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Die
Erfindung betrifft ein Polsterelement sowie ein Verfahren zur Herstellung
desselben, wobei das Polsterelement in funktionsbestimmenden Eigenschaften,
insbesondere hinsichtlich seiner Druckelastizität bzw.
seiner Steifigkeit aktiv einstellbar ist. Unter Einstellbarkeit
wird dabei sowohl eine Steuerbarkeit als auch eine Regelbarkeit
verstanden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Polsterelementes.
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Polsterelemente,
wie sie z. B. für Fahrzeugsitze oder auch in der Heilbehandlung,
z. B. als Antidekubitusmatratzen Verwendung finden, besitzen druckelastische
Eigenschaften, wobei je nach Anwendung bzw. zu erwartender Belastung
verschiedene Härtegrade solcher Polsterelemente benötigt
werden. Die Härte bzw. Druckelastizität oder Steifigkeit eines
solchen Polsterelementes kann dabei vorzugsweise auch über
die Flächenausdehnung des Polsterelementes unterschiedlich
sein, da vielfach lokale Bereiche eines Polsterelementes unterschiedlichen, voneinander
abweichenden Härte- bzw. Steifigkeit- oder Druckelastizitätsanforderungen
unterliegen.
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Der
Härtegrad von Polsterelementen wird durch sogenannte Druckspannungs-Verformungs-Diagramme
nach EN ISO 2386-1 charakterisiert, wobei der Härtegrad,
wenn auch möglicherweise lokal unterschiedlich, jedenfalls
bei der Herstellung des Polsterelementes festgelegt wird und somit im
Nachhinein, d. h. bei der Verwendung desselben nach dem Herstellungsprozess
nicht mehr geändert werden kann. Eine Anpassung an eine
spätere Belastungssituation kann daher nur durch Auswahl
eines Polsterelementes geeigneter Härtestruktur erfolgen
bzw. Verwendungsanforderungen können nur bei der Herstellung
des Polsterelementes selbst berücksichtigt werden.
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In
den seltensten Fällen ist es jedoch möglich, eine
exakte Belastung bei bestimmten Anwendungen schon im voraus zu ermitteln
bzw. die auch lokal variablen Belastungsanforderungen bereits bei der
Herstellung des Polsterelementes zu berücksichtigen. Daher
muss die Auswahl des Härtegrades im allgemeinen auf der
Grundlage einer Abschätzung der späteren Belastungssituation
erfolgen. Durch diese Auswahl wird die spätere Einsetzbarkeit
des Polsterelementes eingeschränkt.
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Moderne
Polsterelemente werden vielfach aus dreidimensionalen Textilien
bzw. Textilstrukturkörpern gefertigt, d. h. Textilien,
die eine räumliche Struktur aufweisen.
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Diese
entsteht entweder durch die Fadenarchitektur und/oder durch die
Textilarchitektur, unabhängig davon, ob das Textilmaterial
in einem ein- oder in einem mehrstufigen Fertigungsprozess hergestellt
wird. Dreidimensionale Textilmaterialien als Polsterelemente, bei
denen das Textil (unabhängig von einer möglicherweise
darunterliegenden Polsterung) selbst eine räumliche Struktur
aufweist, werden zumeist als Abstandsgewirke (zwei gewirkte Flächen,
die mit Polfäden auf Abstand gehalten werden), Abstandsgestricke
(zwei einzelne Gestricke, die durch Polfäden miteinander
verbunden werden) oder als Abstandsgewebe (zwei Gewebedecklagen, die
durch senkrechte Stehfäden auf definiertem Abstand gehalten
werden) ausgebildet.
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Bei
dreidimensionalen Textilstrukturen, die als Abstandsgewirke, Abstandsgestricke
oder Abstandsgewebe über zwei textile Deckschichten verfügen,
welche über Pol- oder Stehfäden miteinander verbunden
werden, sind dabei aufgrund der diesen eigenen Biegesteifigkeit
im Abstand gehalten. Die durch die Polfäden bzw. Stehfäden
zwischen den textilen Deckschichten gebildete „Polschicht” wirkt
dabei thermoregulierend, befördern die Luftzirkulation
und einen Flüssigkeitstransport von innen nach außen und
schirmen gegen Kälte ab.
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Bei
den hier im Vordergrund stehenden Abstandsgewirken werden diese
aus Kettengewirken hergestellt, die aus Fadensystemen bestehen,
die untereinander oder mit sich selbst durch Vermaschen verbunden
werden. Das in Verarbeitungsrichtung verlaufende und zur Herstellung
eines Flächengebildes dienende Fadensystem wird als Kette
bzw. Kettfadensystem bezeichnet. Bei gleichzeitiger Verarbeitung
mehrerer Fadensysteme werden zwei textile Grundflächen
in einem technisch vorbestimmten Abstand, verbunden durch mindestens
ein sich zwischen beiden Flächen erstreckendes Fadensystem aus
Polfäden in einem Verfahrenszug hergestellt. Damit entsteht
das Abstands- oder auch 3D-Gewirke. In den meisten Fällen
werden diese Textilien aus synthetischem Material, vorwiegend aus
Polyester, hergestellt. Die beabstandeten Grundflächen
werden überwiegend aus glatten oder texturierten Filamentseiden
gefertigt. Als Polfäden kommen vorwiegend Monofile zum
Einsatz. Die Druckelastizität (Steifigkeit) des Polsterelementes
wird u. a. durch die Monofildicke und die Anzahl der Monofile pro
Flächeneinheit bestimmt. Abstandsgewirke können
in Dickenbereichen bis ca. 6 cm hergestellt werden und zeichnen sich
durch eine hohe Luftzirkulation und somit einen hohen Grad an Feuchtigkeitsabtransportfähigkeit aus.
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Aus
der
WO 2005/045112
A1 ist bereits ein textiles Flächenmaterial bekannt,
bei der eine Anpassung einer Oberflächenkontur eines flächigen
Textilmaterials durch Einweben einer oder mehrerer Formgedächtnislegierungsfasern
veränderbar ist.
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Auf
diese Weise kann zwar eine Oberflächenkontur durch nachträgliche
Erwärmung einer Phasenänderung der Formgedächtnislegierungs-Fasern
herbeigeführt werden, eine strukturelle Verbesserung von
Polsterelementen mit oder aus dreidimensionalem Textilstrukturmaterial
ist damit jedoch nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Polsterelement,
das aus einem zweidimensionalen Textilmaterial besteht oder dieses
aufweist, zu verbessern, derart, dass strukturbestimmende Eigenschaften
des Polstermateriales, insbesondere seine Druckelastizität
bzw. Steifigkeit, in Abhängigkeit von Einsatzbedingungen
auch nach seiner Herstellung den Verwendungszweck angepasst und
aktiv gesteuert oder geregelt werden können.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes
Verfahren zur Herstellung eines solchen Polsterelementes anzugeben,
mit dem strukturbestimmende Eigenschaften, insbesondere eine Druckelastizität
oder Steifigkeit desselben im Bereich einer dreidimensionalen Textilstruktur auch
nachträglich aktiv eingestellt oder geregelt werden können.
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Die
vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
die Merkmale der Ansprüche 1 (Polsterelement) und 13 (Verfahren)
gelöst.
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Durch
die Erfindung werden daher vorzugsweise elektrisch leitfähige
Drähte, im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als „Aktordrähte” bezeichnet,
die aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) bestehen, als
Polfäden oder Stehfäden, die die Druckelastizität
des Polsterelementes bzw. eines dreidimensionalen Textilmaterialkörpers
bestimmen, insbesondere in Verbindung mit herkömmlichen
Polfäden aus Textilienmaterial verwendet und vorzugsweise
im Rahmen eines Abstandsgewirkes eingesetzt, so dass diese Polfäden
aus Formgedächtnislegierungsmaterial die druckelastischen
Eigenschaften des Polsterelementes aufgrund ihrer Biegespannung bzw.
ihres Formgedächtnisänderungsvermögens mitbestimmen
und insgesamt oder lokal beeinflussen.
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Die
Polfäden können auch aus anderen Formgedächtniswerkstoffen,
wie Formgedächtnispolymeren (thermisch steuerbar) oder
magnetisch aktivierbaren Formgedächtnislegierungen bestehen.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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Insbesondere
in Verbindung mit einer einzelnen oder gruppenweisen Herstellung
der, vorzugsweise elektrisch leitfähigen Polfäden
aus Formgedächtnislegierung ist es unter Berücksichtigung
des Phasenumwandlungspunktes der Formgedächtnislegierung
möglich durch Erwärmung (Bestromung) eine Versteifung
der Polfäden bzw. Aktordrähte aus Formgedächtnislegierung
und damit eine größere Härte zu bewirken,
die auch durch Abkühlen wieder aufgehoben werden kann.
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Formgedächtniswerkstoffe,
insbesondere Formgedächtnislegierungen (FGL) haben die
Eigenschaft, dass sie nach einer bleibenden plastischen Verformung
unterhalb einer bestimmten, kritischen Temperatur durch Erwärmen über
diese Temperatur hinaus wieder an ihre ursprüngliche Form
sich „erinnern” und diese erneut einnehmen. Für
das Auftreten des Formgedächtniseffektes ist eine reversible
in Anlehnung an Fasenumwandlungen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
als eine reversible „austenitisch-martensitische” Phasenumwandlung
bezeichnete Materialeigenschaft Voraussetzung, während
bei konventionellen Konstruktionswerkstoffen plastische Verformungen
irreversibel sind, da die plastische Verformung hauptsächlich
durch Versetzungsbewegungen getragen wird. Analog zum Werkstoff
Stahl wird die Hochtemperaturphase der Formgedächtnislegierung (FGL)
auch als „Austenit” und die Tieftemperaturphase
als „Martensit” bezeichnet. Mit der Phasenumwandlung
geht eine deutliche Veränderung des Elastizitätsmoduls
einher.
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Generell
sind in der Anwendung zu unterscheiden der Einwegeffekt, d. h. die
Rückkehr eines plastisch verformten Elementes aus FGL in
den Ausgangszustand durch Erwärmung und der Zweiwegeffekt,
d. h. die reversible Annahme von zwei definierten Geometrie-Zuständen
in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Vorzugsweise
ist das Formgedächtnislegierungs-Element in druckelastischer
Anordnung vorgesehen und es sind ein Teil der Pol- oder Stehfäden des
Polsterelementes als insbesondere thermische Formgedächtnislegierungsdrähte,
hier auch als elektrisch leitfähige Aktordrähte
bezeichnet, ausgebildet.
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Die
Aktordrähte sind vorzugsweise mit zumindest einer Wärmequelle,
insbesondere einer Stromquelle, die zur Erwärmung von als
Polfäden eingesetzter Aktorelemente dient, ausgebildet.
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Wird
also z. B. durch Gruppieren von Aktordrähten aus Formgedächtnislegierung
in mehreren, unabhängig aktivierbaren Gruppen innerhalb
des Polsterelementes, z. B. durch Bestromung der Aktordrähte,
deren Erwärmung und eine Phasenumwandlung von Martensit
in Autensit ausgelöst, erfolgt eine Versteifung der Aktordrähte
und somit eine, ggf. lokale, bzw. lokal unterschiedliche, Versteifung
der Polschicht der dreidimensionalen Textilstruktur und damit des
Polsterelementes. Umgekehrt kann diese Versteifung durch Abkühlen
der Aktordrähte aus der Formgedächtnislegierung
wieder aufgehoben werden.
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Vorzugsweise
weist das Polsterelement zumindest einen Temperatur- und/oder Drucksensor auf,
zur Erfassung eines lokalen Temperatur- und/oder Druckbelastungszustandes
des Polsterelementes und kann, je nach Anordnung und von der Ausbildung
von Polfäden als Aktorfäden aus, insbesondere
elektrisch leitfähiger, Formgedächtnislegierung
in voneinander unabhängig ansteuerbaren Gruppen eine Mehrzahl
solcher Temperatur- und/oder Drucksensorelemente vorgesehen und
Teil einer Steuer- oder Regeleinrichtung sowie in Verbindung mit
einer Wärmequelle sein, zur Steuerung oder Regelung einer
Steifigkeit des Polsterelementes oder einzelner Bereiche desselben
in Abhängigkeit vom Belastungszustand oder z. B. in Abhängigkeit
von einem Zeitregime, das durch ein temporär aktivierbares
Zeitglied determiniert werden kann.
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Weitere,
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und Gegenstand
der übrigen Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für
ein Polsterelement mit oder als einem dreidimensionalen Textilmaterial
zeichnet sich dadurch aus, dass während der Herstellung
des Polsterelementes in Verbindung mit textilen Pol- oder Stehfäden
Aktorfäden aus, insbesondere thermisch aktivierbare, Formgedächtnislegierung
vorgesehen, insbesondere in einem druckelastischen Zustand in die dreidimensionale
textile Struktur eingebracht und über ihren Phasenumwandlungspunkt
während eines späteren Einsatzes erwärmbar
oder abkühlbar sind, zur Steuerung einer, insbesondere
lokal variablen, Versteifung oder Verringerung der Steifigkeit des Polsterelementes
in Abhängigkeit von gewünschten Einsatzbedingungen.
Vorzugsweise werden während der Herstellung des Polsterelementes
in dieses Temperatur- und/oder Druckbelastungssensoren textiltechnologisch
mit der drei dimensionalen Textilmaterialstruktur verbunden und über
entsprechende einzelne oder gruppenweise Kontaktierung der nachträglichen
Verbindung mit einer Stromquelle innerhalb eines Steuer- oder Regelkreises
vorgesehen, so dass sowohl eine gleichmäßige Oberflächendruckverteilung
oder eine gezielte Ungleichmäßigkeit derselben durch
Steuerung bzw. Regelung der Steifigkeit des Polsterelementes während
einer Verwendung desselben möglich ist.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
In diesen zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einem Polsterelement mit einem dreidimensionalen
Textilmaterialkörper als Abstandsgewirke in schematischer,
perspektivischer Darstellung
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2 eine
Darstellung nach 1 mit einem in mehrere Zonen
unterteilten Polsterelement und zugehöriger Sensoranordnung
in 1 entsprechender Darstellung
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1 zeigt
in schematisch-perspektivischer Darstellung ein Polsterelement 10,
das als Abstandsgewirke aus einer oberen und unteren textilen Deckschicht 1 besteht,
die durch textile Polfäden 2 miteinander verbunden
und aufgrund deren Biegesteifigkeit auf Abstand gehalten sind. Aus
der Biegesteifigkeit der Polfäden 2 ergibt sich
auch die Druckelastizität des Polsterelementes 1.
Ein Teil der Polfäden (Abstandsfäden) wird durch,
vorzugsweise elektrisch leitfähige Polfäden 3 (in 3 verstärkt dargestellt) gebildet,
die aus einer Formgedächtnislegierung bestehen, nachfolgend
auch als elektrisch leitfähiger Aktordraht 3 bezeichnet.
Die Aktorfäden 3 unterstützen aufgrund
ihrer Biegespannung die druckelastischen Eigenschaften des Polsterelementes 1.
Dadurch werden positive Eigenschaften der Fäden (Polschicht),
wie Luftzirkulation und Feuchtigkeitsabtransport von innen nach
außen nicht beeinflusst. Es können auch alle Polfäden
als Aktordrähte bzw. Polfäden 3 aus Formgedächtniswerkstoff
bestehen.
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Durch
eine Erwärmung für Aktorfäden 3,
z. B. durch eine Stromzufuhr zu denselben, erfolgt eine Phasenumwandlung
von „Martensit” in „Austenit”, was
eine Versteifung der Aktordrähte 3 und somit des Polsterelementes 10 bewirkt.
Umgekehrt kann die Versteifung durch Abkühlen wieder aufgehoben
werden.
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Auf
diese Weise kann eine Druckelastizität des Abstandsgewirkes
mittels Phasenumwandlung des Formgedächtniswerkstoffes
der Aktordrähte 3 als Polfäden eingestellt
werden. Die Aktordrähte 3 sind so als Polfäden
in die Struktur des Abstandsgewirkes eingebracht, dass sie die druckelastischen
Eigenschaften aufgrund ihrer Biegespannung unterstützen.
Ggf. kann anstelle der elektrisch leitfähigen Aktordrähte 3,
die durch Bestromung aktivierbar sind, auch fadenförmiges
oder anderes Strukturmaterial aus Formgedächtniswerkstoff,
wie z. B. Formgedächtnispolymere oder magnetische Formgedächtnislegierungen,
verwendet werden.
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Wie 2 verdeutlicht,
kann das Polsterelement 10 auch in mehrere, unabhängig
voneinander steuerbare Zonen 4 unterteilt sein, in denen
sich Gruppen von Aktorfäden 3 aus Formgedächtnislegierung
befinden, die unabhängig voneinander erwärmbar
sind, z. B. durch separate Bestromung von einer Stromquelle 8 in
Verbindung mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung 6, der
in den Zonen 4 jeweils angeordnete Druck- und/oder Temperatursensoren 5 zugeordnet
sind, die z. B. eine Belastung repräsentierende Drucksignale
zu der Steuer- oder Regeleinrichtung 6 zuführen
zuführen, so dass ein Steuer- oder Regelkreis gebildet
wird. Die Temperatur- oder Druckbelastung des Polsterelementes 10 werden
unabhängig voneinander in den Zonen 4 erfasst,
so dass die Steifigkeit des Polsterelementes 10 in jeder dieser
Zonen 4 unabhängig voneinander durch lokale Versteifung
in Verbindung mit separater Kontaktierung und Bestromung der Aktordrähte 3 in
den einzelnen Zonen 4 eingestellt werden kann.
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Dies
kann auch in Verbindung mit einer Zeitsteuerung zur zeitlich determinierten
Aktivierung einzelner Zonen 4 zur Steifigkeitssteuerung
oder -regelung des Polsterelementes 10 erfolgen.
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Zusätzlich
können innerhalb des Polsterkörpers auch Heiz-
oder Kühlelemente vorgesehen sein, die unabhängig
oder in Verbindung mit der Detektierung durch die Sensorelemente 5 eine
Erwärmung oder Kühlung des Polsterkörpers
innerhalb vorbestimmter Raumeinheiten des Abstandsgewirkes bewirken,
wobei unabhängig oder in Verbindung damit durch Bestromung
der Aktordrähte 3 die Steifigkeit des Polsterelementes 10 insgesamt
oder lokal variabel gesteuert oder geregelt werden kann.
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Eine
Anwendung derartiger Polsterelemente, wie hier in den 1 und 2 erläutert,
die als Überzugstextilien auch in Verbindung mit darunter liegenden
Polsterschichten oder weiterem Schichtaufbau von Polsterkörpern
vorgesehen sein können, ist die Verwendung eines derartigen
Abstandsgewirkes mit lokal und aktiv einstellbarer Druckelastizität
in Antidekubitusmatratzen oder -sitzpolstern, z. B. für
Rollstühle, oder in der Heilbehandlung.
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Mit
Hilfe eines Sensorsystems, wie es hier z. B. durch den Sensor 5 gebildet
wird, die jeweils individuell mit einer Steuer- oder Regeleinheit 6 verbunden
sind, werden Zonen erhöhten Oberflächendrucks
erfasst. Durch Versteifen von Zonen mit geringer Belastung erfolgt
eine Entlastung der stark belasteten Zonen, so dass sich eine gleichmäßige
Oberflächendruckverteilung des Polsterelementes 10 einstellen
lässt Andererseits können auch gezielt in Abhängigkeit
von der (unterschiedlichen) Druckbelastung des Polsterelementes 10 über
dessen Oberfläche lokal Zonen erhöhter Steifigkeit
bzw. Zonen 4 verminderter Steifigkeit durch entsprechende
Erwärmung bzw. Abkühlung der zugehörigen
Aktordrahtgruppen einstellen. Auch eine gepulste Bestromung und
damit Erwärmung/Abkühlung der Aktordrähte 3 einzeln
oder in Gruppen (insgesamt oder in einzelnen unabhängigen
Zonen 4) des Polsterelementes ist möglich, so
dass sich durch rhythmisches Versteifen des Polsterelementes Massageeffekte
und Mikrostimulationen, z. B. in Verbindung mit Dekubitus-Behandlungen
möglich sind. Zugleich bleibt der wesentliche Vorteil einer
Luftzirkulation und des Feuchtetransfers im Polsterelement 10 von
innen nach außen erhalten. Andere Anwendungen derartiger,
aktiv steuerbarer Polsterelemente 10 aufgrund der, vorzugsweise
textiltechnologischen Einarbeitung von steifigkeitswirksamen Strukturelementen,
insbesondere Polfäden, aus Formgedächtnislegierungen
sind z. B. aktive Polsterelemente in Klima-Komfort-Sitzen in PKWs,
für LKWs oder Busse oder auch im Bereich der Luft- und
Raumfahrt. Je nach Bedarf kann der Sitz oder Teile desselben verschiedene
Druckelastizitäten in einstellbarer Weise aufweisen, so
dass z. B. bei langen Fahrten eine Stützwirkung zu Körperbereichen
des Fahrgastes durch Versteifung bestimmter Sitzregionen erreicht
werden kann, während z. B. des Ein- und Aussteigens eine
angenehme Weichheit des Polsterelementes erreicht werden und der
angenehme textile Charakter des Polsterelementes erhalten werden
kann.
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Während
des Herstellungsverfahrens werden vorzugsweise die Aktordrähte 3 in
voneinander unabhängigen Gruppen eingesetzt bzw. kontaktiert, um
durch Bestromung entsprechende Temperatursteuerungen der Formgedächtnislegierungen
der Aktordrähte 3 zu realisieren, vorzugsweise
werden zugleich in entsprechenden Zonen ebenfalls textiltechnologisch
die Sensorelemente 5 mit dem Abstandsgewirke verbunden.
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Die
Wirkung des erfindungsgemäßen Polsterelementes
bzw. der ihm zugeordneten dreidimensionalen Textilmaterialstruktur,
hier insbesondere eines Abstandsgewirkes (gleichermaßen
kann dieses ein Abstandsgestricke oder Abstandsgewebe sein), beruht
auf einer gleichmäßigen oder auch lokal steuerbaren
Versteifung des Abstandsgewirkes. Der ent scheidende Vorteil ist
die Möglichkeit der aktiven und lokalen Anpassung des Oberflächendrucks,
der Beheizung, einer Massagefunktion sowie Mikrostimulation für
den das Polsterelement benutzende Patienten oder Nutzer unter Gewährleistung
von Luftzirkulation und einem hohen Grad von Feuchtigkeitsabtransportfähigkeit
des Abstandsgewirkes unter Beibehaltung des textilen Charakters
desselben.
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Polsterelemente
der hier erläuterten Art der aktiv einstellbaren Eigenschaften
sind vorzugsweise zur Dekubitus-Prophylaxe in Matratzen, Matratzenauflagen
sowie Sitzen und Sitzauflagen denkbar sowie im Bereich einer Klima-Komfort-Polsterung
von High-Tech-Sitzen für See-, Land- oder Luftfahrzeuge. Selbstverständlich
ist die Verwendbarkeit hierauf nicht beschränkt, sondern überall
dort, wo Abstandsgewirke eingesetzt werden, können auch
derartige, aktiv steuerbare Abstandsgewirke aus Polsterelemente
und Polsterstrukturen innerhalb größerer Verbunde
Anwendungen finden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/045112
A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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