgedächtnislegierung 1 wird im kalten, martensitischen Zustand mit Hilfe eine Transporteinrichtung 3 über einen Dorn 4 geführt und mit einer Last 4 belastet. Das SMA- Element 1 wird dabei mit einer Krümmung über den Dorn 4 geführt. Die Belastung erfolgt in Längsrichtung des stab-, band- oder drahtförmigen SMA-Elements 1, dessen Längserstreckung wesentlich größer als dessen Querschnittabmessung ist. Das Ziehen über den Dorn 4 kann auch manuell durch Einwirkung von Muskelkraft erfolgen oder in anderer geeigneter Weise. Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist nur ein Beispiel und eine Vielzahl von anderen Möglichkeiten sind denkbar, um die entsprechende Streckung bzw. Deformation des SMA-Elements 1 zu erzielen.

Durch ein einmaliges Ziehen des SMA-Elements 1 in dessen Längsrichtung über den Dorn 4 wird die Formgedächtnislegierung 1 derart deformiert, daß eine linear superelastische Phase in der Formgedächtnislegierung erzeugt wird. Der Spannungs-Dehnungsverlauf einer derartigen linear superelastischen Phase in einer Ni-Ti-Legierung ist Fig. 4 dargestellt. Es ergeben sich innerhalb der Formgedächtnislegierung entsprechende Zug- und Druckspannungsverteilungen. Dies wird an Hand der Fig. 6a und 6b näher erläutert.

Fig. 6a und 6b zeigen ein Halbwerkzeug, das aus einer Formgedächtnislegierung besteht, die den im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Zweiwegeffekt aufweist. Das Halbzeug besteht aus einem gekrümmten Abschnitt einer gezielt deformierten stab-, band- oder drahtförmigen Formgedächtnislegierung. Nach dem Verformungsschritt wurden gekrümmte Bereiche derart herausgeschnitten, daß sich die in Figa. 6a nahezu geschlossene Ringform im kalten Zustand ergibt. Die Halbzeuge können in unterschiedlicherweise in bereits bestehende Gewebe integriert werden, die dann beispielsweise ein Verbindungs- oder Verhakungselement darstellen. Auch ein separates Aneinanderreihen einer Vielzahl derartiger Schlingen bzw. Häken auf einer entsprechenden Unterlage ist möglich.

Fig. 6a zeigt das Halbzeug in einer nahezu geschlossenen, ringförmigen Form im kalten, martensitischen Zustand. Aufgrund der eingebrachten Deformation ergeben sich an der Krümmungsaußenseite des Halbzeugs Zugkräfte und an der Krümmungsinnenseite Druckkräfte, wie in Fig. 6a und 6b jeweils durch gestrichelte Linien dargestellt. Das in Fig. 6a und 6b dargestellte gekrümmte SMA-Halbzeug weist somit an den Umfangsaußenseiten eine linear superelastische Phase und im Mittelbereich eine aktive martensitische/austenitische Phase auf. Aktive martensitische/austenitische Phase bedeutet, daß dies die Phase der Formgedächtnislegierung ist, die bei der temperaturbedingten Phasenumwandlung vom martensitischen in den austenitischen Zustand und umgekehrt übergeht. Es ist somit dieser Mittelbereich, der die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Verformung durchführt. Der Außenbereich, nämlich die linear superelastische Phase, liefert dabei die zur Verformung vom austenitischen in martensitischen Zustand erforderliche Rückstellkraft. Die martensitische Phase geht also beim Erwärmen in die Hochtemperaturphase Austenit über und das ringförmige SMA- Halbzeug öffnet sich unter Verkürzung der Legierung. Beim anschließenden Abkühlen erfolgt eine Dehnung unter Einwirkung der Rückstellkraft. Das ringförmige SMA-Halbzeug schließt sich unter kleiner werdendem Krümmungsradius. Der Öffnungs-/Schließmechanismus kann mehrfach mit hoher Effektstabilität durchlaufen werden.

Neben dem Ziehen der stab-, band- oder drahtförmigen Formgedächtnislegierung über einen Dorn und anschließendes Schneiden und Positionieren der gekrümmten SMA-Abschnitte kann der Deformationsvorgang auch beispielsweise beim Einweben in vorgegebene Strukturen automatisch erzeugt werden. Hierzu wird ein einzuwebender SMA-Draht über Lanzetten geführt, so daß einerseits durch das Streifen über die Lanzetten die lineare superelastische Phase in das Material eingebracht wird und gleichzeitig die Legierung in der martensitischen Phase über das Martensitplateau hinaus verformt wird. Somit weist die dann eingewobene Formgedächtnislegierung den im Zusammenhang mit Fig. 2 diskutierten Zweiwegeffekt auf, so daß die Formgedächtnislegierung durch Temperaturänderung in entsprechende Verformungszustände übergeht.

Derartige Halbzeuge und das entsprechende Verfahren können zum Beispiel beim Herstellen von lösbaren Klettverschlüssen verwendet werden. Hierbei können einzelne, in Fig. 6a und 6b dargestellte ringförmige SMA-Elemente von Hand in bestehende Gewebekomponenten von Klettverschlüssen eingearbeitet werden, so daß ein Lösen oder Schließen des Verschlusses unter Einwirkung einer Temperaturänderung möglich ist. Das Einarbeiten kann aber auch automatisch beim Weben der Gewebestrukturen erfolgen. In diesem Fall ist das Halbzeug der über die Lanzetten gesteifte Formgedächtnislegierungsdraht.

Beispiel

Ein Draht aus einer Ni-Ti-Legierung (54,76 wt% Nickel, 45,23 wt% Titan, Kohlenstoffanteil und Sauerstoffanteil kleiner 500 ppm) mit einem Durchmesser von 0,203 µm wurde einmal über einen Dorn mit 1 mm Durchmesser gezogen. Daraufhin nahm der Draht eine sprialförmige Gestalt an. Anschließend wurde der Draht so geschnitten, daß man geschlossene Drahtschlaufen bzw. -häken erhält. Anschließend wurden ringförmigen Häken auf einer Unterlage befestigt. In Fig. 7 sind zwei derartige nahezu geschlossene Häken dargestellt. Wird der Ni-Ti-Draht erwärmt, erinnert sich die Legierung an ihre ursprüngliche Form und geht unter Verformung in die austenitische Phase über. In diesem Fall verkürzt sich der Draht bei dieser Phasenumwandlung, so daß sich der Krümmungsradius vergrößert und eine Öffnung zwischen der zuvor fast geschlossenen Häken entsteht. Der Öffnungswinkel beträgt in dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel 30,8° und 26°. Dabei haben die Drahtenden einen Abstand von 2,58 mm bzw. 2,19 mm. Beim erneuten Abkühlen geht der Draht wieder in die Tieftemperaturphase Martensit über, wobei sich aufgrund der Längenausdehnung unter Einwirkung der in der Legierung enthaltenen Rückstellkraft eine geschlossene Position mit kleinerem Krümmungsradius ergibt.

Claims (14)

1. Halbzeug aus einer Formgedächtnislegierung mit einem Zweiwegeffekt, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierung neben der aktiven martensitischen/austenitischen Phase eine linear superelastische Phase aufweist, wodurch eine Rückstellkraft in der Formgedächtnislegierung entsteht, so daß unter Einwirkung dieser Rückstellkraft die Formgedächtnislegierung den Verformungszyklus bei der Phasenumwandlung Austenit/Martensit mehrfach durchläuft.

2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die linear superelastische Phase an der Querschnittsaußenseite des Halbzeuges befindet, und daß sich die aktive martensitische/austenitische Phase im Querschnittsmittelbereich des Halbzeuges befindet, wobei die martensitische Phase beim Erwärmen unter Verformung der Formgedächtnislegierung in die austenitische Phase übergeht und beim Abkühlen unter Zurückverformung der Formgedächtnislegierung durch Einwirkung der Rückstellkraft in die martensitische Phase zurückgeht.

3. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierung Spannungsverteilungen aufweist, so daß sich Zug- und Druckkräfte bilden, die zu einer Krümmung des Halbzeuges führen.

4. Halbzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkräfte an der Krümmungsaußenseite und die Druckkräfte an der Krümmungsinnenseite des Halbzeuges verlaufen.

5. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierung eine Legierung ist, die in der Lage ist, einen Zweiwegeffekt aufzuweisen.

6. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierung aus 54,76 wt% Nickel und 45,23 wt% Titan besteht.

7. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im kalten, martensitischen Zustand eine nahezu geschlossene, ringförmige Form aufweist und beim Erwärmen in die Hochtemperaturphase Austenit unter Verkürzung der Formgedächtnislegierung übergeht, so daß sich das Halbzeug öffnet, und beim Übergang in die Tieftemperaturphase Martensit sich unter Einwirkung der Rückstellkraft ausdehnt und in die nahezu geschlossene, ringförmige Form zurückgeht, so daß sich das Halbzeug schließt.

8. Halbzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es im kalten, martensitischen Zustand einen kleineren Krümmungsradius als im warmen, austenitischen Zustand aufweist.

9. Verfahren zum Herstellen eines Halbzeuges aus einer Formgedächtnislegierung mit einem Zweiwegeffekts, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Deformationsschritt, der in der Tieftemperaturphase Martensit durchgeführt wird, in der Formgedächtnislegierung neben der aktiven martensitischen/austenitischen Phase eine lineare superelastische Phase erzeugt wird, wodurch eine Rückstellkraft in die Legierung eingebracht wird, so daß unter Einwirkung dieser Rückstellkraft ein mehrfaches Durchlaufen des Verformungszyklus der Formgedächtnislegierung bei der Phasenumwandlung Austenit/Martensit gewährleistet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierung derart deformiert wird, daß sich die lineare superelastische Phase an der Querschnittsaußenseite des aus der Formgedächtnislegierung bestehenden Halbzeuges bildet, und daß sich im kalten Zustand die martensitische Phase im Querschnittsmittelbereich des Halbzeuges befindet, wobei die martensitische Phase beim Erwärmen unter Verformung der Formgedächtnislegierung in die austenitische Phase übergeht und beim Abkühlen in martensitische Phase sich die Formgedächtnislegierung durch Einwirkung der Rückstellkraft zurückverformt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch Deformation Spannungsverteilungen in die Formgedächtnislegierung eingebracht werden, so daß sich Zug- und Druckkräfte bilden, die zu einer Krümmung des Halbzeuges führen.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine stab-, band- oder drahtförmige Formgedächtnislegierung im kalten, martensitischen Zustand über einen Dorn gezogen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierung nach dem Ziehen über den Dorn in einzelne, gekrümmte Abschnitte zerschnitten wird, ohne daß dadurch die in die Formgedächtnislegierung eingebrachten Spannungsverteilungen beeinflußt werden, und daß die gekrümmten Abschnitte auf einer Unterlage befestigt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine drahtförmige Formgedächtnislegierung während des Einwebens in Gewebestrukturen über Lanzetten gezogen wird.