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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft nachgiebige Mechanismen, die aufgrund der Fähigkeit,
die Eigenschaften der aktiven Materialien, aus welchen diese Mechanismen
hergestellt sind, reversibel zu manipulieren, eine größere Haltbarkeit
und/oder Anpassungsfähigkeit
nach der Herstellung zeigen. Diese Fähigkeit wird dazu verwendet,
die Geometrie, Topologie und/oder die Verteilung von Steifigkeit
und Dämpfung in
dem Mechanismus reversibel zu modifizieren und somit das Leistungsvermögen des
Mechanismus, nachdem er hergestellt worden ist, reversibel zu modifizieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Herkömmliche
Mechanismen oder Mechanismen mit starrem Körper umfassen starre Glieder, die
durch kinematische Gelenke (z. B. Scharniere, Gleitgelenke, Zahnräder usw.)
verbunden sind, um Bewegung und Kraft zu übertragen. Anders als Mechanismen
mit starrem Körper
leiten nachgiebige Mechanismen zumindest einen Teil ihrer Beweglichkeit
aus der Verformung von flexiblen Segmenten des Mechanismus ab. Vollständig nachgiebige
Mechanismen sind typischerweise einstückige elastische Körper, die
ihre Beweglichkeit vollständig
aus der Verformung des Körpers
des Mechanismus ableiten. Viele vollständig nachgiebige Mechanismen
umfassen de facto Scharniere, d. h. Bereiche der elastischen Körper, die
als Scharniere wirken und somit eine höhere Dehnung als umgebende
Bereiche erfahren. Die höhere
Dehnung in den de facto Scharnieren wird im Stand der Technik erreicht,
indem in diesen Bereichen im Vergleich mit den umgebenden Bereichen eine
relativ kleine Querschnittsfläche
vorliegt. De facto Scharniere speichern Dehnungsenergie während der
Verformung des Mechanismus und sind die üblichsten Quellen für ein Materialversagen,
was die nutzbare Lebensdauer des Mechanismus begrenzt. Die in dieser
Anmeldung vorgestellten Ideen gelten auch für den vollständig nachgiebigen
Teil eines teilweise nachgiebigen Mechanismus. Daher werden wir
im Rest der Anmeldung die Kennzeichner: teilweise oder vollständig weggelassen.
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So
wie es hierin verwendet wird, bezieht sich ”Leistungsvermögen” auf die
Kraft- und/oder Bewegungsübertragungseigenschaften
eines Mechanismus, wie etwa dessen quasi statisches Kraft-Auslenkungs-Verhalten,
die Natur seiner Verformung, den Weg, den ein Punkt an dem Mechanismus
verfolgt, sein dynamisches Ansprechen usw. Sobald ein nachgiebiger
Mechanismus mit einer gegebenen Konstruktion hergestellt wird, ist
sein Leistungsvermögen in
Ansprechen auf einen gegebenen Satz von Lasten festgelegt. Deshalb
müssen
nachgiebige Mechanismen häufig
für jede
Anwendung kundenspezifisch konstruiert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
nachgiebiger Mechanismus umfasst einen Körper des nachgiebigen Mechanismus,
der ausgestaltet ist, in Ansprechen auf einen mechanischen Eingang
einen mechanischen Ausgang zu erzeugen. Der Körper des nachgiebigen Mechanismus weist
zumindest einen Bereich auf, der durch ein aktives Material gebildet
ist. Das aktive Material ist ausgestaltet, in Ansprechen auf ein
Aktivierungssignal eine Änderung
zumindest einer Materialeigenschaft zu erfahren. Beispielhafte Materialeigenschaften
umfassen Speichermodul, Verlustmodul, Versagensdehnung, usw. diese Änderung
der Eigenschaft kann dazu verwendet werden, das Leistungsvermögen des
Mechanismus zu verändern,
während
das Aktivierungssignal angelegt wird. Alternativ kann die Änderung
der Eigenschaft dazu verwendet werden, die Konfiguration des Mechanismus
zu verändern,
so dass das Leistungsvermögen
des nachgiebigen Mechanismus selbst dann verändert wird, wenn das Aktivierungssignal
nicht angelegt wird. Beide obige Ansätze können in Verbindung und/oder
synchron verwendet werden.
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Der
hierin vorgestellte nachgiebige Mechanismus ist für eine Vielfalt
von unterschiedlichen Anwendungen kundenspezifisch anpassbar, da
seine Konfiguration und somit sein Leistungsvermögen einstellbar ist. Ein entsprechendes
Verfahren umfasst, dass ein Körper
des nachgiebigen Mechanismus bereitgestellt wird, der eine erste
Konfiguration aufweist, so dass der Körper des nachgiebigen Mechanismus
ein erstes Leistungsvermögen
in Ansprechen auf einen Eingang erzeugt. Der Körper des nachgiebigen Mechanismus
weist einen Bereich auf, der durch ein aktives Material gebildet
ist und ausgestaltet ist, eine Änderung
der Konfiguration in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu erfahren.
Das Verfahren umfasst darüber
hinaus, dass das Aktivierungssignal an den Bereich angelegt wird.
Dies führt zu
einer Änderung
des Leistungsvermögens
des Mechanismus in Ansprechen auf denselben Eingang.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der besten Ausführungsarten
der Erfindung in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen
leicht deutlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnitts-Seitenansicht eines nachgiebigen
Mechanismus, der vier Aktivierungseinrichtungen aufweist;
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2 ist
eine schematische Querschnitts-Seitenansicht des nachgiebigen Mechanismus
von 1, wobei eine erste der Aktivierungseinrichtungen
ein Aktivierungssignal an einen ersten Bereich des nachgiebigen
Mechanismus anlegt;
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3 ist
eine schematische Querschnitts-Seitenansicht des nachgiebigen Mechanismus
der 1 und 2, wobei eine zweite der Aktivierungseinrichtungen
ein Aktivierungssignal an einen zweiten Bereich des nachgiebigen
Mechanismus anlegt;
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4 ist
eine schematische Seitenansicht eines anderen nachgiebigen Mechanismus,
der sich durch eine erste Konfiguration auszeichnet und eine Mehrzahl
von Aktivierungseinrichtungen aufweist;
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5 ist
eine schematische Seitenansicht des nachgiebigen Mechanismus von 4,
wobei eine der Aktivierungseinrichtungen ein Aktivierungssignal
an einen Bereich des nachgiebigen Mechanismus anlegt, und die Konfiguration
des Mechanismus durch das Anlegen einer äußeren Kraft verändert wird,
während
das Aktivierungssignal angelegt wird; und
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6 ist
eine schematische Seitenansicht des nachgiebigen Mechanismus der 4 und 5,
der sich durch eine zweite Konfiguration auszeichnet, die sich von
der ersten Konfiguration unterscheidet.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
nachgiebiger Mechanismus ist aus einem thermisch aktivierten Formgedächtnispolymer (SMP)
hergestellt. Temperatursteuerelemente (z. B. Widerstandsheizungen,
thermoelektrische Module usw.), die Bereiche des Mechanismus örtlich erwärmen und/oder
kühlen
können,
sind über
den Körper des
Mechanismus hinweg verteilt. Die Speicher- und Verlustmoduln des
SMP erfahren eine signifikante Abnahme (z. B. um den Faktor von
[engl.: or] 10 bis 1000), wenn es über eine charakteristische
Umformungstemperatur Tf erwärmt
wird (Tf > Tx, eine
charakteristische Umschalttemperatur). Oberhalb von Tf zeigt eine
Probe des Materials gummiartiges Verhalten, das sich durch eine
niedrige Steifigkeit, niedrige interne Dämpfung und eine hohe Grenze
der elastischen Dehnung auszeichnet. Wenn die Probe unter eine charakteristische
Aushärtungstemperatur
Ts abgekühlt
wird (Ts < Tx),
stellt sie ihr glasartiges Verhalten wieder her, das sich durch
eine höhere
Steifigkeit, eine höhere
interne Dämpfung
und eine niedrige Grenze der elastischen Dehnung auszeichnet. Die Eigenschaften
des Materials (z. B. Speichermodul, Verlustmodul, Grenze der elastischen
Dehnung usw.) können
zwischen Ts & Tf
kontinuierlich variieren. Die Steifigkeit, interne Dämpfung und
Grenze der elastischen Dehnung der Bereiche des Mechanismus in der
Nähe der
Temperatursteuerelemente sind somit durch Steuern ihrer Temperatur
selektiv variabel. Wenn ein kleiner Bereich des Mechanismus auf
eine Temperatur über
Tf erwärmt
wird, kann er auch abhängig
von seiner Lage in dem Mechanis mus als de facto Scharnier wirken.
Wenn der Bereich anschließend
auf unter Ts abgekühlt
wird, wird er dann in dem Mechanismus wieder ein steifer Bereich.
Die Impedanz (Steifigkeit & interne
Dämpfung)
eines solchen de facto Scharniers kann auf irgendeinen Wert zwischen
den entsprechenden Grenzen abgestimmt werden, indem die Temperatur
des Bereichs zwischen Ts & Tf
gesteuert wird. Wenn ein de facto Scharnier auf diese Weise in einem
nachgiebigen Mechanismus geschaffen wird, dessen Körper aus einem
thermisch aktivierten SMP hergestellt ist, ist die Haltbarkeit des
Mechanismus im Vergleich mit dem gleichen Mechanismus mit einem
de facto Scharnier verbessert, das geschaffen wird, indem der Querschnitt örtlich verringert
wird, da die Grenze der elastischen Dehnung im ersteren Fall beträchtlich
höher ist
(z. B. einen Faktor von 1,5–20).
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Wenn
die Eigenschaften eines größeren Bereichs,
z. B. eines gesamten Segments, des Körpers des Mechanismus modifiziert
werden, indem dessen Temperatur gesteuert wird, kann sich das größere Segment
in dem Mechanismus wie ein flexibles Glied verhalten. Wenn eine
Relativbewegung zwischen Teilen eines nachgiebigen Mechanismus durch
Biegen eines dazwischen angeordneten flexiblen Segments ermöglicht wird,
sagt man, dass der Mechanismus eine verteilte Nachgiebigkeit zeigt.
Die geballte Nachgiebigkeit, die zu de facto Scharnieren gehört, erfährt höhere Dehnungen
und Spannungen, da die Relativbewegung zwischen benachbarten Segmenten
durch die Verformung eines sehr kleinen Bereichs in dem Körper des
Mechanismus erreicht wird. Ein Verteilen der Nachgiebigkeit über einen
größeren Bereich
führt zu
niedrigeren Spannungen und somit zu einer längeren Lebensdauer des Mechanismus.
Die Fähigkeit,
die Materialeigenschaften zu modulieren, gestattet es den Konstrukteuren,
beide Arten von Nachgiebigkeit wann immer notwendig zu schaffen, wenn
zumindest ein Teil des nachgiebigen Mechanismus aus aktiven Materia lien
hergestellt ist, deren Eigenschaften durch einen geeigneten Stimulus
reversibel moduliert werden können.
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Jedes
Temperatursteuerelement, das über den
Körper
des Mechanismus hinweg verteilt ist, kann zumindest ein steuerbares
de facto Scharnier und/oder flexibles Segment erzeugen. Die Kraft-
und Bewegungsübertragungseigenschaften
des nachgiebigen Mechanismus sind selektiv variabel, indem gesteuert
wird, welches, falls überhaupt,
der de facto Scharniere und/oder flexiblen Segmente aktiviert wird.
Die Fähigkeit,
de facto Scharniere und/oder flexible Segmente zu erzeugen, gestattet
es dem Benutzer, die Topologie (d. h. die Zahl von Gliedern, die Anzahl
von Gelenken, den Typ von Gliedern, den Typ von Gelenken und die
Verbindungsfähigkeit
von Gliedern) und somit das Leistungsvermögen und/oder die Funktionalität des Mechanismus
zu modifizieren, nachdem er hergestellt worden ist.
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Sobald
in der vorstehenden Diskussion ein de facto Scharnier oder ein flexibles
Segment erzeugt wurde, indem der geeignete Stimulus mit dem richtigen
Niveau vorgesehen wurde (z. B. das SMP über Tf erwärmt wurde), wurde der Stimulus
ständig angelegt,
um die gewünschten
viskoelastischen Eigenschaften in den gewählten Bereichen aufrechtzuerhalten,
solange der Mechanismus für
seinen vorgesehenen Zweck verwendet wurde. Wenn ein de facto Scharnier
erzeugt wurde, um es zu ermöglichen, dass
der Mechanismus eine besondere Aufgabe durchführen kann, wurde das Material
in diesem Bereich auf Tf erwärmt,
bevor der Mechanismus die Aufgabe startete, und wurde über dieser
Temperatur gehalten, während
der Mechanismus die Aufgabe durchführte.
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Wenn
der Stimulus, der angelegt wird, um ein de facto Scharnier oder
ein flexibles Segment zu erzeugen, weggenommen wird (z. B. der Bereich
des de facto Scharniers/flexiblen Segments in dem nachgiebigen Mechanis mus,
der aus thermisch aktiviertem SMP hergestellt ist, auf unter Ts
abgekühlt
wird), wird das Scharnier oder das flexible Segment wieder ein starres
Element. Wenn es unter Ts abgekühlt
ist, wird das de facto Scharnier/flexibles Segment in der letzten
Form, die durch die Kräfte
erzeugt wird, die auf es einwirken, bevor es auf unter Ts abkühlte, ”darin verriegelt” oder ”eingefroren”. Dieser ”eingefrorene” Zustand
ist temporär
und wird so lange gehalten, wie die Temperatur unter Ts bleibt und
die Spannung an dem Scharnier/Segment aufgrund der angelegten Lasten
unter einem Schwellenwert bleibt. Bei höheren Spannungen kann das Material
in dem Scharnier/Segment eine wieder herstellbare oder nicht wieder
herstellbare (z. B. plastische) Dehnung erfahren, die zu einer Abweichung
von der ”eingefrorenen” Konfiguration
führt.
Die ursprüngliche
Konfiguration kann leicht wieder hergestellt werden, indem der Mechanismus
auf eine Temperatur über
Tf erwärmt
wird, während
keine externen Lasten auf ihn wirken und er nicht irgendeine nicht
wieder herstellbare Dehnung erfahren hat.
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Ein
Deaktivieren eines de facto Scharniers oder eines flexiblen Segments
verringert die Beweglichkeit des nachgiebigen Mechanismus, wodurch dessen
Funktionalität
eingeschränkt
wird. Wenn genug de facto Scharniere und/oder flexible Segmente, die
wie zuvor beschrieben erzeugt wurden, deaktiviert werden, kann die
Beweglichkeit des Mechanismus auf Null verringert werden – wobei
der Mechanismus im Wesentlichen in seiner letzten Konfiguration
verriegelt wird. Die Fähigkeit,
einen Mechanismus (starrer Körper
oder nachgiebig) in einer Konfiguration zu verriegeln, ohne irgendwelche
Energie zuzuführen,
um diese Konfiguration aufrechtzuerhalten, ist sehr nützlich und
wird häufig
als Null-Leistungs-Halten oder Halten mit ausgeschalteter Leistung
bezeichnet. Es ist anzumerken, dass in einem nachgiebigen Mechanismus,
wie in allen Mechanismen, die Beweglichkeit bei einer nominellen
Eingangs- und Ausgangskraft und/ oder -bewegung bestimmt wird; wobei übermäßige Eingangs-
und/oder Ausgangskräfte
eine unerwünschte
Beweglichkeit erzeugen und zu einem Schaden an dem Mechanismus führen können. Wir
nehmen einen nominellen Betrieb in der vorstehenden Beschreibung
der Null-Leistungs-Haltefähigkeit
in einem nachgiebigen Mechanismus an.
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In
der obigen Diskussion wurde das Anlegen von geeigneten Stimuli zum
Erzeugen einer gewünschten
räumlichen
Verteilung in den Steifigkeits- und
internen Dämpfungseigenschaften
des Mechanismus offenbart. Das einfache Ausweiten dieses Konzepts
bringt temporäre
Abweichungen in diesen Eigenschaften mit sich, indem die Größe und/oder Phase
der an unterschiedliche Teile des Mechanismus angelegten Stimuli
als eine Funktion der Zeit gesteuert wird/werden. Die räumliche
und zeitliche Veränderung
der mechanischen Eigenschaften kann ebenfalls gleichzeitig vorgenommen
werden. Die Modulation der Stimuli kann als Teil einer Steuerung
des Mechanismus vorgenommen werden, oder sie kann für eine Regelung
des Mechanismus verwendet werden.
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Die
Fähigkeit,
temporäre
Verformungen darin zu verriegeln, kann dazu verwendet werden, das Leistungsvermögen des
Mechanismus zu ändern, ohne
zu erfordern, dass die Stimuli ständig angelegt werden, während der
Mechanismus in Gebrauch ist. In diesem Fall wird der Stimulus an
eines oder mehrere Segmente eines Körpers eines nachgiebigen Mechanismus
angelegt, bevor er verwendet wird. Die örtlich festgelegte oder verteilte
Nachgiebigkeit, die durch das Anlegen des Stimulus erzeugt wird,
wird in Verbindung mit einer äußeren Kraft
dazu verwendet, die Geometrie dieser Segmente zu modifizieren. So wie
es hierin verwendet wird, umfasst ”Geometrie” Längen, Formen und Querschnittsabmessungen
von Segmenten des Mechanismus und Positionen von herausragenden
Punkten in dem Mechanismus.
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Diese Änderungen
werden dann darin verriegelt, um sicherzustellen, dass die modifizierte
Geometrie festgehalten wird, selbst wenn der Stimulus AUS ist. Die Änderung
der Geometrie führt
zu einer Änderung
der kinematischen und/oder kinetostatischen Parameter des Mechanismus
und somit zu einer Änderung
seines quasi statischen und/oder dynamischen Leistungsvermögens. So
wie es früher besprochen
wurde, kann die ursprüngliche
Konfiguration leicht wieder hergestellt werden, indem der Mechanismus
auf eine Temperatur über
Tf erwärmt wird,
während
keine äußeren Lasten
auf ihn einwirken.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Abschnitt eines nachgiebigen
Mechanismus 10 schematisch gezeigt. Der nachgiebige Mechanismus 10 umfasst
einen elastischen Körper 14,
der ein aktives Material 18 umfasst. Das aktive Material 18 zeichnet sich
durch Materialeigenschaften aus, die durch das Anlegen eines geeigneten
Stimulus modifiziert werden können.
Beispielhafte Materialeigenschaften umfassen elastische Eigenschaften,
wie etwa Modul, elastische Dehnungsrate usw. sowie die interne Dämpfung in
dem Material. Das aktive Material 18 ist ausgestaltet,
um in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal eine Änderung
zumindest einer der Materialeigenschaften zu erfahren. Genauer zeichnet
sich die Materialeigenschaft durch einen messbaren Wert aus, der
sich in Ansprechen auf das Anlegen des Aktivierungssignals (Stimulus)
verändert.
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Ein
Ende 20 des elastischen Körpers 14 ist an einem
feststehenden Objekt 22 auf eine einseitig eingespannte
Weise montiert. In einem nicht unter Spannung stehenden Zustand,
wie er in den 1–3 bei 14 gezeigt
ist, ist der elastische Körper 14 im
Allgemeinen geradlinig und zeichnet sich durch eine konstante Querschnittsfläche entlang
seiner Länge
aus. Es ist anzumerken, dass, obwohl der elastische Körper 14 in
der gezeigten Aus führungsform
in einem nicht unter Spannung stehenden Zustand geradlinig ist und
sich durch eine konstante Querschnittsfläche auszeichnet, der elastische
Körper 14 eines
nachgiebigen Mechanismus sich durch irgendeine Form innerhalb des
Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung auszeichnen kann. In der gezeigten
Ausführungsform
erstreckt sich das aktive Material 18 über die gesamte Länge des
elastischen Körpers 14.
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Der
nachgiebige Mechanismus 10 umfasst auch eine Mehrzahl von
Aktivierungseinrichtungen 26A–26D, die voneinander
entlang der Länge
des elastischen Körpers 14 beabstandet
sind. Jede Aktivierungseinrichtung 26A–26D ist ausgestaltet,
um das Aktivierungssignal selektiv an einen jeweiligen Bereich 30A–30D des
elastischen Körpers 14 anzulegen,
so dass zumindest eine Materialeigenschaft in jedem der Bereiche 30A–30D verändert wird.
Somit dient jede Aktivierungseinrichtung 26A–26D dazu, die
elastischen Eigenschaften eines jeweiligen der Bereiche 30A–30D selektiv
zu verändern.
In einer Ausführungsform
ist das aktive Material 18 ein thermisch aktiviertes Formgedächtnispolymer
(SMP), und die Aktivierungseinrichtungen 26A–26D sind elektrische
Widerstandsheizelemente, die ausgestaltet sind, Wärme, d.
h. ein thermisches Aktivierungssignal, an einen jeweiligen der Bereiche 30A–30D anzulegen.
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Im
Allgemeinen sind SMP phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei
unterschiedliche Einheiten umfassen, die derart beschrieben werden können, dass
sie unterschiedliche Segmente in dem SMP definieren, wobei jedes
Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. So wie
er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck ”Segment” auf eine
Block, Pfropf oder eine Folge der gleichen oder ähnlichen Monomer- oder Oligomereinheiten,
die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann
kristallin oder amorph sein und wird einen entsprechenden Schmelzpunkt
bzw. eine entsprechende Glasüber gangstemperatur
(Tg) aufweisen. Die Ausdrücke ”charakteristische
Umschalttemperatur” oder ”thermische Übergangstemperatur” werden
hierin der Zweckmäßigkeit
halber austauschbar verwendet, um sich gattungsgemäß auf entweder
eine Tg oder einen Schmelzpunkt abhängig davon zu beziehen, ob
das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist.
Für SMP
mit (n) Segmenten sagt man, dass das SMP ein hartes Segment und
(n – 1)
weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere thermische Übergangstemperatur
als irgendein weiches Segment aufweist. Somit weist das SMP (n)
thermische Übergangstemperaturen
auf. Die thermische Übergangstemperatur
des harten Segments wird die ”letzte Übergangstemperatur” genannt,
und die niedrigste thermische Übergangstemperatur
des sogenannten ”weichsten” Segments
wird die ”erste Übergangstemperatur” genannt.” Es ist wichtig
anzumerken, dass man sagt, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist,
die sich durch die gleiche thermische Übergangstemperatur auszeichnen,
die auch die letzte Übergangstemperatur
ist, das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
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Wenn
das SMP über
die letzte Übergangstemperatur
erwärmt
wird, kann das SMP-Material geformt werden. Eine permanente Form
für das
SMP kann festgelegt oder gespeichert werden, indem das SMP anschließend unter
diese Temperatur abgekühlt wird.
So wie sie hierin verwendet werden, sind die Ausdrücke ”ursprüngliche
Form”, ”zuvor definierte Form” und ”permanente
Form” synonym
und sollen austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form
kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur,
die höher
ist als die thermische Übergangstemperatur
irgendeines weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird,
eine äußere Spannung
oder Last aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und dann unter
die besondere thermische Übergangstemperatur
des weichen Segments abgekühlt
wird, während die
Verformung beibehalten wird.
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Die
permanente Form kann wiederhergestellt werden, indem das Material
bei weggenommener Spannung oder Last über die besondere thermische Übergangstemperatur
des weichen Segments jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird.
Somit sollte klar sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher
Segmente möglich ist,
mehrere temporäre
Formen darzustellen, und es mit mehreren harten Segmenten möglich ist,
mehrere permanente Formen darzustellen. Ähnlich wird eine Kombination
mehrerer SMP unter Verwendung eines geschichteten oder Verbundansatzes Übergänge zwischen
mehreren temporären
und permanenten Formen aufzeigen.
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Für SMP mit
nur zwei Segmenten wird die temporäre Form des Formgedächtnispolymers
bei der ersten Übergangstemperatur
festgelegt, gefolgt durch ein Abkühlen des SMP, während es
unter Last ist, um die temporäre
Form darin zu verriegeln. Die temporäre Form wird aufrechterhalten,
solange das SMP unter der ersten Übergangstemperatur bleibt. Die
permanente Form wird wiedererlangt, wenn das SMP wieder über die
erste Übergangstemperatur
gebracht wird. Ein Wiederholen der Erwärmungs-, Formungs- und Abkühlschritte
kann die temporäre
Form wiederholt zurücksetzen.
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Die
meisten SMP zeigen einen Effekt in einer ”Richtung”, wobei das SMP eine permanente
Form zeigt. Nach dem Erwärmen
des Formgedächtnispolymers über die
thermische Übergangstemperatur
eines weichen Segments ohne eine Spannung oder Last, wird die permanente
Form erreicht, und die Form wird nicht ohne die Verwendung äußerer Kräfte in die
temporäre
Form zurückkehren.
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Als
eine Alternative können
manche Formgedächtnispolymerzusammensetzungen
derart zubereitet werden, dass sie einen Effekt ”in zwei Richtungen” zeigen,
wobei das SMP zwei permanente Formen aufweist. Diese Systeme umfassen
zumindest zwei Polymerkomponenten. Beispielsweise könnte eine
Komponente ein erstes vernetztes Polymer sein, während die andere Komponente
ein unterschiedliches vernetztes Polymer ist. Diese Komponenten
sind durch Schichttechniken kombiniert oder sind einander durchdringende
Netze, wobei die beiden Polymerkomponenten vernetzt sind, aber nicht miteinander.
Durch Ändern
der Temperatur ändert das
Formgedächtnispolymer
seine Form in der Richtung einer ersten permanenten Form oder einer
zweiten permanenten Form. Jede der permanenten Formen gehört zu einer
Komponente des SMP. Die Temperaturabhängigkeit der Gesamtform wird
durch die Tatsache hervorgerufen, dass die mechanischen Eigenschaften
von einer Komponente (”Komponente A”) beinahe
unabhängig
von der Temperatur in dem interessierenden Temperaturintervall sind.
Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente (”Komponente
B”) sind
in dem interessierenden Temperaturintervall temperaturabhängig. In
einer Ausführungsform
wird die Komponente B bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich
mit der Komponente A fester, während
die Komponente A bei höheren
Temperaturen fester wird und die tatsächliche Form bestimmt. Eine
Vorrichtung mit einem Gedächtnis
in zwei Richtungen kann dadurch hergestellt werden, dass die permanente
Form von Komponente A (”erste
permanente Form”)
eingestellt wird, die Vorrichtung in die permanente Form der Komponente
B (”zweite
permanente Form”)
verformt wird und die permanente Form der Komponente B fixiert wird, während eine
Spannung angelegt wird.
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Der
Fachmann sollte erkennen, dass es möglich ist, SMP in vielen unterschiedlichen
Formen und Gestalten zu konfigurieren. Das Konstruieren der Zusammensetzung
und die Struktur des Polymers selbst können die Auswahl einer besonderen
Temperatur für
eine gewünschte
Anwendung zulassen. Beispielsweise kann die letzte Übergangstemperatur
abhängig
von der besonderen Anwendung etwa 0°C bis etwa 300°C oder darüber betragen.
Eine Temperatur zur Formwiederherstellung (d. h. eine thermische Übergangstemperatur
eines weichen Segments) kann größer als
oder gleich etwa –30°C sein. Eine andere
Temperatur zur Formwiederherstellung kann größer als oder gleich etwa 20°C sein. Eine
andere Temperatur zur Formwiederherstellung kann größer als
oder gleich etwa 70°C
sein. Eine andere Temperatur zur Formwiederherstellung kann kleiner
als oder gleich etwa 250°C
sein. Eine nochmals andere Temperatur zur Formwiederherstellung
kann kleiner als oder gleich etwa 200°C sein. Schließlich kann eine
andere Temperatur zur Formwiederherstellung kleiner als oder gleich
etwa 180°C
sein.
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Geeignete
Polymere zur Verwendung in dem SMP umfassen Thermoplaste, warmhärtende Materialien,
sich gegenseitig durchdringende Netze, sich gegenseitig halbdurchdringende
Netze oder vermischte Netze aus Polymeren. Die Polymere können ein
einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere
können
geradkettige oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten
oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten
zur Bildung eines Formgedächtnispolymers
umfassen, ohne Einschränkung
darauf, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide,
Polyaminosäuren, Polyanhydride,
Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole,
Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether,
Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide,
Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester,
Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon,
chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether)ethy lenvinylacetat,
Polyethylen, Polyethylenoxid-polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon
(Pfropfcopolymer), Polycaprolactone-polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat,
Poly(norbornylpolyhedral-oligomeres-silsesquioxan), Polyvinylchlorid,
Urethan/Butadiencopolymere, Polyurethanblock-copolymere, Styrol-Butadien-Styrolblockcopolymere
und dergleichen und Kombinationen, die mindestens eine der vorstehenden
Polymerkomponenten umfassen. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten
umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat,
Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat,
Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat,
Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat.
Das Polymer/die Polymere, die dazu verwendet werden, die verschiedenen
Segmente in den oben beschriebenen SMP zu bilden, sind entweder
im Handel erhältlich
oder können
unter Verwendung von routinemäßiger Chemie
synthetisiert werden. Fachleute können die Polymere unter Verwendung
bekannter Chemie und Verarbeitungstechniken ohne übermäßiges Experimentieren
leicht herstellen.
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Thermisch
aktivierte Formgedächtnispolymere
zeigen eine signifikante Abnahme des Moduls, wenn sie über die
thermische Übergangstemperatur (Tx) erwärmt
werden. Genauer hängen
die Speicher- und die Verlustmoduln eines SMP stark von der Temperatur
ab (insbesondere in der Nähe
der thermischen Übergangstemperatur).
Somit sprechen thermisch aktivierte Formgedächtnispolymere auf ein thermisches
Aktivierungssignal an, indem sie eine signifikante Abnahme des Moduls
zeigen, wenn ihre Temperatur über
Tx angehoben wird. Jede der Aktivierungseinrichtungen 26A–26D ist
ausgestaltet, um ein thermisches Aktivierungssignal selektiv an
einen jeweiligen der Bereiche 30A–30D anzulegen, wenn er
aktiviert wird, wodurch der jeweilige der Bereiche über die
thermische Übergangstemperatur
erwärmt wird.
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Wenn
somit das Aktivierungssignal an einer besonderen Bereich 30A–30D angelegt
wird, wird der Modul des Bereichs signifikant verringert und der Bereich
wird ein Abschnitt mit niedrigerer Steifigkeit des elastischen Körpers 14 und
fungiert somit als ein de facto Scharnier, solange das Aktivierungssignal angelegt
wird. Bei Fehlen des Aktivierungssignals, d. h. unterhalb der thermischen Übergangstemperatur, ist
ein Bereich 30A–30D nicht
länger
ein Abschnitt mit niedrigerer Steifigkeit des elastischen Körpers 14 und
fungiert somit nicht als ein de facto Scharnier. Dementsprechend
sind die Bereiche 30A–30D selektiv
betätigbare
de facto Scharniere.
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In
der gezeigten Ausführungsform
sind die Aktivierungseinrichtungen 26A–26D in dem aktiven Material 18 eingebettet,
so dass sie ein integrierter Abschnitt des elastischen Körpers 14 sind.
Andere Aktivierungseinrichtungskonfigurationen können innerhalb des Schutzumfangs
der beanspruchten Erfindung angewandt werden. Beispielsweise können Aktivierungseinrichtungen 26A–26D außen an dem elastischen
Körper 14 montiert
sein. Leitfähige
Drähte 28 können auch
in den elastischen Körper 14 eingebettet
sein, um elektrischen Strom selektiv den Aktivierungseinrichtungen 26A–26D von
einer elektrischen Energiequelle (nicht gezeigt) zuzuführen. Die Aktivierungseinrichtungen 26A–26D sind
verdrahtet, so dass jede Einrichtung 26A–26D einzeln
ausgewählt
werden kann.
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In 1 legt
keine der Aktivierungseinrichtungen 26A–26D das Aktivierungssignal
an die Bereiche 30A–30D an,
und somit ist die Steifigkeit der Bereiche 30A–30D nicht örtlich verringert;
d. h. die Bereiche 30A–30D weisen
im Wesentlichen die gleichen elastischen Eigenschaften wie der Rest
des elastischen Körpers 14 auf.
Wenn eine Eingangskraft F auf das Ende 34 des elastischen
Körpers 14 aufgebracht
wird, das entgegengesetzt zu dem Ende 20 ist, wird der
elastische Körper 14 zu
der bei 14A gezeigten Position ausgelenkt. In Ansprechen
auf die Eingangskraft F zeichnet sich der nachgiebige Mechanismus
durch eine Ausgangsbewegung aus: das Ende 34 folgt einem
Weg 38A, wenn der elastische Körper 14 in die bei 14A gezeigte
Position ausgelenkt wird. Wenn die Last F weggenommen wird, kehrt
der elastische Körper
aufgrund der Freigabe elastischer Energie, die in dem elastischen
Körper 14 gespeichert
ist, zu der bei 14 gezeigten Position zurück. Die Abmessungen
des nachgiebigen Mechanismus 10 und die elastischen Eigenschaften
des SMP sind derart gewählt,
dass sichergestellt ist, dass der nachgiebige Mechanismus 10 bei
der gewünschten
Betriebstemperatur des Mechanismus 10 eine ausreichende Steifigkeit
aufweist (z. B. um die gewünschten
Lasten zu übertragen/diesen
standzuhalten), wenn die gewünschten
de facto Scharniere 30A–30D aktiviert sind.
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Unter
Bezugnahme auf 2, in der sich gleiche Bezugszeichen
auf gleiche Bauteile aus 1 beziehen, legt die Aktivierungseinrichtung 26A das
Aktivierungssignal an den Bereich 30A an, so dass der Bereich 30A ein örtlich geschwächter Abschnitt
des elastischen Körpers 14 ist.
Das heißt,
die Aktivierungseinrichtung 26A legt Wärmeenergie an den Bereich 30A an,
so dass der Bereich 30A über der thermischen Übergangstemperatur
liegt. Die Aktivierungseinrichtungen 26B–26D legen
das Aktivierungssignal nicht an die Bereiche 30B–30D an,
und die Bereiche 30B–30D liegen
unter der thermischen Übergangstemperatur.
Wenn eine Eingangskraft F auf das Ende 34 aufgebracht wird,
wirkt der aktivierte Bereich 30A wie ein Biegescharnier,
und der elastische Körper 14 verformt
sich in die bei 14B gezeigte Position. In Ansprechen auf
die Eingangskraft F zeichnet sich der nachgiebige Mechanismus durch eine
Ausgangsbewegung aus: das Ende 34 folgt einem Weg 38B,
wenn der elastische Körper 14 in
die bei 14B gezeigte Position ausgelenkt wird. Es wird
in diesem Fall weniger Dehnungsenergie in dem Bereich 30A gespeichert,
wenn die Verformung des elastischen Körpers 14 stattfindet,
da der Bereich 30A über
der thermischen Übergangstemperatur liegt,
als wenn die gleiche Verformung aufträte, während der Bereich 30A unter
der thermischen Übergangstemperatur
läge. Somit
kann der elastische Körper 14 eine
geringere Tendenz zeigen, in seine anfängliche Konfiguration zurückzuspringen,
wenn die aufgebrachte Kraft F weggenommen wird, während der
Bereich 30A über
der thermischen Übergangstemperatur
liegt.
-
Wenn
zugelassen wird, dass sich der Bereich 30A auf unter die
thermische Übergangstemperatur
abkühlen
kann, d. h. indem die Aktivierungseinrichtung 26A deaktiviert
wird, während
die Kraft F aufrechterhalten wird, dann wird der elastische Körper 14 selbst
nach Wegnahme der Kraft F die bei 14B gezeigte ausgelenkte
Form aufrechterhalten. Zu einer späteren Zeit, wenn die Aktivierungseinrichtung 26A das
Aktivierungssignal an dem Bereich 30A anlegt, um den Bereich 30A über die Übergangstemperatur
zu erwärmen,
dann ist die darin verriegelte Dehnung bei Bereich 30A freigebbar.
-
Unter
Bezugnahme auf 3, in der sich gleiche Bezugszeichen
auf gleiche Bauteile aus den 1 und 2 beziehen,
legt die Aktivierungseinrichtung 26B das Aktivierungssignal
an den Bereich 30B an, so dass der Bereich 30B ein örtlich geschwächter Abschnitt
des elastischen Körpers 14 ist. Die
Aktivierungseinrichtungen 26A, 26C, 26D legen das
Aktivierungssignal nicht an die Bereiche 30A, 30C, 30D an,
und somit sind die Bereiche 30A, 30C, 30D keine örtlich geschwächten Abschnitte
des elastischen Körpers 14.
Wenn die Kraft F auf das Ende 34 aufgebracht wird, wirkt
der aktivierte Bereich 30B wie ein Biegescharnier, und
der elastische Körper 14 verformt
sich in die bei 14C gezeigte Position. In Ansprechen auf
die Eingangskraft F zeichnet sich der nachgiebige Mechanismus durch eine
Ausgangsbewegung aus: das Ende 34 folgt einem Weg 38C,
wenn der elastische Körper 14 zu
der bei 14C gezeigten Position ausgelenkt wird.
-
Wenn
zugelassen wird, dass sich der Bereich 30B auf unter die
thermische Übergangstemperatur
abkühlen
kann, d. h. durch Deaktivieren der Aktivierungseinrichtung 26B,
während
die Kraft F aufrechterhalten wird, dann wird der elastische Körper 14 die
bei 14C gezeigte ausgelenkte Form selbst nach Wegnahme
der Kraft F aufrechterhalten. Zu einer späteren Zeit, wenn die Aktivierungseinrichtung 26B das
Aktivierungssignal an dem Bereich 30B anlegt, um den Bereich 30B über die Übergangstemperatur
zu erwärmen,
dann ist die darin verriegelte Dehnung bei Bereich 30B freigebbar.
-
Unter
Bezugnahme auf die 1–3 variieren
die Wege 38A – C,
denen das Ende 34 des elastischen Körpers 14 in Ansprechen
auf eine Eingangskraft F folgt, abhängig davon, welcher, wenn überhaupt,
der Bereiche 30A–D über der
thermischen Übergangstemperatur
liegt; wodurch die Kraft-Auslenkungs-Kennlinie des elastischen Körpers 14 selektiv
variabel ist, indem die Aktivierungseinrichtungen 26A – D aktiviert
werden. Genauer sind die Wege 38A – C in der gezeigten Ausführungsform Bögen mit
voneinander verschiedenen Radien. Der geradlinige elastische Körper 14 kann
eine breite Vielfalt von Formen annehmen, indem mehrere Aktivierungseinrichtungen 26A – D gleichzeitig
oder nacheinander aktiviert werden und geeignete Lasten auf den
elastischen Körper 14 aufgebracht
werden.
-
Das
Aktivierungssignal zeichnet sich durch eine Eigenschaft aus, die
einen messbaren Wert aufweist, der selektiv variabel ist. Wenn beispielsweise das
Aktivierungssignal thermisch ist, dann kann der messbare Wert die
Temperatur sein. Beispielhafte Eigenschaften des Aktivierungssignals können Amplitude,
Phase usw. umfassen. Das aktive Material 18 ist derart
ausgestaltet, dass der Wert der Materialeigenschaft eine Funktion
des Werts der Eigenschaft des Aktivierungssignals ist; d. h. über zumindest
einen Wertebereich der Eigenschaft des Aktivierungssignals bewirkt
eine Änderung
des Werts der Eigenschaft des Aktivierungssignals eine Änderung
des Werts der Materialeigenschaft. Die Aktivierungseinrichtungen 26A–D sind
derart ausgestaltet, dass der Aktivierungssignalwert selektiv variabel
ist. In der Ausführungsform,
in der die Aktivierungseinrichtungen 26A–D elektrische
Widerstandsheizungen sind, ist die Temperatur der Einrichtungen 26A–D steuerbar,
indem der Betrag an elektrischem Strom zu den Einrichtungen 26A–D gesteuert
wird.
-
Unter
spezieller Bezugnahme auf 1 umfasst
der nachgiebige Mechanismus 10 einen Controller 50.
Der Controller 50 ist funktional mit jeder der Aktivierungseinrichtungen 26A–D über Drähte 28 verbunden
und ausgestaltet, um den Wert der Materialeigenschaft von aktivem
Material 18 in den Bereichen 30A–D selektiv
zu steuern. Genauer wird der Wert der Materialeigenschaft in einem
der Bereiche 30A–D
durch die Temperatur des Bereichs bestimmt; die Temperatur des Bereichs
wird zumindest zum Teil durch den Betrag an elektrischem Strom,
der von der Aktivierungseinrichtung, die dem Bereich zugeordnet ist,
empfangen wird, bestimmt. Der Controller 50 ist ausgestaltet,
um den Betrag an elektrischem Strom durch die Drähte 28 zu den Aktivierungseinrichtungen 26A–D zu steuern.
Dementsprechend ist der Controller 50 ausgestaltet, um
die Temperatur der Bereiche 30A–D zu steuern, indem der zu
den Aktivierungseinrichtungen 26A–D übertragene elektrische Strom
gesteuert wird.
-
Der
Controller 50 ist ausgestaltet, um jede der Aktivierungseinrichtungen 26A–D einzeln
zu steuern. Mit anderen Worten ist der Betrag an elektrischem Strom,
der zu irgendeiner der Aktivierungseinrichtungen 26A–D übertragen
wird, unabhängig
von dem Betrag an Strom, der zu irgendeiner der anderen Aktivierungseinrichtungen 26A–D übertragen
wird.
-
In
der Ausführungsform,
in der das aktive Material 18 SMP ist, sind die Speicher-
und Verlustmoduln des SMP stark abhängig von der Temperatur, insbesondere
in der Nähe
der Übergangstemperatur Tx.
Wie es zuvor angemerkt wurde, variieren die Eigenschaften des Materials
(z. B. Speichermodul, Verlustmodul, Grenze der elastischen Dehnung
usw.) zwischen Ts & Tf
kontinuierlich. Somit ist der Controller 50 ausgestaltet,
um die Speicher- und Verlustmoduln der Bereiche 30A – D selektiv
zu steuern, indem der Betrag an Strom zu den Aktivierungseinrichtungen 26A – D gesteuert
wird. Die Fähigkeit,
die Temperatur einer Aktivierungseinrichtung 26A – D zu variieren,
erlaubt eine Steuerung über
die Nachgiebigkeits- und Dämpfungseigenschaft
des Bereichs 30A – D
entsprechend der Aktivierungseinrichtung 26A – D. Durch
selektives Wählen,
welche der Aktivierungseinrichtungen 26A – D aktiviert
werden soll und auf welche Temperatur die entsprechenden Bereiche 30A – D angehoben
werden sollen, steuert der Controller 50 die Verteilung
der Steifigkeit sowie die Dämpfung
in dem Körper 14 des
nachgiebigen Mechanismus.
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Die
Temperatur von Bereichen, die rein flexible Segmente sein sollen,
muss bei oder über
einer Umformungstemperatur gehalten werden, die von Bereichen, die
gedämpfte
flexible Segmente sein sollen, muss zwischen einer Aushärtungs-
und einer Umformungstemperatur gehalten werden, und die von starren
Segmenten, muss unter einer Umformungstemperatur gehalten werden.
Die Aktivierungseinrichtungen können
auch umgeordnet werden, um ihre Einflussbereiche unabhängig von
ihrem Aktivierungs-/Deaktivierungszustand zu verändern. Es ist anzumerken, dass
die Aktivierungseinrichtungen auch Kühler umfassen können, die
ausgestaltet sind, um die Temperaturen von Bereichen zu verringern.
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Der
nachgiebige Mechanismus 10 umfasst auch zumindest einen
Sensor 54, der funktional mit dem Controller 50 verbunden
ist. Der Sensor 54 ist ausgestaltet, um eine Bedingung
zu überwachen
und um ein Sensorsignal an den Controller 50 zu übertragen,
das die Bedingung angibt. Beispielhafte Bedingungen umfassen Temperaturen
von einem oder mehreren Bereichen des Körpers, die Verschiebung eines
ersten Teils des Körpers 14 mit
Bezug auf einen zweiten Teil des Körpers 14, die Größe und den Vektor
einer Eingangskraft F usw.
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Der
Controller 50 ist programmiert, um den Betrag an elektrischem
Strom zu jeder der Aktivierungseinrichtungen 26A – D und
daher die Werte der Materialeigenschaften der Bereiche 30A – D auf
der Basis der Sensorsignale von dem Sensor 54 und gemäß einem
vorbestimmten Algorithmus zum Erreichen eines vorbestimmten mechanischen
Ausgangs des nachgiebigen Mechanismus 10 für einen
gegebenen Eingang F zu bestimmen und zu steuern. Beispielsweise
kann der Controller 50 abhängig von dem Eingang und den
Sensorsignalen nur Aktivierungseinrichtungen 26A aktivieren,
der Controller 50 kann nur zwei der Aktivierungseinrichtungen 26A–D aktivieren,
oder der Controller kann alle Aktivierungseinrichtungen 26A–D aktivieren.
Abhängig
von den Sensorsignalen kann der Controller ähnlich bewirken, dass der Bereich 30A sich
auf eine erste Temperatur erwärmt,
der Bereich 30D sich auf eine zweite Temperatur, die sich
von der ersten Temperatur unterscheidet, erwärmt, und der Controller kann
die Aktivierungseinrichtungen 26B und 26C nicht
aktivieren, so dass die Bereiche 30B und 30D nicht
erwärmt werden.
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Abhängig von
den Sensorsignalen kann der Controller 50 auch die Temperaturen
der verschiedenen Bereiche mit Bezug auf die Zeit variieren, während die
Eingangskraft aufgebracht wird. Somit können die Lagen aller flexiblen
Segmente, die Steifigkeit von flexiblen und starren Segmenten und
die Dämpfungskoeffizienten
für flexible
Segmente in Ansprechen auf den Controller 50, der die tatsächliche Antwort
des Mechanismus erfasst, alle in Echtzeit verändert werden. Ähnlich und
innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung kann die Länge der
flexiblen Segmente durch selektives Anlegen des Aktivierungssignals
verändert
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 4 umfasst ein nachgiebiger Mechanismus 110 einen
elastischen Körper 114.
Der elastische Körper 114 umfasst
aktives Material 118. Ein Ende 120A des elastischen Körpers 114 ist
an einer ersten Verankerung 122A montiert, und ein anderes
Ende 120B des elastischen Körpers 114 ist an einer
zweiten Verankerung 122B montiert. Die Verankerungen 122A, 122B sind relativ
zueinander räumlich
festgelegt.
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Der
elastische Körper 114 zeichnet
sich durch drei geradlinige Segmente 124A–C aus.
Der elastische Körper 114 zeichnet
sich auch durch vier de facto Scharniere 125A–D aus.
Jedes der de facto Scharniere 125A–D in der gezeigten Ausführungsform
ist durch einen Bereich des elastischen Körpers 114 gebildet,
der sich durch eine örtlich
verringerte Querschnittsfläche
auszeichnet, wie es Fachleute verstehen werden. Die kleinere Querschnittsfläche der
de facto Scharniere 125A–D im Vergleich mit dem Rest
des elastischen Körpers 114 führt zu einer örtlich konzentrierten
Dehnung. Die de facto Scharniere 125A–D zeichnen sich vorzugsweise
durch Kehlen aus, wie es gezeigt ist, um die Haltbarkeit zu verbessern.
Das de facto Scharnier 125A trennt das Ende 120A von
dem Segment 124A. Das de facto Scharnier 125B trennt
das Segment 124A und das Segment 124B. Das de
facto Scharnier 125C trennt das Segment 124B und
das Segment 124C. Das de facto Scharnier 125D trennt
das Segment 124C und das Ende 120B.
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Der
nachgiebige Mechanismus 110 umfasst darüber hinaus drei Aktivierungseinrichtungen 126A–C. Jede
Aktivierungseinrichtung 126A–C ist ausgestaltet, um das
Aktivierungssignal selektiv an einen jeweiligen Bereich 130A–130C des
elastischen Körpers 114 anzulegen,
so dass der Bereich 130AC zumindest eine Materialeigenschaft
verändert.
Somit dient jede Aktivierungseinrichtung 126A–C dazu,
die festgelegten Materialeigenschaften eins jeweiligen der Bereiche 130A–C selektiv
zu variieren.
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In
einer Ausführungsform
ist das aktive Material 118 ein Formgedächtnispolymer (SMP), und jede
der Aktivierungseinrichtungen 126A–C ist ein elektrisches Widerstandsheizelement,
das ausgestaltet ist, Wärme,
d. h. ein thermisches Aktivierungssignal, selektiv an einen jeweiligen
der Bereiche 130A–C
anzulegen, um dadurch einen jeweiligen der Bereiche 130A–C selektiv über die
thermische Übergangstemperatur
anzuheben. In der gezeigten Ausführungsform
ist jede Aktivierungseinrichtung 126A–C eine flexible Hülse, die
einen jeweiligen Bereich 130A–C umgibt. Der Bereich 130A ist
ein Teil des Segments 124A; der Bereich 130B ist
ein Teil des Segments 124B; und der Bereich 130C ist
ein Teil des Segments 124C.
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Der
nachgiebige Mechanismus 110 zeichnet sich in 4 durch
eine erste Konfiguration aus. Die Aktivierungseinrichtungen 126A–126C sind
deaktiviert, so dass die Bereiche 130A–C örtlich nicht geschwächt sind
und den gleichen Modul und die gleiche Querschnittsfläche wie
der Rest der Segmente 124A–C aufweisen. Der nachgiebige
Mechanismus ist in der ersten Konfiguration derart konstruiert,
dass der nachgiebige Mechanismus 110 in Ansprechen auf
eine Eingangskraft 134, die an Eingangsschnittstelle 138 auf
den nachgiebigen Mechanismus 110 aufgebracht wird, eine
Ausgangskraft 142A an einer Ausgangsschnittstelle 144 erzeugt.
Der nachgiebige Mechanismus 110 erzeugt auch eine Ausgangsbewegung
in Ansprechen auf die Eingangskraft 134: die Ausgangsschnittstelle 144 bewegt
sich entlang des Weges 146A. Die Ausgangskraft 142A und
die Ausgangsbewegung treten ohne Aktivierung von irgendeiner der
Aktivierungseinrichtungen 126A–C auf, d. h. bei Fehlen des
an Bereiche 130A–C
angelegten Aktivierungssignals.
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Der
Ausgang des nachgiebigen Mechanismus 110 kann geändert werden,
indem die Form oder Konfiguration des nachgiebigen Mechanismus 110 geändert wird.
Wenn somit beispielsweise ein zweiter Ausgang für den Eingang 134 bei
Fehlen von Aktivierungssignalen an Bereichen 130A–C erwünscht ist, dann
kann der nachgiebige Mechanismus 110 auf eine Weise umgeformt
werden, um den zweiten Ausgang zu erreichen. Unter Bezugnahme auf 5,
in der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile aus 4 beziehen,
ist die Aktivierungseinrichtung 126A aktiviert, um ein
thermisches Aktivierungssignal an Bereich 130A anzulegen.
Der Bereich 130A wird somit über die thermische Übergangstemperatur erwärmt und
ist ein örtlich
geschwächter
Abschnitt des Segments 124A. Indem Formgebungskräfte 150 auf
den nachgiebigen Mechanismus 110 aufgebracht werden, während der
Bereich 130A über
der thermischen Übergangstemperatur
liegt, wird der Bereich 130A des Segments 124A derart
umgeformt, dass der nachgiebige Mechanismus eine zweite Konfiguration
annimmt, die bei 110A gestrichelt gezeigt ist. Nachdem
der nachgiebige Mechanismus in der bei 110A gezeigten Form
vorliegt, wird die Aktivierungseinrichtung 126A deaktiviert,
d. h. es wird zugelassen, dass sich der Bereich 130A auf
unter die thermische Übergangstemperatur
abkühlen
kann. Die Formgebungskräfte 150 werden
aufrechterhalten, bis der Bereich 130A unter der thermischen Übergangstemperatur
liegt, so dass der nachgiebige Mechanismus die bei 110A gezeigte
Form behält.
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Unter
Bezugnahme auf 6, in der sich gleiche Bezugszeichen
auf gleiche Bauteile aus den 4 und 5 beziehen,
zeichnet sich der nachgiebige Mechanismus 110 durch die
zweite Konfiguration aus, und alle Aktivierungseinrichtungen 126A–C sind
aus. Mit der zweiten Form oder Konfiguration ist der nachgiebige
Mechanismus 110 ausgestaltet, um eine Ausgangskraft 142B an
der Ausgangsschnittstelle 144 in Ansprechen auf einen Eingang
der Kraft 134 an der Eingangsschnittstelle 138 zu
erzeugen. Die Ausgangskraft 142B unterscheidet sich von
der Ausgangskraft 142A in Größe und Richtung. Der nachgiebige
Mechanismus 110 erzeugt auch eine Ausgangsbewegung: die
Ausgangsschnittstelle 144 bewegt sich entlang des Weges 146B in Ansprechen
auf die Eingangskraft 134. Der Weg 146B unterscheidet
sich von dem Weg 146A; genauer sind die Wege 146A und 146B Kreisbögen mit
unterschiedlichen Radien. Die Richtung der Anfangsbewegung der Ausgangsschnittstelle 144,
wenn sich der nachgiebige Mechanismus in der ersten Konfiguration
befindet, unterscheidet sich von der Richtung der Anfangsbewegung,
wenn sich der nachgiebige Mechanismus in der zweiten Konfiguration
befindet. Die Kraft-Auslenkungs-Kennlinien des nachgiebigen Mechanismus 110 unterscheiden
sich in der ersten und zweiten Konfiguration aufgrund einer Änderung der
effektiven Länge
des Segments 124A und einer Änderung der Anfangsneigungen
der Glieder 124B, 124C.
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Die
Aktivierungseinrichtungen 126B, 126C sind ähnlich aktivierbar,
um jeweils Bereiche 130B, 130C zu verformen und
den nachgiebigen Mechanismus weiter umzuformen. Die Ausgangskraft
und -bewegung, die durch den nachgiebigen Mechanismus in Ansprechen
auf die Eingangskraft erzeugt werden, können auch selektiv variabel
sein, indem eine oder mehrere der Aktivierungseinrichtungen 126A–C derart
aktiviert wird/werden, dass ein oder mehrere der Bereiche 130A–C über der
thermi schen Übergangstemperatur
des SMP liegt/liegen und als ein de facto Scharnier wirkt/wirken.
Anders als bei dem vorhergehenden Fall, bei dem eine Änderung
des Leistungsvermögens
des Mechanismus durch eine Änderung der
Geometrie des Mechanismus bewirkt wurde, wird hier die Änderung
des Leistungsvermögens
durch eine Änderung
der Topologie des Mechanismus bewirkt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind Aktuatoren mit aktiven Material (nicht gezeigt) in den Körper 114 des
nachgiebigen Mechanismus 110 eingebettet und ausgestaltet,
um die Konfiguration, und somit das Leistungsvermögen, des
Mechanismus in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern. Die Änderung
der Form der Aktuatoren mit aktivem Material bewirkt, dass der Körper 114 die
Form ändert,
und somit verändert
die Änderung
der Form des Aktuators mit aktivem Material das Leistungsvermögen des
nachgiebigen Mechanismus 110. In einer beispielhaften Ausführungsform
sind die Aktuatoren mit aktivem Material vorgedehnte, thermisch
aktivierte Aktuatorelemente mit einer Formgedächtnislegierung (SMA), die
in der teilweise entzwillingten martensitischen Phase (m-Phase)
vorliegen und in den Körper 114 des
nachgiebigen Mechanismus 110 in seiner ursprünglichen
Konfiguration (oder wie hergestellt) eingebettet sind (wie es in 4 gezeigt
ist). Eines oder mehrere dieser SMA-Aktuatorelemente kann in Verbindung
aktiviert werden (z. B. über Joule'sches Erwärmen), um
den Körper 114 des nachgiebigen
Mechanismus 110 zu verformen, so dass er eine geänderte Konfiguration
erreicht, wie etwa eine, die bei 110A in 5 und
bei 110 in 6 gestrichelt gezeigt ist. Ferner
kann diese Verformung darin verriegelt werden, indem die Aktivierung
der SMA-Aktuatorelemente mit der Änderung der Eigenschaften des
aktiven Materials 118 des Körpers 114 durch Aktivierungseinrichtungen 126A–C koordiniert wird,
wie es früher
beschrieben wurde. Da eine unterschiedliche Anfangskonfiguration
für jeden
bestimmten Satz von aktivierten SMA- Aktuatorelementen erhalten wird, wird
durch diesen Ansatz eine beträchtliche
Flexibilität
des Endgebrauchs des nachgiebigen Mechanismus erhalten.
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Das
Deaktivieren der betätigten
SMA-Aktuatorelemente lässt
zu, dass die in dem nachgiebigen Mechanismus gespeicherte Dehnungsenergie,
wenn dieser verformt wurde, den Mechanismus in seine ursprüngliche
Konfiguration zurückstellt.
Wenn die Änderung
der Anfangskonfiguration in Verbindung mit einer Änderung
der Materialeigenschaften für
den Körper 114 des
nachgiebigen Mechanismus vorgenommen wurde, müssten diese Änderungen
synchron mit der Deaktivierung der SMA-Aktuatorelemente umgekehrt
werden, um den Mechanismus 110 zurück in seine Anfangskonfiguration
zurückzuführen. Es
kann auch eine antagonistische SMA-Betätigung
dazu verwendet werden, den Mechanismus zwischen seiner Anfangskonfiguration
und einer veränderten
Konfiguration zu überführen.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 4 ist anzumerken,
dass die nachgiebigen Mechanismen 10, 110 eine
elastische Feder (nicht gezeigt) umfassen können, die ausgestaltet ist,
um den nachgiebigen Mechanismus dabei zu unterstützen, in eine vordefinierte
Form zurückzukehren.
In einer beispielhaften Ausführungsform
ist die elastische Feder in den nachgiebigen Mechanismus eingebettet.
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Es
kann eine Vielfalt von aktiven Materialien 18, 118 innerhalb
des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung verwendet werden.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform sind aktive Materialien 18, 118 magnetorheologische
(MR) Elastomere, und Aktivierungseinrichtungen 26A–26D, 126A–126C sind
ausgestaltet, um ein Magnetfeld selektiv an einen jeweiligen der
Bereiche 30A–30D bzw. 130A–130C anzulegen.
Die Stärke
des Magnetfeldes ist über
einen Bereich von Stärken
steuerbar, um den Modul oder andere elastische Eigenschaften über einen
Wertebereich zu steuern. Da die Steifigkeit eines MR-Elastomers
mit der Stärke
des Magnetfeldes zunimmt, kann es erwünscht sein, ein Permanentmagnet-Vorspannfeld (nicht
gezeigt) an dem nachgiebigen Mechanismus 10, 110 anzuwenden,
so dass das aktive Material 18, 118 bei Fehlen
von magnetischen Aktivierungssignalen von Aktivierungseinrichtungen 26A–26D, 126A–126C steif
ist. Magnetische Felder von Aktivierungseinrichtungen 26A–26D, 126A–126C würden dann
die Steifigkeit von Bereichen 30A–30D, 130A–130C senken,
indem das Permanentmagnet-Vorspannfeld örtlich aufgehoben wird.
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In
den gezeigten Ausführungsformen
sind die Körper 14, 114 des
nachgiebigen Mechanismus aus einem einzigen Stück aktiven Material 18, 118 gebildet.
Es ist jedoch anzumerken, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten
Erfindung ein nachgiebiger Mechanismus beispielsweise nicht aktive
Segmente umfassen kann, die durch Bereiche mit aktivem Material
verbunden sind.
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In
noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein nachgiebiger
Mechanismus aus thermisch aktivierter SMA hergestellt, die sich
bei den normalen Betriebstemperaturen in ihrer austenitischen Phase
befindet. Die de facto Scharniere weisen eine solche Geometrie auf,
dass die Spannung in den Scharnieren viel höher ist als die im Rest des Mechanismus.
Genauer ist die Geometrie derart gewählt, dass die Spannung, die
erforderlich ist, um Martensit zu induzieren, leicht überschritten
wird, wenn der Mechanismus belastet wird. Dies führt zu einer sehr niedrigen
Steifigkeit in dem Scharnier, was zulässt, dass eine große Relativbewegung
an dem Scharnier auftreten kann; wobei die Relativbewegung groß sein kann,
da die spannungsinduzierte Umwandlung von Austenit in Martensit
eine Grenze der wiederherstellbaren Dehnung von 8% aufweist.
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Ein
Entlasten des Mechanismus bewirkt, dass der spannungsinduzierte
Martensit zu Austenit zurückkehrt,
wodurch die ursprünglichen
Eigenschaften des Mechanismus wieder hergestellt werden.
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Es
kann auch eine signifikante Änderung
der mechanischen Eigenschaften, wie etwa der Speicher- und Verlustmoduln,
in einigen Materialien durch Anlegen einer Spannung über einer
charakteristischen Schwelle (Sf) induziert werden. Alle Materialien
werden eine signifikante Änderung
dieser Moduln bei Spannungen erfahren, die das Ausfallspannungsniveau übersteigen
(Sx entsprechend Dehnung, Druck usw.); jedoch können manche Materialien (z.
B. Formgedächtnislegierungen
in ihren teilweise entzwillingten martensitischen sowie vollständig austenitischen
Zuständen,
Formgedächtnispolymeren,
Baroplasten, usw.) große
Dehnungen bei signifikant niedrigeren Moduln über einer Schwellenspannung
S aber unter einer Ausfallspannung erfahren (Sf ≤ S < Sx), so dass diese Dehnungen vollständig wiederhergestellt
werden können.
Die Wiederherstellung der Spannung kann das Anlegen eines äußeren Stimulus
(z. B. Wärme
in dem Fall von Formgedächtnispolymeren
und teilweise entzwillingten martensitischen SMAs) oder einfach
eine Verringerung der angelegten Spannung auf ein Niveau unter Sf
erfordern (z. B. S ≤ Sf < Sx in vollständig austenitischen
SMAs).
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7 zeigt
eine idealisierte Antwort für
SMA in ihren martensitischen und austenitischen Zuständen. Linie 200 zeigt
einen vollständig
entzwillingten martensitischen Zustand, Linie 210 zeigt
einen teilweise entzwillingten martensitischen Zustand, und Linie 220 zeigt
einen austenitischen Zustand. Es wird ein nachgiebiger Mechanismus
betrachtet, der aus einer vollständig
austenitischen SMA hergestellt ist. Wenn der Mechanismus belastet
wird und eine Spannung in einem Bereich (der ein de facto Scharnier/flexibles
Segment werden wird, wenn die Belastung fortdauert) von 0 aus zunimmt.
Wenn die Spannung über
das spannungsinduzierte Umwandlungsspannungsniveau von Austenit → Martensit
bei A1s zunimmt, erfährt die Steifigkeit eine beträchtliche
Verringerung, und der Bereich kann eine örtliche Dehnung bis zu 8% erfahren,
bis die Spannung das Niveau A1f erreicht.
Wenn der Bereich entlastet wird, muss die Spannung auf unter A2s für
den Bereich abfallen, um ein weiteres Vorherrschen niedriger Steifigkeit
zu erfahren, wenn das Material eine umgekehrte (spannungsinduzierte
Martensit → Austenit) Umwandlung
erfährt.
Die Umwandlung ist bei A2f abgeschlossen.
Zwischen den obigen charakteristischen Spannungsniveaus, die von
der Materialzusammensetzung und seiner Temperatur abhängen, kann
der Bereich als de facto Scharnier fungieren.
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In
dem Fall eines nachgiebigen Mechanismus, der aus SMA in ihrem teilweise
entzwillingten martensitischen Zustand hergestellt ist, zeigt das
Material, wenn die Spannung von 0 (bei Mr2)
auf M2 zunimmt, eine bestimmte Steifigkeit.
Wenn die Spannung M2 übersteigt, nimmt die Steifigkeit
des Materials signifikant ab, da das Material ein spannungsinduziertes
Entzwillingen erfährt.
Dies stoppt bei Mf. Ein Bereich des nachgiebigen
Mechanismus, der eine Spannung zwischen M2 und Mf erfährt, kann
als ein de facto Scharnier fungieren. Ein Entlasten auf eine Spannung
von Null bei Mr1 bleibt die Materialsteifigkeit
auf ihrem hohen Wert. Ein thermischer Wiederherstellungsschritt,
bei welchem es über
die Af-Temperatur erwärmt
und dann unter einer Last von Null (oder die festgelegte Systemstartlast)
abgekühlt
wird, lässt
zu, dass es seine Anfangskonfiguration und Steifigkeit bei Mr2 wieder herstellt. Die charakteristischen
Spannungsniveaus werden wieder durch die Temperatur und die Materialzusammensetzung
beeinflusst. Eine ähnliche
Situation gilt für
einen Mechanismus, dessen Körper
aus einer SMA in ihrem vollständig
entzwillingten Zustand in der Anfangskonfiguration des Mechanismus
hergestellt ist.
-
Die 8A und 8B zeigen
das Verhalten eines SMP bei einer Temperatur über Tf (8A) und
unter Ts (8B). Das oben beschriebene SMP-Verhalten
war auf 8A fokussiert. Es ist anzumerken,
dass einige SMPs auch eine spannungsinduzierte Reduktion des Moduls
(und somit der Steifigkeit) ähnlich
wie die zeigen, die für
die teilweise entzwillingte martensitische SMA oben beschrieben wurde.
Somit können
Bereiche in einem nachgiebigen Mechanismus, der aus einem solchen
SMP hergestellt ist, auch spannungsinduzierte/aktivierte de facto
Scharniere/flexible Segmente zeigen.
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Andere
Aktivierungsstimuli als die Temperatur und Spannung umfassen UV-Licht
für lichtaktivierte
SMPs, pH-Niveaus für
chemisch aktivierte SMPs usw. Es kann mehr als ein Aktivierungsstimulus gleichzeitig
verwendet werden, um die gewünschte räumliche
oder zeitliche Änderung
in den Materialeigenschaften zu erreichen.
-
Ein
Controller für
eine Steuerung oder eine Regelung kann dazu verwendet werden, die
verschiedenen Stimuli zeitlich und/oder räumlich zu koordinieren/zu synchronisieren,
um das gewünschte Leistungsvermögen des
Mechanismus zu erreichen.
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So
wie es hierin verwendet wird, kann ein ”de facto Scharnier” ein de
facto Scharnier und/oder ein flexibles Segment umfassen.
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Eine
oder mehrere der in den obigen beispielhaften Ausführungsformen
beschriebenen Ideen können
kombiniert werden. Die besonderen oben beschriebenen aktiven Materialien
können
teilweise oder vollständig
durch Materialien, Verbundstoffe oder Systeme ersetzt werden, die
funktional äquivalent
sind. Das Aktivierungssignal, das die gewünschte Änderung der Eigenschaften der
aktiven Materialien wie oben beschrieben erzeugt, kann in Ansprechen
auf eine menschliche Handlung, ein Controller-Signal, das durch erfasste Daten von
einem oder mehreren Sensoren ausgelöst wird, ein Controller-Signal,
das durch vorweggenommene Änderungen,
die von Sensordaten abgeleitet werden, usw. erzeugt werden.
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Obgleich
die besten Ausführungsarten
der Erfindung ausführlich
beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese
Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen
zur praktischen Ausführung
der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.