DE102008026386A1

DE102008026386A1 - Tragende Strukturen mit abstimmbarer Impedanz

Info

Publication number: DE102008026386A1
Application number: DE102008026386A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson; Nilesh D. Ann Arbor Mankame; Paul W. Ypsilanti Alexander; Hanif Ann Arbor Muhammad; Kenneth A. Washington Strom; James W. Rochester Hills Wells
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2009-02-19
Also published as: CN101319750A; CN101319750B; US8205445B2; US8448436B2; US20120161921A1; US20110061310A1; US20080302024A1

Abstract

Eine tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz umfasst eine Stütze, die ein aktives Material umfasst, das ausgebildet ist, um eine Last abzustützen, wobei das aktive Material eine Änderung einer Eigenschaft erfährt, wenn es einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt ist, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam ist, um eine Impedanzeigenschaft der Stütze zu ändern.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein tragende Strukturen mit abstimmbarer Impedanz und im Spezielleren auf einem aktiven Material basierende, tragende Strukturen mit abstimmbarer Impedanz.
Tragende Strukturen wie z. B. Balken, Säulen, Schienen, Kabel, Platten, Bügel und dergleichen sind typischerweise konstruiert, um verschiedenen statischen und dynamischen äußeren und inneren Kräften und Momenten standzuhalten, wobei sie ihre Form und Position innerhalb akzeptabler Verformungstoleranzen beibehalten. Eine kritische Eigenschaft dieser strukturellen Anwendungen ist die Steifigkeit. Derzeit können die Steifigkeitseigenschaften einer vorhandenen tragenden Struktur verbessert werden, indem die Strukturgeometrie und/oder -materialien optimiert werden, um für bestimmte Belastungszustände geeignet zu sein (z. B. Schaumstoff, der hohle Querschnitte einer tragenden Struktur ausfüllt). Für dynamische Anwendungen können die Dämpfungseigenschaften des Materials eine bedeutendere Rolle spielen. Im Fall einer tragenden Struktur, die eine Schwingungsanregung erfährt, können die Dämpfungseigenschaften der Struktur optimiert werden, sodass ihr Leistungsvermögen ausgezeichnet ist, wenn sie bei einer einzigen Frequenz angeregt wird. Das verbesserte Leistungsvermögen dieser Strukturen ist jedoch um einen spezifischen Satz von Belastungszuständen herum ausgelegt. Es kann sein, dass die Struktur als solche unter Belastungszuständen außerhalb des Satzes von spezifischen Zuständen, auf den bei der Konstruktion und Herstellung der Struktur das Hauptaugenmerk gerichtet war, nicht die gewünschte Leistung erbringt.
Darüber hinaus können die speziellen zum Zeitpunkt der Herstellung und/oder des Einbaus gewünschten Eigenschaften der tragenden Struktur in bestimmten Situationen, d. h. unter Umständen, unter denen völlig andere tragende Eigenschaften vorteilhaft wären, tatsächlich nachteilig sein. Ein Beispiel solch einer Situation, die nicht einschränkend sein soll, könnte in der Automobilindustrie vorliegen, wo tragende Strukturen konstruiert sind, um auf eine relativ starre Weise während eines normalen Betriebes zu arbeiten, während außergewöhnlicher Umstände wie z. B. bei einem Aufprallereignis möglicherweise jedoch eine wesentlich nachgiebigere oder eine wesentlich steifere Struktur vorzuziehen sein kann. Tragende Strukturen nach dem Stand der Technik sind nicht in der Lage, solche signifikanten Änderungen von Eigenschaften vorzunehmen, nachdem diese Strukturen einfach ein festes Ansprechen bereitstellen, das den zum Zeitpunkt der Konstruktion in Erwägung gezogenen Eigenschaften innewohnt. Anders ausgedrückt, derzeitige tragende Strukturen sind nicht abstimmbar.
Demgemäß besteht Bedarf an einer verbesserten tragenden Struktur. Es wäre wünschenswert, wenn solch eine verbesserte tragende Struktur abstimmbare Impedanzeigenschaften besäße, d. h., in der Lage wäre, strukturelle und/oder materielle Eigenschaften verschiedentlich zu andern, um sich ändernden Belastungsanforderungen zu entsprechen und das Leistungsvermögen über einen weiteren Bereich von Betriebsbedingungen zu verbessern.
Kurzzusammenfassung
Hierin sind tragende Strukturen mit abstimmbarer Impedanz offenbart, die ein aktives Material umfassen. In einer Ausführungsform umfasst eine tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz eine Stütze, die ein aktives Material umfasst, welches ausgebildet ist, um eine Last abzustützen, wobei das aktive Material eine Änderung einer Eigenschaft erfährt, wenn es einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt ist, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam ist, um eine Impedanzeigenschaft der Stütze zu ändern.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz eine Stütze, die ausgebildet ist, um eine Last abzustützen, umfassend einen oberen Abschnitt mit einer ersten ebenen Fläche und einer zweiten ebenen Fläche, wobei ein schräges Balkenelement zwischen der ersten ebenen Fläche und der zweiten ebenen Fläche angeordnet ist, eine erste Scheibe mit einem aktiven Material in physikalischer Verbindung mit der zweiten ebenen Fläche des oberen Abschnitts, wobei das aktive Material eine Änderung einer Eigenschaft erfährt, wenn es einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt ist, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam ist, um eine Nachgiebigkeitseigenschaft der Stütze zu andern, und eine zweite Scheibe in physikalischer Verbindung mit der ersten Scheibe.
Ein Verfahren zum Ändern einer Impedanzeigenschaft einer tragenden Struktur umfasst die Schritte, dass eine tragende Struktur zwischen einem Substrat und einer Last angeordnet wird, wobei die tragende Struktur eine Stütze umfasst die ausgebildet ist, um die Last abzustützen, wobei die Stütze ein aktives Material umfasst, und das aktive Material akti viert wird, um eine Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials zu bewirken, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam ist, um eine Impedanzeigenschaft der tragenden Struktur zu andern.
Die Offenlegung ist durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der verschiedenen Merkmale der Offenlegung und der darin enthaltenen Beispiele besser verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig., in denen gleiche Elemente gleich bezeichnet sind, ist:
1 eine Veranschaulichung einer perspektivischen Darstellung einer Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz, die (a) eine tragende Struktur in einem Standard-Zustand und (b) eine aktivierte tragende Struktur zeigt;
2 eine Veranschaulichung einer perspektivischen Darstellung einer Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz, die (a) eine tragende Struktur in einem Standard-Zustand und (b) eine tragende Struktur in einem aktivierten Zustand zeigt;
3 eine Veranschaulichung einer perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz, die (a) eine tragende Struktur in einem Standard-Zustand und (b) eine aktivierte tragende Struktur zeigt; und
4 eine Veranschaulichung einer perspektivischen Darstellung einer Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz, die (a) eine tragende Struktur in einem Standard-Zustand und (b) eine aktivierte tragende Struktur zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Hierin sind auf einem aktiven Material basierende tragende Strukturen mit abstimmbarer Impedanz und Verfahren zum Verwenden von tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz offenbart. Im Gegensatz zu tragenden Strukturen nach dem Stand der Technik weisen die hierin offenbarten tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz Abschnitte auf, die vollständig aus aktiven Materialien gebildet oder hergestellt sind. Die offenbarten tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz verwenden vorteilhafterweise aktive Materialien, um eine Impedanzeigenschaft der Tragstruktur verschiedentlich zu ändern, z. B. zur Änderung einer Nachgiebigkeits- oder Dämpfungseigenschaft. Die Fähigkeit, die Impendanzeigenschaften verschiedentlich zu ändern, erhöht die Funktionalität der offenbarten tragenden Strukturen, indem die Fähigkeit verbessert ist, den Anforderungen an verschiedene Belastungszuständen und/oder -situationen zu entsprechen. Wie hierin verwendet, soll der Begriff „tragende Strukturen" ohne Einschränkung Balken, Säulen, Schienen, Kabel, Platten, Bügel, Verbinder, Halterungen, Abstandhalter, Ösen und dergleichen umfassen, die verwendet werden könnten, um eine Abstützung für eine äußere oder innere Belastung bereitzustellen. Der Begriff „aktives Material", wie hierin verwendet, bezieht sich allgemein auf ein Material, das eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. ohne Einschränkung eine Änderung eines Elastizitätsmoduls, einer Form, einer Abmessung, einer Pha senänderung, einer Komponentenposition oder einer Formorientierung zeigt, wenn es einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt ist. Geeignete aktive Materialien umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen („SMAs"; z. B. thermisch und durch Spannung aktivierte Formgedächtnislegierungen und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA)), elektroaktive Polymere (EAPs) wie z. B. dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramiken) und Formgedächtnispolymere (SMPs), Formgedächtniskeramiken (SMCs), Baroplastik, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), Verbundstoffe der vorhergehenden aktiven Materialien mit nicht aktiven Materialien, Systeme, die mindestens eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen, und Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen. Abhängig von dem bestimmten aktiven Material kann die Aktivierungsbedingung die Form eines Aktivierungssignals besitzen, das ohne Einschränkung ein elektrischer Strom, eine Temperaturänderung, ein magnetisches Feld, ein chemisches Aktivierungssignal, eine mechanische Belastung oder Spannung und dergleichen sein kann.
Wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „erste/r/s", „zweite/r/s" und dergleichen auch keinerlei Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern dienen vielmehr dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „der/die/das", „ein/e" bezeichnen keine Beschränkung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Darüber hinaus schließen alle Bereiche, die sich auf dieselbe Menge einer vorhandenen Komponente oder eine Abmessung beziehen, die Endpunkte ein und sind einzeln kombinierbar.
Wendet man sich nun 1 zu, ist eine beispielhafte Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz 10 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform besitzt eine Stütze 12 die Form eines einseitig eingespannten Balkens, es ist jedoch einzusehen, dass die Struktur jede Form besitzen kann, die zum Abstützen einer Last geeignet ist, wie die oben beschriebenen. Auch ist in dieser Ausführungsform die gesamte Stütze, d. h. der einseitig eingespannte Balken 12, aus einem aktiven Material, z. B. einem SMP gebildet. Der einseitig eingespannte Balken 12 steht in physikalischer Verbindung mit einem Substrat 14. Eine Kraft 16 wie z. B. eine äußere Belastung steht in physikalischer Verbindung mit einem freien Ende des einseitig eingespannten Balkens 12.
Im Betrieb verschiebt sich der einseitig eingespannte Balken 12 um einen Abstand Δ_a, wenn er der Spitzenkraft 16 unterworfen wird, wie in 1(a) gezeigt. Wenn das aktive Material des einseitig eingespannten Balkens 12 einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt ist, verschiebt sich der einseitig eingespannte Balken 12 um einen Abstand Δ_b, wenn er derselben Spitzenkraft 16 unterworfen wird, wie in 1(b) gezeigt. Wenn das aktive Material aktiviert wird, erfährt das Material eine Änderung einer Eigenschaft, z. B. eines Elastizitätsmoduls. In diesem Fall wird der Modul des aktiven Materials herabgesetzt; wie in 1 ersichtlich, ist daher der Verschiebungsabstand Δ_b größer als der Abstand Δ_a, wenn dieselbe Kraft 16 aufgebracht wird. Umgekehrt wäre eine viel kleinere Spitzenkraft erforderlich, um den einseitig eingespannten Balken 12 um einen Abstand Δ_a zu verschieben, wenn das aktive Material einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird. Eine optionale Aktivierungsvorrichtung 18 steht in funktioneller Verbindung mit der tragenden Struktur 10 und ist ausgebildet, um das Aktivierungssignal selektiv an das aktive Material zu liefern.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz 50. Die Stütze 52 besitzt wiederum ohne Einschränkung die Form eines einseitig eingespannten Balkens. In dieser Ausführungsform weist die Stütze 52 jedoch einen Bereich, z. B. eine Verbindungsstelle 54 auf, der/die anstelle der gesamten Stütze aus einem aktiven Material gebildet ist. Der einseitig eingespannte Balken 52 weist daher drei Bereiche auf. Ein erster Abschnitt 56 steht in physikalischer Verbindung mit einem Substrat 14 und der Verbindungsstelle 54 aus dem aktiven Material, die den zweiten Abschnitt bildet. Ein dritter Abschnitt 58 bildet das Ende des einseitig eingespannten Balkens 52 und steht in physikalischer Verbindung mit der Verbindungsstelle 54 aus dem aktiven Material. Eine Kraft 60 wie z. B. eine äußere Belastung steht in physikalischer Verbindung mit dem freien Ende des zweiten Abschnitts 58 des einseitig eingespannten Balkens 52.
Im Betrieb verschiebt sich der einseitig eingespannte Balken 52 um einen Abstand Δ_a, wenn er der Spitzenkraft 60 unterworfen wird, wie in 2(a) gezeigt. In diesem Zustand, d. h., wenn das aktive Material nicht aktiviert ist, biegt sich der einseitig eingespannte Balken 52 auf dieselbe Weise wie ein homogener Balken durch. Die Verformung wird entlang der gesamten Länge des Balkens 52 verteilt, um diesen um einen Abstand Δ_a zu verschieben. Wenn das aktive Material der Verbindungsstelle 54 einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird, verschiebt sich der einseitig eingespannte Balken 52 um einen Abstand Δ_b, wenn er derselben Kraft 60 unterworfen wird, wie in 2(b) gezeigt. Wenn das Material der Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird, erfährt es eine Änderung einer Eigenschaft, z. B. eines Elastizitätsmoduls. In diesem Fall wird der Modul der Verbindungsstelle 54 aus einem aktiven Material auf einen Wert herabgesetzt, der unter dem des ersten und des dritten Abschnitts 56, 58 liegt; daher verformt sich Verbindungsstelle 54 lokal, wie in 2(b) ersichtlich.
Die lokale Verformung der Verbindungsstelle 54 aus dem aktiven Material erzeugt eine viel größere Balkendurchbiegung als ohne Aktivierung des aktiven Materials und infolgedessen kommt es zu nahezu keiner Verformung des nicht aktiven ersten Abschnitts 56 und dritten Abschnitts 58.
Die beiden tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz von 1 und 2 sind Ausführungsformen, bei denen aktive Materialien an strategischen Punkten innerhalb der tragenden Struktur angeordnet sind, um zu steuern, wie und wo sich die Struktur verformen wird. Wendet man sich nunmehr 3 zu, ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz 100 veranschaulicht, wobei die Änderung einer Eigenschaft eines aktiven Materials den Grad und/oder die Richtung einer Verformung steuert. In dieser Ausführungsform besitzt die Stütze 102 die Form einer veränderbar nachgiebigen Säule. Die Säule 102 umfasst einen oberen Abschnitt 110 mit einer ersten ebenen Fläche 112 und einer zweiten ebenen Fläche 114. Schräge Balken 116 sind zwischen der ersten ebenen Fläche 112 und der zweiten ebenen Fläche 114 angeordnet. Eine erste Scheibe 118 ist aus einem aktiven Material gebildet und steht in physikalischer Verbindung mit der zweiten ebenen Fläche 114 und einer zweiten Scheibe 120. Die zweite Scheibe 120 ist an einem Substrat 14 befestigt. Eine Kraft 122 wie z. B. eine äußere Druckbelastung steht in physikalischer Verbindung mit dem oberen Abschnitt 110 der abstimmbaren Impedanzsäule 102.
Im Betrieb verschiebt sich die Säule 102 um einen Abstand Δ_a, wenn sie der Druckbelastung 122 unterworfen wird, wie in 3(a) gezeigt. In diesem Zustand, d. h., wenn das aktive Material nicht aktiviert ist, liegen vernachlässigbare Verformungen innerhalb der ebenen Flächen 112 und 115 und der Scheiben 118 und 120 vor. Die schrägen Balken 116 biegen sich in eine „S"-Form. In diesem deaktivierten Zustand verleiht der Modul der Säule der Struktur die Steifigkeit, die in der Lage ist, der Kraft 122 standzuhalten. Wenn das aktive Material der ersten Scheibe 118 einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird, verschiebt sich die Säule 100 um einen Abstand Δ_b, wenn sie derselben Kraft 122 unterworfen wird, wie in 3(b) gezeigt. Wenn das Material der Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird, erfährt es eine Änderung einer Eigenschaft, z. B. eines Elastizitätsmoduls. Der Modul der Scheibe 118 aus dem aktiven Material wird auf einen Wert unter jenem der anderen Säulenkomponenten herabgesetzt. Wenn die Druckkraft 112 auf die Säule 100 in diesem aktivierten Zustand aufgebracht wird, handelt es sich um eine Torsionsverformung. Die aktivierte erste Scheibe 118 lässt zu, dass sich die zweite ebene Fläche 114 relativ zu der ersten ebenen Fläche 112 dreht, was dazu führt, dass die schrägen Balken 116 übereinanderklappen. Solch eine Verformungsrichtung setzt die Gesamtsteifigkeit der Säule 102 herab und führt zu einer Verschiebung Δ_b, die größer ist als die von Δ_a.
In 4 ist eine noch weitere beispielhafte Ausführungsform einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz 150 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform ist eine Änderung einer Eigenschaft eines aktiven Materials in der Lage, den Belastungspfad innerhalb der tragenden Struktur zu andern. Die Stütze 151 ist aus einem ebenen Element 152 zusammengesetzt, das an einem Substrat 14 befestigt ist und in physikalischer Verbindung mit einem abgewinkelten Element 154 steht. Beide Elemente können aus einem nicht aktiven Material wie z. B. Stahl gebildet sein. An einem Ende sind das ebene Element 152 und das abgewinkelte Element 154 starr verbunden. Die beiden Elemente können durch eine Schweißnaht, einen Kleber, einen Bolzen, einen Stift und dergleichen verbunden sein. An dem freien Ende der Elemente 152 und 154 ist ein Stift 156, der aus einem aktiven Material gebildet ist, in einer ersten Öffnung 153 des ebenen Elements 152 und einer zweiten Öffnung 155 des abgewinkelten Elements 154 angeordnet. Der Stift 156 steht in funktioneller Verbindung mit dem ebenen Element 152 und dem abgewinkelten Element 154. Eine Kraft 158, wie z. B. eine äußere Belastung, steht in physikalischer Verbindung mit der Stütze 151.
Im Betrieb verschiebt sich die tragende Struktur 150 um einen Abstand Δ_a, wenn sie der Kraft 158 unterworfen wird, wie in 4(a) gezeigt. Wenn sich der Stift 156. aus dem aktiven Material in einem deaktivierten Zustand befindet, weist er eine Festigkeit auf, die in der Lage ist, der Kraft 158 standzuhalten und die Verbindung zwischen dem ebenen Element 152 und dem abgewinkelten Element 154 zu halten. In diesem Zustand tritt bei dem abgewinkelten Element 154 nur ein geringer Betrag an Durchbiegung, Δ_a, auf, da der Großteil der Kraft durch das obere ebene Element 152 abgestützt wird. Wenn das aktive Material des Stiftes 156 einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird, fällt die Festigkeit des Stiftes 156 drastisch ab, wodurch zugelassen wird, dass dieselbe Kraft 122 ein Versagen des Stiftes 156 auslöst. Infolge des Versagens wird der Belastungspfad der Struktur 150 durch das untere abgewinkelte Element 154 umgeleitet, das sich um einen Abstand Δ_b durchbiegt, der wesentlich größer ist als Δ_a, wie in 3(b) gezeigt. Zusammengefasst ist die Komponente aus dem aktiven Material der tragenden Struktur in dieser Ausführungsform angeordnet, um den Belastungspfad innerhalb der Struktur zu verändern, wenn diese einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird. In ähnlicher Weise könnte ein nicht aktiver Stift unter Verwendung eines aktiven Materials betätigt werden, was zu derselben Änderung in dem Belastungspfad der Struktur führt.
Wie oben verwendet, werden die Abstände „Δ_a ^„ und „Δ_b ^„ verwendet, um den Unterschied zwischen dem Durchbiegungsabstand einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz in einem deaktivierten und einem Durchbiegungsabstand in einem aktivierten Zustand zu zeigen. Die Bezeichnungen „Δ_a" und „Δ_b" werden nur der Einfachheit halber für jede Fig. verwendet und sollen keine gleichen Durchbiegungsabstände für jede einzelne Ausführungsform der tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz darstellen. Darüber hinaus sind die oben offenbarten tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz nur beispielhafte Ausführungsformen von möglichen tragenden Strukturen und sollen die oben offenbarten Konstruktionen nicht einschränken. Die tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz können in jeder beliebigen geeigneten Form ausgebildet sein. Auch können die tragenden Strukturen eine einzelne Komponente aus einem aktiven Material oder mehrere Komponenten aus einem aktiven Material aufweisen, wobei jede Komponente aus einem aktiven Material ausgebildet ist, um eine Steifigkeit zu ändern, eine Deformationsinitialisierungsstelle zu erzeugen, einen Grad, eine Richtung oder eine bevorzugte Art von Verformung zu ändern, einen Belastungspfad innerhalb der Struktur zu verändern, jede beliebige Kombination aus den vorhergehenden und dergleichen einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz aufweisen. Die Fähigkeit der auf einem aktiven Material basierenden tragenden Strukturen, sich an sich ändernde Belastungen und Situationen anzupassen und diesen zu entsprechen kann in vielen Anwendungen, wie z. B. bei Kraftfahrzeugen, in der Luftfahrt, bei statischen Strukturen und dergleichen vorteilhaft sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In einem noch weiteren Betriebsmodus können die oben offenbarten tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz auch Ausrichtungs- und Sperrfähigkeiten bereitstellen, die in Anwendungen wie z. B. bei Fahrzeugherstellungs- und Montageverfahren nützlich sind. Die auf einem aktiven Material basierende tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz kann z. B. während des Fahrzeugmontageverfahrens aktiviert werden, um dadurch z. B. den Modul herabzusetzen und zuzulassen, dass ein Fahrzeug-Karosserieblech, das durch die tragende Struktur abgestützt wird, in Bezug auf einen Fahrzeugrahmen positioniert/ausgerichtet wird. Während es sich in dieser neu ausgerichteten Position befindet, wird ein Abkühlen des aktiven Materials der tragenden Struktur bewirken, dass das aktive Material steif wird, die tragende Struktur in der neu ausgerichteten Position sperrt und einen Pfad bereitstellt, um eine statische Belastung auf/von dem Schutzblech zu dem Fahrzeugrahmen zu übertragen. Diese Fähigkeit lässt zu, die Fahrzeugkarosserie über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges reversibel neu auszurichten.
Wenn das aktive Material einer tragenden Struktur einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird, erfährt das aktive Material eine Änderung einer Eigenschaft. Die geänderte Eigenschaft kann eine Formänderung, eine Änderung der Formorientierung, eine Phasenänderung, eine Moduländerung, eine Festigkeitsänderung, eine Abmessungsänderung oder eine beliebige Kombination aus den vorhergehenden sein, ohne darauf beschränkt zu sein. Die resultierende Änderung der Eigenschaft des aktiven Materials erzeugt eine Änderung einer Impedanzeigenschaft der tragenden Struktur. Solch eine Änderung einer Nachgiebigkeitseigenschaft kann ohne Einschränkung eine Änderung der Steifigkeit, eine Änderung des Dämpfungsvermögens, eine Änderung der Fließgrenze, eine Änderung des Kraft/Verformungsverhaltens, eine Änderung der Tragfähigkeit, eine Änderung des Energieabsorptionsvermögens, jede beliebige Kombination aus den vorhergehenden und dergleichen sein.
Das aktive Material kann auf verschiedene Arten einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt werden. Eine Aktivierungsvorrichtung kann verwendet werden, um ein Aktivierungssignal, z. B. ein thermisches Signal, an das aktive Material zu übertragen. Die Aktivierungsvorrichtung kann Sensoren enthalten, die die Aktivierungsbedingung in Ansprechen auf ein vorbestimmtes Ereignis, auf aktuelle oder vorweggenommene Änderungen der Betriebsumgebung auslösen könnten oder eine direkte Aktivierung des Materials durch eine Benutzereingabe zulassen. Solch ein aktives System könnte auch die Option einer Rückführungsschleife vorsehen, wobei die Überwachung des Materialumwandlungsgrads, der geometrischen Änderung und der Strukturintegrität der tragenden Struktur möglich ist. Eine weitere Option könnte ein passives Aktivierungssystem sein, bei dem die Komponente aus einem aktiven Material einer tragenden Struktur durch äußere Umgebungsbedingungen wie z. B. einer lokalen Temperaturänderung aktiviert werden kann. Eine weitere Ausführungsform könnte sowohl ein passives als auch ein aktives Aktivierungssystem umfassen. Ein Beispiel könnte zulassen, dass bestimmte Elemente aus einem aktiven Material der Struktur passiv aktiviert werden und andere Elemente über eine Aktivierungsvorrichtung aktiviert werden. Ein weiteres Beispiel, das sowohl passive als auch aktive Systeme verwendet, könnte ein passives System zum Vorkonditionieren eines Elements aus einem aktiven Material und ein aktives System zum vollständigen Aktivieren des aktiven Materials umfassen. Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „vorkonditionieren" allgemein darauf, die zum Bewirken einer Verformung benötigte Energie zu minimieren. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird ein SMP als ein Beispiel verwendet, wobei das SMP bei einer Vorkonditionierungstemperatur genau unter der Glasübergangstemperatur gehalten werden kann. Auf diese Weise erfordert das Aktivierungssignal wie z. B. ein thermisches Aktivierungssignal eine minimale Energie, um eine thermische Umwandlung zu bewirken, da die Umwandlungstemperatur nur geringfügig höher ist als die Vorkonditionierungstemperatur. Als solches minimiert die Vorkonditionierung den Betrag an zusätzlicher Erwärmung und der Zeit, die notwendig sind, um eine Umwandlung des SMP zu bewirken und dadurch, falls gewünscht, ein schnelles Ansprechen in der Größenord nung von einigen wenigen Millisekunden vorzusehen. In einer bevorzugten Ausführungsform bewirkt die Vorkonditionierung keinerlei Umwandlung des SMP, sofern nicht bewusst geplant.
Wie angegeben erfolgt die Änderung von Impedanzeigenschaften einer tragenden Struktur mit abstimmbarer Impedanz dadurch, dass ein aktives Material einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt wird. Zum Beispiel ist in dem Fall einer tragenden Struktur mit einer SMP-Komponente ein thermisches Aktivierungssignal erforderlich, um die Temperatur des SMP zu ändern. Um die erforderliche Temperaturänderung zu erzeugen, kann das SMP durch Widerstand erwärmt, durch Strahlung erwärmt und/oder konduktiv erwärmt werden, indem solche Mittel verwendet werden, die die Leitung von einem Fluid höherer oder niedrigerer Temperatur (z. B. einem erwärmten Abgasstrom), eine Wärmeübertragung durch Strahlung, die Verwendung von Thermoelektrizität, eine Mikrowellenheizung und dergleichen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Es könnten verschiedene Steueralgorithmen auf der Basis einer Vielfalt an möglichen Sensoreingängen verwendet werden, um die thermische Aktivierung auszulösen. Es könnten verschiedene Formen von Sensoreingängen, um zu entscheiden, ob eine Aktivierung eines Betriebes erfolgen sollte, und Betriebs- und Statuseingänge für die gegebene Anwendung der tragenden Struktur verwendet werden. Zum Beispiel sind im Fall einer Kraftfahrzeuganwendung Fahrzeugzustände wie z. B. eine Geschwindigkeit, eine Gierrate, ein ABS-Betrieb, Wetterbedingungen etc., die Vorhersage einer zunehmenden Wahrscheinlichkeit eines bevorstehenden Belastungsereignisses, z. B. bei Eingang von einem radar- oder sichtbasierten Objekterkennungssystem, einer Telematik, Geschwindigkeitsbeschränkungsschildern und dergleichen), und schließlich ein Signal von einem eingebauten Sensor, ein Hinweis, dass ein Belastungsereignis begonnen hat. Die Zeitspanne, die für eine thermomolekulare Entspannung verfügbar ist, die der Änderung des Moduls in dem SMP unterliegt, nimmt mit zunehmender Wahrscheinlichkeit solch eines Ereignisses ab. Widerstands- und pyrotechnische Heizmittel sind daher zwei Aktivierungssignale, die eine SMP-Aktivierungszeit von 0,5 Sekunden oder weniger bereitstellen können.
Für abstimmbar nachgiebige, tragende Strukturen, die auf thermischen Aktivierungssignalen basieren, wie es bei einem SMP der Fall sein kann, kann das Aufrechterhalten der Vorkonditionierungstemperatur unterhalb der Übergangstemperatur umfassen, dass ein sekundäres Aktivierungssignal auf einem Niveau unter dem geliefert wird, das normalerweise eine Umwandlung des SMP bewirken würde. Auf diese Weise kann dann ein primäres Aktivierungssignal geliefert werden, um eine Verformung zu bewirken, wobei das primäre Signal eine minimale Energie und Zeit erfordern würde. In einer alternativen Ausführungsform kann die Umgebung, in der der abstimmbare Bügel angeordnet ist, bei einer Temperatur unter der Übergangstemperatur gehalten werden. In beiden Ausführungsformen kann die Vorkonditionierung einen Temperatursensor und eine Steuerung in funktioneller Verbindung mit der abstimmbar nachgiebigen, tragenden Struktur umfassen. Eine Rückkopplungsschleife an eine Aktivierungsvorrichtung kann vorgesehen sein, um das sekundäre Aktivierungssignal zu liefern, falls so ausgebildet. Andererseits können der Temperatursensor und die Aktivierungsvorrichtung die Umgebung vorkonditionieren, um die Zeit zu minimieren, um das SMP mithilfe des primären Aktivierungssignals auf seine Übergangstemperatur zu überführen. Das Vorkonditionieren kann, abhängig von der gewünschten Konfiguration, statisch oder transient sein.
Die Vorkonditionierungstemperatur kann höher als etwa 50 Prozent der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der (niedrigsten) Glasübergangstemperatur sein, wobei mehr als etwa 80 Prozent bevorzugt sind, mehr als etwa 90 Prozent noch bevorzugter sind und mehr als etwa 95 Prozent noch mehr bevorzugt sind.
Die Aktivierungsvorrichtung kann programmiert sein, um eine Aktivierung des Abschnitts aus einem aktiven Material, der die tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz definiert, innerhalb der gewünschten Zeiten zu bewirken, die für die vorgesehene Anwendung geeignet ist. Zum Beispiel kann die Aktivierungsvorrichtung programmiert sein, um entweder einen Hochstrom oder einen Schwachstrom zu einem Widerstandsheizungselement in thermischer Verbindung mit dem aktiven Material, z. B. einem SMP, bereitzustellen. Der Hochstrom könnte verwendet werden, um eine schnelle, nicht umkehrbare Aktivierung vorzusehen, während der Schwachstrom verwendet werden könnte, um eine verzögerte, umkehrbare Aktivierung vorzusehen. Die Verwendung des Hochstroms und des Schwachstroms in der beschriebenen Art ist beispielhaft und soll weder die für die Aktivierungsvorrichtung verfügbaren Programmierungsmöglichkeiten einschränken, noch die Bedingungen für die Umkehrbarkeit definieren.
Die Art und Anzahl der Sensoreingänge (Drucksensoren, Positionssensoren (Kapazität, Ultraschall, Radar, Kamera etc.), Wegsensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungsmesser etc.) kann variieren, und diese können auf dem Trägersubstrat, z. B. einer Fahrzeugkarosserie angeordnet sein.
Wie zuvor beschrieben, umfassen geeignete aktive Materialien für tragende Strukturen mit abstimmbarer Impedanz, ohne darauf beschränkt zu sein, Formgedächtnislegierungen („SMAs"; z. B. thermisch und durch Spannung aktivierte Formgedächtnislegierungen und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA)), elektroaktive Polymere (EAPs) wie z. B. die lektrische Elastomere, ionische Polymer-Metallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramiken) und Formgedächtnispolymere (SMPs), Formgedächtniskeramiken (SMCs), Baroplastik, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), Verbundstoffe der vorhergehenden aktiven Materialien mit nicht aktiven Materialien, Systeme, die mindestens eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen, und Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen. Der Einfachheit halber und beispielhaft wird hierin auf Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere Bezug genommen. Formgedächtniskeramiken, Baroplastik und dergleichen können in ähnlicher Weise verwendet werden. Zum Beispiel bewirkt bei Baroplastikmaterialien eine druckinduzierte Vermischung von Nanophasendomänen von Komponenten hoher und niedriger Glasübergangstemperatur (Tg) die Formänderung. Baroplastik kann bei relativ niedrigen Temperaturen ohne Verschlechterung wiederholt verarbeitet werden. SMCs sind SMAs ähnlich, können jedoch wesentlich höheren Betriebstemperaturen standhalten als andere Formgedächtnismaterialien. Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Die Fähigkeit von Formgedächtnismaterialien, nach dem Anlegen oder Entfernen äußerer Reize in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, hat zu ihrer Verwendung in Aktuatoren geführt, um Kraft aufzubringen, die zu einer gewünschten Bewegung führt. Aktuatoren aus einem aktiven Material bieten die Möglichkeit einer Reduktion der Größe, des Gewichts, des Volumens, der Kosten, des Lärms des Aktuators und einer Erhöhung der Robustheit im Vergleich zu traditionellen, elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Ferromagnetische SMAs zum Beispiel zeigen schnelle Dimensionsänderungen von bis zu mehreren Prozent in Ansprechen auf ein aufgebrachtes magnetisches Feld (und proportional zu seiner Stärke). Diese Änderungen sind jedoch Änderungen in eine Richtung und nutzen die Aufbringung entweder einer Vorspannkraft oder einer Feldumkehr, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit mindestens zwei verschiedenen temperaturabhängigen Phasen oder Polaritäten. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die so genannte Martensit- und die Austenitphase. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als die Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als die Martensit-Anfangstemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, in den Martensit überzugehen, wird als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Der Bereich zwischen As und Af wird oft als der Martensit-zu-Austenit-Übergangstemperaturbereich bezeichnet, während der zwischen Ms und Mf oft als der Austenit-zu-Martensit-Übergangstemperaturbereich bezeichnet wird. Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Im Allgemeinen steigen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder un terhalb der Austenit-Übergangstemperatur (bei oder unterhalb von As). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenit-Anfangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnismaterial-Probe beginnt, bis zur Beendigung bei der Austenit-Endtemperatur in ihre ursprüngliche (nicht gespannte) permanente Form zurückzukehren. Somit ist ein geeigneter/s Aktivierungseingang oder -signal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die ausreicht, um Übergänge zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform (d. h. ihre ursprüngliche, nicht gespannte Form) erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch eine thermomechanische Verarbeitung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess kann über einen Bereich von nur wenigen Grad stattfinden oder eine allmählichere Wiederherstellung über einen größeren Temperaturbereich zeigen. Der Beginn oder das Ende des Übergangs kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, auf innerhalb mehrerer Grad gesteuert sein. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und stellen typischerweise Formgedächtniseffekte und superelastische Effekte bereit. Zum Beispiel ist in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul zu beobachten als in der Austenitphase. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können große Verformungen erfahren, indem die Kristallstrukturumgruppierung mit der aufgebrachten Spannung neu ausgerichtet wird. Das Material wird diese Form beibehalten, nachdem die Spannung entfernt wurde. Anders ausgedrückt, durch Spannung indu zierte Phasenänderungen in der SMA erfolgen von der Art her in zwei Richtungen, die Aufbringung von ausreichend Spannung, während sich eine SMA in ihrer Austenitphase befindet, bewirkt eine Änderung in ihre Martensitphase mit niedrigerem Modul. Das Entfernen der aufgebrachten Spannung wird bewirken, dass die SMA in ihre Austenitphase zurückschaltet und damit ihre Anfangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Beispielhafte Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich der beabsichtigten Anwendung abhängig.
Die Rückverformung in die Austenitphase bei einer höheren Temperatur ist begleitet von sehr großen Spannungen (im Vergleich mit denen, die erforderlich sind, um das Material zu verformen), die so hoch sein können wie die natürlich Fließgrenze des Austenitmaterials, manchmal bis zu dem Dreifachen oder mehr der verformten Martensitphase. Für Anwendungen, die eine große Anzahl von Betriebszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger als oder gleich 4% oder dergleichen der verformten Länge des verwendeten Drahtes erhalten werden. Diese Grenze bei der erzielbaren Dehnung bedeutet beträchtliche Einschränkungen bei der Anwendung von SMA-Aktuatoren, wenn der Raum begrenzt ist. MSMAs sind Legierungen, die oft aus Ni-Mn-Ga bestehen und die Form infolge einer durch ein magnetisches Feld induzierten Dehnung ändern. MSMAs besitzen interne Varianten mit verschiedenen magnetischen und kristallographischen Orientierungen. In einem magnetischen Feld ändern sich die Proportionen dieser Varianten, was zu einer Änderung der gesamten Form des Materials führt. Ein MSMA-Aktuator erfordert im Allgemeinen, dass das MSMA-Material zwischen den Spulen eines Elektromagneten angeordnet wird. Der elektrische Strom, der durch die Spule fließt, induziert ein magnetisches Feld durch das MSMA-Material, das eine Änderung der Form bewirkt.
Wie zuvor erwähnt, sind weitere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere (SMPs). Der Ausdruck „Formgedächtnispolymer" bezieht sich allgemein auf ein Polymermaterial, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. eines Moduls, einer Abmessung, eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, einer optischen Eigenschaft (z. B. Lichtdurchlässigkeit) oder einer Kombination, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften in Verbindung mit einer Änderung ihrer Mikrostruktur und/oder Morphologie zeigt. Formgedächtnispolymere können wärmeempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal bewirkt, das entweder direkt über eine Wärmezufuhr oder -abfuhr oder indirekt über eine Schwingung mit einer Frequenz, die geeignet ist, um hohe Schwingungsamplituden auf dem Molekularniveau anzuregen, die zu einer inneren Wärmeerzeugung führen, geliefert wird), fotoempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein elektromagnetisches Strahlungsaktivierungssignal bewirkt), feuchtigkeitsempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal wie z. B. Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser bewirkt), chemisch empfindlich (d. h., empfindlich gegenüber einer Veränderung der Konzentration einer oder mehrere chemischer Spezies in seiner Umgebung; z. B. der Konzentration an H+-ionen, also des pH der Umgebung) oder eine Kombination sein, die zumindest eines der vorhergehenden umfasst.
Im Allgemeinen sind SMPs phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei verschiedenen Einheiten umfassen, welche so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente innerhalb des SMPs definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMPs beiträgt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Segment" auf einen Block, einen Pfröpfling oder eine Sequenz derselben oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann (semi-)kristallin oder amorph sein und weist eine/n entsprechende/n Schmelzpunkt bzw. eine Glasübergangstemperatur (Tg) auf. Der Begriff „Wärmeübergangstemperatur" wird hierin der Einfachheit halber verwendet, um allgemein entweder auf eine Tg oder einen Schmelzpunkt Bezug zu nehmen, je nachdem, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMPs, die (n) Segmente umfassen, kann gesagt werden, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere Wärmeübergangstemperatur aufweist als jedes weiche Element. Somit weist das SMP (n) Wärmeübergangstemperaturen auf. Die Wärmeübergangstemperatur des harten Segments wird als die „letzte Übergangstemperatur" bezeichnet und die niedrigste Wärmeübergangstemperatur des so genannten „weichsten" Segments wird als die „erste Über gangstemperatur" bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch dieselbe Wärmeübergangstemperatur, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, gekennzeichnet sind, gesagt werden kann, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann durch ein nachfolgendes Abkühlen des SMPs unter diese Temperatur festgelegt oder ins Gedächtnis eingeprägt werden. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „ursprüngliche Form", „vorher definierte Form", „vorbestimmte Form" und „permanente Form" gleichbedeutend und sollen untereinander austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als eine Wärmeübergangstemperatur eines jeglichen weichen Segments ist, jedoch unter der letzten Übergangstemperatur liegt, eine äußere Spannung oder Belastung aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und es dann unter die bestimmte Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Belastung aufrechterhalten wird.
Die permanente Form kann wiedererlangt werden, indem das Material, während die Spannung oder Belastung entfernt ist, über die bestimmte Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird. Es sollte somit einzusehen sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen zu zeigen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen zu zeigen. In ähnlicher Weise wird bei Verwendung eines Ansatzes mit einer Schichtung oder einem Verbund eine Kombination aus mehreren SMPs Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material auch als ein Aktuator ausgebildet sein, um ein schnelles Ausfahren vorzusehen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch" verwendet, um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Piezoelektrische Materialien zeigen eine geringe Änderung in den Abmessungen, wenn sie der angelegten Spannung unterworfen werden, wobei das Ansprechen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional ist und sehr schnell erfolgt (in der Lage ist, den Bereich von tausend Hertz ohne weiteres zu erreichen). Da ihre Abmessungsänderung gering ist (z. B. kleiner als 0,1%), werden sie, um das Ausmaß einer Abmessungsänderung drastisch zu erhöhen, üblicherweise in Form von piezokeramischen unimorphen und bimorphen flachen Patch-Aktuatoren verwendet, die derart aufgebaut sind, dass sie sich beim Anlegen einer relativ niedrigen Spannung in eine konkave oder konvexe Form verbiegen. Die Formänderung/Verbiegung solcher Patches innerhalb der Auskleidung des Halters ist geeignet, um den gehaltenen Gegenstand zu ergreifen/freizugeben.
Ein Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer flexiblen Metallfolie oder einem flexiblen Metallstreifen verbunden ist, die/der durch das piezoelektrische Element stimuliert wird, wenn sie/er mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Wölbung oder Auslenkung führt, wenn sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktuatorbewegung für einen Unimorph kann durch Zusammenziehung oder Ausdehnung erfolgen. Unimorphe können eine Dehnung bis zu einer Höhe von etwa 10% zeigen, jedoch können sie im Allgemeinen nur geringen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst eine bimorphe Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen als Schicht angeordnet ist. Bimorphe zeigen mehr Verschiebung als Unimorphe, da sich ein keramisches Element unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu etwa 20% zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie Unimorphe, keinen hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Beispielhafte piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere umfassen Polynatrium-4-Styrolsulfonat („PSS"), Poly S-119 (Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid („PVDF"), sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF"), Trifluorethylen (TrFE) und ihre Derivate; Polychlorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylchlorid („PVC"), Polyvinylidenchlorid („PVC2") und ihre Derivate; Polyacrylonitrile („PAN") und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure („PMA") und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane („PUE") und ihre Derivate; Biopolymermoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide, umfassend Kapton^®-Moleküle und Polyetherimid („PEI") und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon) („PVP")-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat („PVAc")-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten; sowie Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metall-Legierungen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen, wie auch Kombinationen umfassen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4, ZnO und Kombinationen mit mindestens einem der vorhergehenden umfassen; sowie Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen.
MR-Fluide sind eine Klasse von intelligenten Materialien, deren rheologische Eigenschaften sich beim Anlegen eines magnetischen Feldes schnell andern können (z. B. können Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb weniger Millisekunden erfolgen), was sie sehr geeignet zum Einsperren (Einschränken) oder Zulassen der Entspannung von Formen/Verformungen durch eine deutliche Änderung ihrer Scherfestigkeit macht, wobei solche Änderungen nutzbringend zum Ergreifen und Freigeben von Gegenständen in hierin beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen auch magnetorheologische (MR) und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetische oder paramagnetische Partikel wie unten beschrieben) in einem Polymer (z. B. ein duroplastisches/er elastisches/r Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen mit mindestens einem der vorhergehenden.
Die Steifigkeit und unter Umständen die Form der Polymerstruktur werden bewirkt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des angelegten magnetischen Feldes variiert wird. Die MR-Polymere entwickeln ihre Struktur typischerweise, wenn sie einem magnetischen Feld so kurz wie einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden, wobei die Steifigkeits- und Formänderungen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem magnetischen Feld ausgesetzt, kehrt sich der Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück. Die kompakte Unterbringung der felderzeugenden Spulen stellt allerdings eine Herausforderung dar.
MR-Fluide zeigen eine Scherfestigkeit, die proportional zu der Größe eines angelegten magnetischen Feldes ist, wobei die Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb weniger Millisekunden bewirkt werden können. Wenngleich auch bei diesen Materialien die Probleme beim kompakten Unterbringen der zum Erzeugen des angelegten Feldes erforderlichen Spulen bestehen, können sie als Sperr- oder Freigabemechanismus für z. B. ein federbasiertes Ergreifen/Freigeben verwendet werden.
Geeignete MR-Fluidmaterialien umfassen ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Träger, z. B. in einer Menge von etwa 5,0 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 50 Vol.-% auf der Basis eines Gesamtvolumens der MR-Zusammensetzung, dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenoxide (einschließlich Fe2O3 und Fe3O4); Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel; Kobalt; Chromdioxid; und Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen, wie z. B. Nickellegierungen; Cobaltlegierungen; Eisenlegierungen, z. B. Edelstahl, Siliziumstahl, wie auch andere, einschließlich Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer.
Die Partikelgröße sollte so gewählt sein, dass die Partikel Eigenschaften mehrerer magnetischer Komponenten zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld unterworfen werden. Die Partikeldurchmesser (z. B. wie entlang einer Hauptachse des Partikels gemessen) können kleiner als oder gleich etwa 1000 Mikrometer (μm) sein (z. B. etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer) oder im Spezielleren etwa 0,5 bis etwa 500 Mikrometer und im Spezielleren etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer.
Die Viskosität des Trägers kann weniger als oder gleich etwa 100.000 Centipoise (cPs) betragen (z. B. etwa 1 cPs bis etwa 100.000 cPs) oder im Spezielleren etwa 250 cPs bis etwa 10.000 cPs oder noch spezieller etwa 500 cPs bis etwa 1.000 Centipoise. Mögliche Träger (z. B. Trägerfluide) umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nicht polare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen Öle (z. B. Silikonöle, Mineralöle, Paraffinöle, Weißöle, Hydrauliköle, Transformatoröle und synthetische Kohlenwasserstofföle (z. B. ungesättigte und/oder gesättigte)); halogenierte organische Flüssigkeiten (wie z. B. chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe); Diester; Polyoxyalkylene; Silikone (z. B. fluorierte Silikone); Cyanoalkylsiloxane; Glykole; und Kombinationen, die zumindest einen der angeführten Träger umfassen.
Es können auch wässrige Träger verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile mineralische Tone wie z. B. Bentonit oder Hektorit umfassen. Der wässrige Träger kann Wasser oder Wasser, das ein polares, wassermischbares organisches Lösungsmittel (z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Azeton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen) umfasst, wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest einen der vorhergehenden Träger umfassen. Die Menge an polarem organischem Lösungsmittel in dem Träger kann weniger als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% (z. B. etwa 0,1 Vol.-% bis etwa 5,0 Vol.-%) auf der Basis eines Gesamtvolumens des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 1,0 Vol.-% bis etwa 3,0 Vol.-% betragen. Der pH des wässrigen Trägers kann weniger als oder gleich etwa 13 (z. B. etwa 5,0 bis etwa 13) oder im Spezielleren etwa 8,0 bis etwa 9,0 betragen.
Wenn die wässrigen Träger natürlichen und/oder synthetischen Bentonit und/oder Hektorit umfassen, kann die Menge an Ton (Bentonit und/oder Hektorit) in dem MR-Fluid weniger als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent (Gew.-%) auf der Basis eines Gesamtgewichts des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 8,0 Gew.-% oder im Spezielleren etwa 1,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% oder noch spezieller etwa 2,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% betragen.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone (z. B. organophile Tone), Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionshemmer, Schmiermittel, Antiverschleifladditive, Antioxidantien, thixotrope Mittel und/oder Antiabsetzmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphthenat, Eisenstearat, Aliuminiumdi- und tristearat, Lithium-stearat, Calciumstearat, Zinkstearat und/oder Natriumstearat; oberflächenaktive Substanzen (z. B. Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoaraliphatische Polymerester); und Haftvermittler (z. B. Titanat, Aluminat und Zirkonat); wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Auch Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise veresterte Polyole können inkludiert sein.
Elektrorheologische (ER) Fluide sind MR-Fluiden insofern ähnlich, als sie eine Änderung der Scherfestigkeit zeigen, wenn sie einem angelegten Feld, in diesem Fall eher einer Spannung als einem magnetischen Feld, unterworfen sind. Das Ansprechen erfolgt schnell und proportional zu der Stärke des angelegten Feldes. Es ist jedoch um eine Größenordnung kleiner als das von MR-Fluiden und typischerweise sind mehrere tausend Volt erforderlich.
Elektronische elektroaktive Polymere (EAPs) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Ein Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sie sich in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen ein Ansprechen, das proportional zu dem angelegten Feld ist, und können mit hohen Frequenzen betätigt werden. Formverändernde EAP-Laminatfolien wurden demonstriert. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie angelegte Spannungen benötigen, die um ungefähr drei Größenordnungen größer sind als jene, die von einer Piezoelektrik benötigt werden.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyro elektrische oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel für ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PDVF umfassen, druckempfindliche Kleber, Fluorelastomere und Polymere, die Silikon- und Akrylkomponenten (z. B. Copolymere, die Silikon- und Akrylkomponenten umfassen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Akrylelastomer umfassen, etc.) umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (z. B. für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder im Spezielleren zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 oder im Spezielleren zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein, die z. B. ein Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Da sich elektroaktive Polymere bei starken Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, können fügsam sein und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten (z. B. Kohlepasten und Silberpasten), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis (z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus innenleitfähigen Materialien), wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Elektrodenmaterialien können Graphit, Ruß, kolloidale Suspensionen, Metalle (umfassend Silber und Gold), gefüllte Gele und Polymere (z. B. silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere) und ionen- oder elektronisch leitfähige Polymere wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Magnetostriktive sind Festkörper, die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren magnetischen Feld unterworfen werden. Dieses Phänomen der Magnetostriktion wird den Drehungen von kleinen magnetischen Domänen in den Materialien zugeschrieben, die zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Die Formänderung ist am größten bei ferromagnetischen oder ferromagnetischen Festkörpern. Diese Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei die Dehnung proportional zu der Stärke des angelegten magnetischen Feldes ist, und sie kehren nach dem Entfernen des Feldes in ihre Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien besitzen jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
Vorteilhafterweise können die oben offenbarten tragenden Strukturen mit abstimmbarer Impedanz nach Wunsch permanent oder umkehrbar eine Änderung einer Nachgiebigkeitseigenschaft in Ansprechen auf einen äußeren Reiz, Aktivierungssignale, die in Ansprechen auf durch Sensoren gemessene Bedingungen erzeugt werden, oder Umgebungsänderungen durch Verwenden von aktiven Materialien erzeugen. Die auf einem aktiven Material basierenden tragenden Strukturen können ohne einen wesentli ches Betrag an äußerer Belastung große Verformungen vorsehen und Durchbiegungen unter beträchtlichen Belastungen begrenzen und dadurch ein abgestimmtes Ansprechen abhängig von vorliegenden Umständen und/oder Präferenzen vorsehen. Auf Grund der einzigartigen Eigenschaften der aktiven Materialien können alle oben offenbarten Impedanzabstimmungsverfahren realisiert und/oder gesteuert werden, während die tragende Struktur in Verwendung ist.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung offenzulegen, darunter die beste Art, und auch, um jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Der patentfähige Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Solche weiteren Beispiele sollen innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente umfassen, die sich nicht von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleiche strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche umfassen.

Claims

Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz, umfassend: eine Stütze, die ein aktives Material umfasst, das ausgebildet ist, um eine Last abzustützen, wobei das aktive Material eine Änderung einer Eigenschaft erfährt, wenn es einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt ist, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam ist, um eine Impedanzeigenschaft der Stütze zu andern.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 1, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, oder Kombinationen umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 1, wobei die Änderung einer Eigenschaft eine Änderung eines Elastizitätsmoduls, einer Form, einer Abmessung, einer Formorientierung, einer Komponentenposition, einer Phasenänderung, oder Kombinationen umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden Eigenschaften umfassen.
Abstimmbar nachgiebige tragende Struktur nach Anspruch 1, wobei die Änderung einer Impedanzeigenschaft eine Änderung einer Steifigkeit, eines Dämpfungsvermögens, einer Fließgrenze, einer Scher festigkeit, eines Kraft/Verformungsverhaltens, eines bevorzugten Verformungsmodus, einer Tragfähigkeit, eines Belastungspfades innerhalb der Struktur, eines Energieabsorptionsvermögens oder Kombinationen umfasst, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften umfassen.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Aktivierungsvorrichtung in funktioneller Verbindung mit dem aktiven Material, um die Aktivierungsbedingung für das aktive Material bereitzustellen, wobei die Aktivierungsbedingung ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, ein mechanisches Signal oder eine Kombination umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden Aktivierungssignale umfasst.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 1, wobei die Stütze ferner einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt umfasst, wobei der zweite Abschnitt das aktive Material umfasst und zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 1, wobei die Stütze ferner einen ebenen Abschnitt umfasst, der eine erste Öffnung in physikalischer Verbindung mit einem abgewinkelten Abschnitt aufweist, der eine zweite Öffnung aufweist, die koaxial mit der ersten Öffnung ausgerichtet ist, und einen Stift umfasst, der in der ersten und der zweiten Öffnung angeordnet ist , wobei das aktive Material geeignet ist, um den Stift zu betätigen.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 7, wobei der Stift das aktive Material umfasst.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz, umfassend: eine Stütze, die ausgebildet ist, um eine Last abzustützen, umfassend: einen oberen Abschnitt mit einer ersten ebenen Fläche und einer zweiten ebenen Fläche, wobei ein schräges Balkenelement zwischen der ersten ebenen Fläche und der zweiten ebenen Fläche angeordnet ist.; eine erste Scheibe mit einem aktiven Material in physikalischer Verbindung mit der zweiten ebenen Fläche des oberen Abschnitts, wobei das aktive Material eine Änderung einer Eigenschaft erfährt, wenn es einer Aktivierungsbedingung ausgesetzt ist, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam ist, um eine Nachgiebigkeitseigenschaft der Stütze zu ändern; und eine zweite Scheibe in physikalischer Verbindung mit der ersten Scheibe.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 9, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, oder Kombinationen umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 9, wobei die Änderung einer Eigenschaft eine Änderung eines Elastizitätsmoduls, einer Form, einer Abmessung, einer Formorientierung, einer Komponentenposition, einer Phasenänderung oder Kombinationen umfasst, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften umfassen.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 9, wobei die Änderung einer Nachgiebigkeitseigenschaft eine Änderung einer Steifigkeit, eines Dämpfungsvermögens, einer Fließgrenze, einer Scherfestigkeit, eines Kraft/Verformungsverhaltens, einer Tragfähigkeit, eines Energieabsorptionsvermögens oder Kombinationen umfasst, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften umfassen.
Tragende Struktur mit abstimmbarer Impedanz nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Aktivierungsvorrichtung in funktioneller Verbindung mit dem aktiven Material, um die Aktivierungsbedingung für das aktive Material bereitzustellen, wobei die Aktivierungsbedingung ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, ein mechanisches Signal, oder eine Kombination umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden Aktivierungssignale umfasst.
Verfahren zur Änderung einer Impedanzeigenschaft einer tragenden Struktur, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: eine tragende Struktur zwischen einem Substrat und einer Last angeordnet wird, wobei die tragende Struktur eine Stütze umfasst, die ausgebildet ist, um die Last abzustützen, wobei die Stütze ein aktives Material umfasst; und das aktive Material aktiviert wird, um eine Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials zu bewirken, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam ist, um eine Impedanzeigenschaft der tragenden Struktur zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das aktive Material Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material oder Kombinationen umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Änderung einer Eigenschaft eine Änderung eines Elastizitätsmoduls, einer Form, einer Abmessung, einer Formorientierung, einer Komponentenposition, einer Phasenänderung oder Kombinationen umfasst, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Änderung einer Impedanzeigenschaft eine Änderung einer Steifigkeit, eines Dämpfungsvermögens, einer Fließgrenze, einer Scherfestigkeit, eines Kraft/Verformungsverhaltens, einer Tragfähigkeit, eines Energieabsorptionsvermögens oder Kombinationen umfasst, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aktivieren des aktiven Materials mithilfe einer Aktivierungsvorrichtung in funktioneller Verbindung mit dem aktiven Material bewerkstelligt wird, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu dient, selektiv ein Aktivierungssignal an das aktive Material anzulegen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, ein mechanisches Signal oder eine Kombination umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden Aktivierungssignale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Anordnen der tragenden Struktur zwischen einem Substrat und einer Last ferner umfasst, dass das aktive Material aktiviert wird, um die Last relativ zu dem Substrat zu positionieren, und das aktive Material deaktiviert wird, um die Last in der Position beizubehalten.