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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 Fallen 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 11 (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 dreidimensionalen 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 entscheidende 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.
