DE102011121741B4

DE102011121741B4 - Rohrförmiger Aktuator

Info

Publication number: DE102011121741B4
Application number: DE102011121741.3A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Jan H. Aase; Paul W. Alexander; Nancy L. Johnson; Xiujie Gao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: US20120161579A1; DE102011121741A1; CN102562508A; US8446065B2; CN102562508B

Abstract

Rohrförmiger Aktuator (10) mit einem aktiven Material, der eine Hublänge und -kraft zeigt, wobei der Aktuator (10) umfasst:ein flexibles Rohr (14), welches eine innere Kammer (16) und eine Längsachse definiert und betreibbar ist, um sich zwischen einer ersten und einer zweiten Konfiguration mit einer ersten und einer zweiten Länge in Längsrichtung zu verschieben oder zu schalten, um so einen Hub (Δl) in Längsrichtung des Rohrs (14) zu definieren; undein radial kontrahierendes Element (12) aus einem aktiven Material, welches betreibbar ist, um eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist, um aktiviert oder deaktiviert zu werden, und außen um das Rohr (14) herum gewickelt und antriebstechnisch damit gekoppelt ist;gekennzeichnet durcheinen fluidischen Körper (20), mit dem die Kammer gefüllt ist, wobei die Änderung des Elements (12) eine radiale Betätigungskraft erzeugt, wobei die Kraft bewirkt, dass sich das Rohr (14) zwischen den Konfigurationen verschiebt oder schaltet, und der Körper (20) betreibbar ist, um die Kraft zu übertragen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen rohrförmigen Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der US 4,432,699 A bekannt, sowie einen elektroaktiven Polymer-Rollaktuator.
ERLÄUTERUNG DES STANDES DER TECHNIK
Es wurden rohrförmige Aktuatoren wie z. B. Paraffinwachs-, pneumatische flexible Rohr- (d. h. Muskel-) und elektroaktive Polymer-Rollaktuatoren entwickelt und verwendet, um Systeme zu aktivieren. Diese Aktuatoren zeigen eine Formbeständigkeit (d. h. einen Widerstand gegen eine Formänderung) und definieren einen Hub typischerweise entlang der Längsachse, wobei sich der Hub durch eine Verschiebung in einer Betriebsdimension („Hublänge“), die dadurch erzeugte Kraft und die Zeit auszeichnet, die erforderlich ist, um den Hub zu bewirken („Hubdauer“). Diese Aktuatoren zeigen verschiedene Probleme auf dem technischen Gebiet. Es ist z. B. einzusehen, dass die/der gebotene konstante Formbeständigkeit und Hub dadurch Lösungen verhindern, in denen eine Größe für alle Fälle passt. Überdies bringen herkömmliche rohrförmige Aktuatoren typischerweise Kompromisse, z. B. zwischen der Hubkraft und dem Energieverbrauch oder der Hublänge und der Hubdauer mit sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zumindest eine Lösung für die geschilderten Probleme anzugeben.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
In Reaktion auf diese und andere Probleme nennt die vorliegende Erfindung neue rohrförmige Aktuatoren, die eine Aktivierung durch ein aktives Material verwenden, um ihren verfügbaren Hub zu erzeugen oder zu verändern und/oder eine erlangte Konfiguration beizubehalten. Die Erfindung ist somit dazu geeignet, eine aktive Materialformerinnerung in eine schaltmagnetartige Aktivität umzuwandeln. Die Erfindung ist auch zur Betätigung von Systemen geeignet, die Aktuatoren mit längeren Hublängen, größeren Hubkräften und/oder kürzeren Hubdauern erfordern, als jene, die mithilfe herkömmlicher rohrförmiger Aktuatoren erreicht werden können; und ist als solche geeignet, einen gegebenen Hub unter Verwendung von weniger Aktivierungsenergie zu erzeugen. Darüber hinaus ist die Erfindung ferner geeignet, einen rohrförmigen Aktuator mit einer veränderbaren Formbeständigkeit bereitzustellen, die verwendet werden kann, um einen erlangten Hub beizubehalten, und als solche, wenn ein Nullleistungshalt vorgesehen ist, den Kompromiss zwischen Hubbeibehaltung und Energieverbrauch zu eliminieren.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein flexibles Rohr und ein außen gewickeltes Element aus einem aktiven Material umfasst. Das Rohr definiert eine innere Kammer und ist betreibbar, um sich zwischen einer ersten und einer zweiten Konfiguration zu verschieben bzw. zu schalten, um so einen Hub zu definieren. Das außen gewickelte Element ist antriebstechnisch mit dem Rohr gekoppelt und betreibbar, um eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist, um aktiviert bzw. deaktiviert zu werden. Die Änderung bewirkt, dass das Rohr die zweite Konfiguration erlangt, die betreibbar ist, um das System zu betätigen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen elektroaktiven Polymer-Rollaktuator, der einen ersten und einen zweiten Hub zeigt. Jeder Hub ist durch eine Hublänge und -kraft definiert. Der Aktuator umfasst zumindest eine Schicht aus einem elektroaktiven Polymer, welches betreibbar ist, um eine erste reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem ersten Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist. Ein Paraffinwachs, welches betreibbar ist, um eine zweite reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem zweiten Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist, ist radial innerhalb zumindest einer der zumindest einen Schicht angeordnet und kann innerhalb der durch die Rolle definierten Kammer angeordnet sein. Das Wachs zeigt eine erste und eine zweite Formbeständigkeit, wenn es aktiviert bzw. deaktiviert wird, und die Beständigkeiten und die erste Änderung zeigen zusammenwirkend die Hübe.
Weitere Aspekte der Erfindung einschließlich der Verwendung eines spiralförmigen äußeren Elements aus einer Formgedächtnislegierung sind durch die nachfolgenden Figuren und die detaillierte Beschreibung weiter beschrieben und beispielhaft dargestellt.
Figurenliste
Eine bevorzugte Ausführungsform/bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird/werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren im beispielhaften Maßstab im Detail beschrieben, wobei:

1 eine aufgeschnittene Aufrissansicht eines rohrförmigen Aktuators mit einem aktiven Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der ein außen gewickeltes Element aus einem aktiven Material, eine Schutzhülle, ein flexibles Rohr, das eine zentrale Kammer definiert, und ein Fluid umfasst, das innerhalb der Kammer angeordnet ist, wobei die Rohrpositionierung nach der Aktivierung in verdeckten Linien gezeigt ist;
2 ein Aufriss eines rohrförmigen Aktuators mit einem aktiven Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der ein flexibles Rohr und zumindest ein Element aus einem aktiven Material umfasst, das eine erste Schicht aus einem Draht, der einen ersten vorbestimmten Winkel definiert, und eine zweite Schicht aus einem Draht aufweist, der einen zweiten vorbestimmten Winkel definiert;
3 ein Aufriss eines rohrförmigen Aktuators mit einem aktiven Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der separate Segmente aus einem aktiven Material, die außen um ein flexibles Rohr herum gewickelt sind, und eine undehnbare äußere Schicht umfasst, die eine Öffnung an einem Ende definiert, wobei ein Abschnitt der Segmente aktiviert wurde, um so einen Zuwachshub zu bewirken;
4a ein Aufriss eines rohrförmigen Aktuators mit einem aktiven Material gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, der ein flexibles Rohr und eine Vielzahl von separaten Segmenten aus einem aktiven Material, eine undehnbare innere Schicht und, in vergrößerter Ansicht gezeigt, Segment mitführende Schienen umfasst;
4b ein Aufriss des in 4a gezeigten Aktuators ist, welcher insbesondere den Aktuator in einer zweiten Konfiguration veranschaulicht, in der die Hälfte der Segmente aktiviert wurde;
4c einen Aktuator zeigt, der zwei Sätze von Ringen aufweist, die Winkel von mehr bzw. weniger als 55° definieren;
5 ein Querschnitt und Aufriss eines elektroaktiven Polymer (EAP)-Rollaktuators ist, welcher eine Vielzahl von EAP-Schichten, die zu einer rohrförmigen Form gerollt sind, und zumindest eine Paraffinwachsschicht zwischen den EAP-Schichten umfasst, wobei die EAP- und Paraffinschichten in vergrößerter Ansicht gezeigt sind;
6 eine vergrößerte Ansicht eines EAP-Rollaktuators ist, der zumindest eine EAP-Schicht, welche zu einer rohrförmigen Form gerollt ist, die eine zentrale Kammer definiert, und eine Menge von Paraffinwachs umfasst, die innerhalb der Kammer angeordnet ist;
7a eine perspektivische Darstellung eines ersten und eines zweiten Objekts ist, die durch eine Kopplungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen aus einem rohrförmigen Aktuator besteht, in Eingriff stehen;
7b ein Querschnitt der in 7a gezeigten Kopplungsvorrichtung mit einem aktiven Material gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die insbesondere ein äußeres flexibles Gehäuse, ein erstes äußeres Element aus einem aktiven Material (d. h. eine Vielzahl von separaten Segmenten) und ein in der ursprünglichen Konfiguration (d. h., wenn das Element deaktiviert ist) in verdeckten Linien gezeigtes und aufgeschnittenes flexibles Rohr veranschaulicht, um ein zweites, innen liegendes Element aus einem aktiven Material zu zeigen, welches darin angeordnet ist; und
8 ein Aufriss und Querschnitt eines Rückstellmechanismus ist, der zur Verwendung mit dem in 1 gezeigten Aktuator geeignet ist und eine schwebende Endplatte und eine unterteilte Schutzhülle umfasst.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die 1-8 betrifft die vorliegenden Erfindung einen rohrförmigen Aktuator 10, der eine Hub- und Formbeständigkeit (d. h. einen Widerstand gegen eine Formänderung) aufweist und zumindest ein außen in Eingriff stehendes Element 12 aus einem aktiven Material umfasst, welches um ein flexibles Rohr 14 herum gewickelt oder um eine/n Kern/Kammer herum gerollt ist. Es ist einzusehen, dass der Aktuator 10 in einer bevorzugten Ausführungsform betreibbar ist, um ein System (nicht gezeigt) zu betätigen, indem ein magnetschalterartiger Hub verwendet wird, um eine Komponente selektiv mit dem System in Eingriff zu bringen, diese von diesem zu verschieben oder eine Leistungsversorgung (ebenfalls nicht gezeigt) damit zu verbinden; und er kann als solcher in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, welche z. B. das Ausfahren von Lasthaken, Lastbegrenzungshalterungen und die Einspannvorrichtungspositionierung zur maschinellen Bearbeitung, Fertigung und Montage umfassen. In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Koppeln von getrennten Objekten 100 wie in den 7a,b gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist rein beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Einsatzmöglichkeiten keinesfalls einschränken.
Aktive Materialien, Definition und beispielhafte Zusammensetzungen
Dem Ausdruck „aktives Material“ soll seine übliche Bedeutung zu Teil werden, wie sie Fachleute verstehen, und er umfasst jedes Material oder jeden Verbundstoff, das/der eine reversible Änderung einer grundlegenden (z. B. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es/er einer äußeren Signalquelle ausgesetzt wird. Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere („EAP“), piezoelektrische Verbundstoffe, magnetorheologische Fluide, elektrorheologische Fluide, Paraffinwachs und andere gleichwertige aktive Materialien. Keramiken. Abhängig von dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal ohne Einschränkung die Form eines elektrischen Stromes, eines elektrischen Feldes (einer Spannung), einer Temperaturänderung und dergleichen annehmen.
Im Spezielleren beziehen sich Formgedächtnislegierungen (SMA) im Allgemeinen auf eine Gruppe von Metallmaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in irgendeine zuvor definierte Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phäsenübergänge zu erfahren, in denen ihre Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Der Ausdruck „Fließgrenze“ bezieht sich auf die Spannung, bei der ein Material eine genau angegebene Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen bei der Niedertemperatur- oder Martensitphase pseudoplastisch verformt werden, und nachdem sie irgendeiner höheren Temperatur ausgesetzt werden, werden sie sich zur Austenitphase oder Elternphase transformieren, wobei sie zu ihrer Form vor der Verformung zurückkehren.
Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase, die oben erläutert sind. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet.
Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Anfangstemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird die Martensit-Endtemperatur (Mf) genannt. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in der austenitischen Phase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, um Umwandlungen zwischen den Martensit- und Austenitphasen zu bewirken.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein ausreichendes Erwärmen im Anschluss an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird den Übergang der Art von Martensit nach Austenit induzieren und das Material wird die ursprüngliche, geglühte Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, die Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und werden wahrscheinlich eine äußere mechanische Kraft benötigen, um die Form zurückzubilden.
Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien zeichnen sich durch einen Formübergang beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase sowie einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase aus. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifizierung wie z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, den Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedertemperatur- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über eine hohe Zahl von thermischen Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form zurückzubilden.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung bei Erwärmung an ihre Hochtemperaturform erinnert, kann durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie zum Beispiel von über etwa 100°C auf unter etwa -100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt, und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System Aktuator 10 typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen ohne Einschränkung Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-AluminiumLegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
Es ist einzusehen, dass SMA einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung (Wiederherstellung der pseudoplastischen Verformung, die induziert wird, wenn sie in der martensitischen Phase vorliegen) von bis zu 8 % (abhängig von dem Betrag an Vordehnung) zeigen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenübergangstemperatür erwärmt werden. Es ist einzusehen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenänderungen in eine Richtung verlaufen, sodass ein Vorspannkraft-Rückstellmechanismus (wie etwa eine Feder) erforderlich wäre, um die SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald das angelegte Feld weggenommen würde. Es kann ein Erwärmen über Widerstand verwendet werden, um den Aktuator elektronisch steuerbar zu machen. Ferromagnetische SMA oder FSMA beinhalten SMA-Zusammensetzungen, die durch ein magnetisches Feld aktivierbar sind, wie für Fachleute einzusehen ist.
Formgedächtnispolymere (SMP) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus unterworfen sind. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Form als eine Funktion der Temperatur verändert wird. Im Allgemeinen besitzen SMP zwei Hauptsegmente, ein hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann festgelegt werden, indem das Polymer bei einer Temperatur geschmolzen oder verarbeitet wird, die höher ist als der höchste thermische Übergang, gefolgt von einem Abkühlen unter diese thermische Umwandlungstemperatur. Der höchste thermische Übergang ist üblicherweise die Glasumwandlungstemperatur (T_g) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die T_g oder die Umwandlungstemperatur des weichen Segments, aber niedriger als die T_g oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird festgelegt, während das Material bei der Umwandlungstemperatur des weichen Segments bearbeitet wird, gefolgt von einem Abkühlen, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das Material über die Umwandlungstemperatur des weichen Segments erwärmt wird. Die permanente Form des Polymermaterials kann beispielsweise eine Feder oder einen monolithischen Körper mit einem ersten Elastizitätsmodul, wenn es aktiviert ist, und einem zweiten Modul, wenn es deaktiviert ist, aufweisen.
Die Temperatur, die für eine permanente Formwiederherstellung notwendig ist, kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa -63 °C und etwa 120 °C oder darüber festgelegt sein. Die technische Planung der Zusammensetzung und Struktur für das Polymer selbst kann die Wahl einer speziellen Temperatur für eine gewünschte Anwendung berücksichtigen. Eine bevorzugte Temperatur zur Formwiederherstellung ist größer als oder gleich etwa -30 °C, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 0 °C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur größer als oder gleich etwa 50 °C. Eine bevorzugte Temperatur zur Formwiederherstellung ist auch kleiner als oder gleich etwa 120 °C und am stärksten bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 120 °C und größer als oder gleich etwa 80 °C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke. Die Polymere können ein einziges Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazane, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele für weitere geeignete Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether-Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Blockcopolymer), Polycaprolaktondimethacrylat-n-Butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
Es ist somit für die Zwecke dieser Erfindung festzustellen, dass SMP einen dramatischen Abfall im Modul zeigen, wenn sie über die Glasumwandlungstemperatur ihrer Bestandteile erwärmt werden, die eine niedrigere Glasumwandlungstemperatur aufweisen. Wenn eine Belastung/Verformung aufrechterhalten wird, während die Temperatur gesenkt wird, wird die verformte Form in dem SMP festgelegt sein, bis es ohne Belastung wieder erwärmt wird, wobei es unter dieser Bedingung in seine Gussform zurückkehren wird. Während SMP verschiedentlich in Block-, Bahn-, Platten-, Gitter-, Fachwerk-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden könnten, benötigen sie eine kontinuierliche Leistung, um in ihrem Zustand mit niedrigerem Modul zu bleiben.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen z. B., sind jedoch nicht beschränkt auf Poly(natrium-4-Styrolsulfonat), Poly (Poly(vinylamin)-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF“), Co-Trifluorethylen und seine Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Poly(vinylchlorid), Polyvinylidenchlorid und seine Derivate; Polyacrylnitrile und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Poly(methacrylsäure) und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane und ihre Derivate; Biomoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Zellmembranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle wie z. B. Phosphodilipide; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyamide umfassend aromatische Polyamide und Polyimide, umfassend Kapton und Polyetherimid und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon) (PVP)-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten, und Mischungen davon.
Piezoelektrische Materialien können auch Metalle umfassen, die aus der Gruppe gewählt sind, welche aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirconium, Niobium, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen, die mindestens eines der vorhergehenden Metalle umfassen, und Oxiden, die mindestens eines der vorhergehenden Metalle umfassen, besteht. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, AlzO₃, ZrO₂, TiOz, SrTiOs, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon und Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen daraus. Bevorzugt ist das piezoelektrische Material aus der Gruppe gewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirconattitanat und Bariumtitanat und Mischungen daraus besteht.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder zeigen. Ein Beispiel für ein elektrostriktives Pfropfelastomer ist ein piezoelektrisches Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge ferroelektrischelektrostriktiver, molekularer Verbundstoffsysteme zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi (oder eine Kombination davon) umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, Haftkleber, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, können z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und bevorzugt zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein. Eine Dicke, die für diese dünnen Filme geeignet ist, kann weniger als 50 Mikrometer betragen.
Da sich elektroaktive Polymere bei hohen Belastungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, sind bevorzugt fügsam und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung fügsame Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden Offenlegung geeignete Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, strukturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten wie z. B. Kohlepasten oder Silberpasten, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionisch leitfähigen Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden, können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, umfassend Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit speziellen Polymeren gut funktionieren werden und bei anderen nicht so gut funktionieren können. Als Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente mit akrylischen Elastomerpolymeren gut und mit Silikonpolymeren nicht so gut.
II. Beispielhafte Konfigurationen und Anwendungen
Wendet man sich nun den strukturellen Konfigurationen der Erfindung zu, sind in den 1-8 verschiedene Ausführungsformen eines rohrförmigen Aktuators 10 gezeigt. Eine bevorzugte Ausführungsform des rohrförmigen Aktuators 10 ist in 1 gezeigt, wobei der Aktuator 10 aufgeschnitten ist, um ein Rohr 14 zu veranschaulichen, welches eine Kammer 16, eine Längsachse und eine Länge, eine Schutzhülle 18 außen neben dem Rohr 14 und ein Element 12 aus einem aktiven Material definiert, welches außen um die Schutzhülle 18 herum gewickelt ist, um antriebstechnisch mit dem Rohr 14 in Eingriff zu stehen. Die Kammer 16 ist mit einem fluidischen Körper 20 wie z. B. einem Gas (z. B. Luft), einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit, einem Gel, einer Vielzahl von Mikrokugeln oder einem anderen aktiven Material gefüllt, wie nachfolgend weiter beschrieben. Der fluidische Körper 20 ist in der Lage, sich der Form der Kammer 16 anzupassen und die radial kontrahierenden Kräfte des Elements 12 in einen längsgerichteten Ausgang zu überführen. Stärker bevorzugt ist der fluidische Körper 20 ein Druckgas.
Im Allgemeinen wird das Element 12, wenn eine Betätigung erwünscht ist, einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet. Das Signal bewirkt, dass das Element 12, das in 1 als ein spiralförmiger Draht gezeigt ist, eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft erfährt. Die Änderung erzeugt eine Kraft, die bewirkt, dass das Rohr 14 eine zweite Konfiguration erreicht, wobei eine betriebliche Abmessung verlängert ist, um so den Hub Δ/ zu erzeugen. Es ist z. B. einzusehen, dass die Aktivierung des Elements 12 in 1 die Verlängerung des Rohres 14 entlang der Längsachse zur Folge haben wird. Wenn das Aktivierungssignal umgekehrt wird, wird die Änderung ebenfalls umgekehrt und das Rohr 14 kehrt infolge der Elastizität des Rohres 14 in seine erste Konfiguration zurück. Es ist einzusehen, dass das Element 12, wenn es thermisch aktiviert wird, in Ansprechen auf Änderungen der Temperatur in der Umgebung des Systems passiv aktiviert werden kann; oder bei Bedarf über eine händische Benutzereingabe oder über eine Verbindung mit einem eigenständigen Controller (nicht gezeigt) aktiviert werden kann.
In dieser Ausführungsform kann das Element 12 aus einem aktiven Material aus einer Formgedächtnislegierung, einem elektroaktiven Polymer, einem piezoelektrischen Verbundstoff oder dergleichen gebildet sein; und eine geometrische Form aufweisen, die aus der Gruppe gewählt ist, welche im Wesentlichen aus Drähten, Kabeln, Folien oder Streifen besteht. Das/die Element/e 12 kann/können derart um das Rohr 14 herum gewickelt sein, dass es/sie verschiedene geometrische Konfigurationen wie z. B. Spiralen, Gewebe, Litzen, einzelne kreisförmige Ringe oder mehrere Schichten bildet/n. Das Element 12 kann sich vollständig entlang der Länge des Rohres 14 erstrecken oder nur einen Abschnitt desselben bedecken. Es ist einzusehen, dass das Element 12 z. B. eine piezoelektrische äußere Folie aufweisen kann, die um das Rohr 14 herum gewickelt ist, um so eine Hülse (nicht gezeigt) zu bilden.
Es ist einzusehen, dass, wenn eine mit einem Draht umwickelte Spirale vorhanden ist, der Winkel, unter dem das Element 12 das Rohr 14 umschreibt, zu dem Grad und der Richtung der Änderung in der betrieblichen Abmessung beiträgt. Ein Umwicklungswinkel α von mehr als fünfundfünfzig Grad, wie von der Längsachse gemessen (2), erzeugt eine zweite Konfiguration mit einem kleineren Radius und einer längeren Länge in der Längsrichtung als die erste Konfiguration; während ein Umwicklungswinkel von weniger als fünfundfünfzig Grad eine zweite Konfiguration mit einem größeren Radius und einer kürzeren Länge in der Längsrichtung als die erste Konfiguration erzeugt.
Die Schutzhülle 18 (1) kann aus einer dünnen Folie aus Metall, Glasfaser, Teflon oder einem anderen Material mit geringer Reibung zusammengesetzt sein. Die Hülle 18 schützt das Rohr 14 vor Einschnitten und/oder Schaden, die/der die Folge eines direkten Reibungseingriffes mit dem Element 12 oder des Aktivierungssignals selbst sein kann/können. Des Weiteren kann die Hülle 18 dabei hilfreich sein, die von dem Element 12 erzeugte Betätigungskraft zu verteilen, um eine gleichmäßigere Änderung der Konfiguration des Aktuators 10 zuzulassen. In einer Ausführungsform kann zumindest ein Draht 12 aus einem aktiven Material (z. B. SMA) zu einer entsprechenden Anzahl von dünnen, dauerhaften Rohren (nicht gezeigt) gefädelt sein, die spiralförmig um das Rohr 14 herum gewickelt sind, um so Schutz anstelle oder zusätzlich zu der Hülle 18 bereitzustellen und eine separate Betätigung zu ermöglichen.
Wie in 2 gezeigt, kann zumindest ein äußeres Element 12 über zumindest einen Abschnitt der Länge des Rohres 14 in Längsrichtung gedoppelt sein, um so eine/n größere/n Hub oder Hubänderung zu zeigen. Das/die Element/e 12 kann/können z. B. einen Draht aufweisen, der um das Rohr 14 herum gewickelt ist, um eine erste und eine zweite Schicht 12a,b zu bilden. Der bevorzugte Drahtwinkel einer jeden Schicht 12a,b definiert einen anderen vorbestimmten Winkel a, wobei mehrere Elemente 12 verwendet werden, um jede Schicht zu bilden, und separat aktiviert werden, um die Hubänderung zu erzeugen. Es ist einzusehen, dass ein Aktuator 10, wie zuvor beschrieben, welcher einen ersten Schichtdrahtwinkel von mehr als fünfundfünfzig Grad und einen zweiten Schichtdrahtwinkel von weniger als fünfundfünfzig Grad aufweist, selektiv eine breitere/kürzere zweite Konfiguration und eine schmalere/längere zweite Konfiguration erreichen wird. In dieser Konfiguration weist ein einzelner Aktuator 10 als solches ein Druck-Zug-Vermögen von einem neutralen, deaktivierten Zustand auf.
Ein weiteres Beispiel des Aktuators 10 ist in den 3-4c gezeigt, wobei ein Element 12 aus einem aktiven Material um das flexible Rohr 14 herum gewickelt ist, wie in 1 beschrieben. Hier umfasst der Aktuator 10, da das Element 12 (d. h. die separaten Segmente) das radiale Vorrücken des Rohres 14 nicht einschränkt, ferner eine undehnbare Schicht 22, die außen zumindest einen Abschnitt des Rohres 14 außerhalb oder innerhalb des Elements 12 einschränkt. Der Ausdruck „undehnbar“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen Zustand des Unvermögens des Rohres 14, sich plastisch oder elastisch in eine oder mehrere Dimensionen (z. B. radial, axial) zu verformen, wenn das Element 12 aktiviert wird. Stärker bevorzugt schränkt die Schicht 22 das Rohr 14 äußerlich ein, sodass es sich nur entlang der Betriebsdimension in der Art einer Tube einer Zahnpaste biegt. Die Undehnbarkeit kann z. B. durch die Verwendung von gerichteten Faserverstärkungen gesteuert oder begrenzt sein. Die äußere Schicht 22 definiert bevorzugt an einem Längsende (3,4b) eine oder mehrere flexible Grenzregionen (z. B. Membranen) oder Öffnungen 24, die als eine Düse fungieren; dennoch ist einzusehen, dass die Öffnung 24 irgendwo entlang des Rohres 14 angeordnet sein kann und einen Winkelhub beeinflussen kann. Die äußere Schicht 22 hat die Funktion, den Hub für jede radiale Kontraktion zu vervielfachen, indem sie die gesamte Verformung in Richtung der Betriebsdimension lenkt und um als solche effizienter die zweite Konfiguration zu erzeugen.
Wie in den 3-4c gezeigt, kann das äußere Element 12 aus einem aktiven Material eine Reihe von separaten Segmenten oder Ringen 26 aufweisen, die einzeln um das Rohr 14 herum gewickelt und bevorzugt gleich beabstandet sind. Zu diesem Zweck kann die Zwischen- oder Schutzhülle 18 Laufbahnen, Anschläge oder Spuren 28 umfassen oder definieren, die verwendet werden, um eine einwandfreie Elementpositionierung aufrechtzuerhalten (4a). Die Ringe 26 werden getrennt aktiviert, um einen großen Bereich möglicher Hübe zu erzeugen. In 4b ist z. B. ein Aktuator 10 mit der Hälfte (z. B. vier von acht) Ringen 26 in einer möglichen Konfiguration aktiviert gezeigt.
In 4c weisen die Ringe 26 abwechselnde erste und zweite Sätze auf, die Wicklungswinkel von mehr bzw. weniger als fünfundfünfzig Grad definieren; durch abwechselndes Aktivieren der Sätze besitzt der Aktuator 10 in dieser Konfiguration auch ein Druck-Zug-Vermögen durch eine einzige Materialschicht. Es ist einzusehen, dass dem stärker abgewinkelten Satz durch den weniger abgewinkelten eine radiale Ausdehnung erlaubt sein muss. Schließlich liegt es auch innerhalb des Zieles der Erfindung, eine lange Schraubenfeder anstelle des flexiblen Rohres 14 in jeder der zuvor erwähnten Konfigurationen zu verwenden, in denen ein Längshub erwünscht ist. Hier wirkt das äußere Element 12 aus einem aktiven Material (z. B. SMA) auf die Spule bevorzugt durch eine Zwischenhülle 18.
In einem weiteren Aspekt des rohrförmigen Aktuators 10 und wie zuvor erwähnt, kann der fluidische Körper 20, der innerhalb der Kammer 16 angeordnet ist, ein zweites Element aus einem aktiven Material umfassen, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung einer Formbeständigkeit zu erfahren, wenn es einem zweiten Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist. Der nicht komprimierbare Körper 20 in dieser Konfiguration kann z. B. aus einem Formgedächtnispolymer, einem Paraffinwachs, einem magnetorheologischen Fluid, einem elektrorheologischen Fluid oder einer Kombination aus den obigen gebildet sein. In einem Beispiel eines Festkörperzustands bezieht sich die Formbeständigkeit allgemein auf den Elastizitätsmodul; in einem Beispiel für ein Fluid bezieht sich die Formbeständigkeit allgemein auf die Viskosität. Es ist daher einzusehen, dass geeignete Leitungen und/oder leitfähige Medien (nicht gezeigt), die dazu dienen, die Aktivierungssignale an die aktiven Materialien 12, 20 zu übertragen, z. B. an den distalen Enden der Kammer 16 oder als ein leitfähiges Medium, das durch die Kammer 16 hindurch verläuft, vorgesehen sind.
Wenn ein aktiver fluidischer Körper 20 verwendet wird, ist einzusehen, dass der Aktuator 10 einen zweistufigen Aktivierungsprozess zeigt, in dem das/der zweite Element oder fluidische Körper 20 aktiviert wird, bevor das erste Element 12 aktiviert wird. In einem Beispiel eines Festkörperzustands (z. B. SMP etc.) führt dies zu einem selektiv sperrbaren Aktuator 10. Das bedeutet, dass, wenn der Körper 20 dazu gebracht wird, in seinen Zustand mit hohem Modul zurückzukehren, verhindert wird, dass das äußere Element 12 den Aktuator 10 dazu bringt, die zweite Konfiguration zu erreichen oder in die erste Konfiguration zurückzukehren. Nur durch Aktivieren sowohl des ersten Elements 12 als auch des zweiten Elements 20 kann der Aktuator 10 den erwünschten Hub erreichen. In einem Beispiel für ein Fluid (z. B. MR/ER-Fluide etc.) kann die Aktivierung des zweiten Elements 20 eine Veränderung einer Hublänge, Hubkraft oder Hubdauer bewirken (wobei die Hublänge in den letzteren beiden unverändert ist). Überdies ist einzusehen, dass ein einziges Signal verwendet werden kann, um sowohl das radial kontrahierende Element 12 als auch das aktive Fluid 20 zu aktivieren, wie etwa wenn z. B. ein MR-Fluid 20 innerhalb der Kammer 16 angeordnet ist und ein FSMA-Draht 12 um das Rohr 14 herum gewickelt ist.
Gemäß 5 stellt der Aktuator 10 eine ansonsten herkömmliche Rolle aus einem elektroaktiven Polymer („EAP“) dar, die aus zumindest einer und stärker bevorzugt einer Vielzahl von EAP-Schichten 30 gebildet ist. Die EAP-Schichten 30 definieren eine zentrale Kammer 16 und umfassen einzeln aktivierte längliche Segmente 30a. Wenn ein Segment aktiviert wird, wird der Aktuator 10 dazu gebracht, sich von dem aktivierten Segment 30a weg zu biegen, um so eine gekrümmte zweite Konfiguration zu definieren. Es ist einzusehen, dass die Anzahl der Segmente 30a direkt proportional zu dem verfügbaren Flexibilitätsgrad ist. Wie in 5 gezeigt umfasst der Aktuator 10 ferner eine Menge eines Paraffinwachses, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft (z. B. eine Änderung der molekularen Struktur/Bindung, die eine große Änderung des Volumens und der Formbeständigkeit zur Folge hat) zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist. In einem ersten Beispiel bildet das Wachs dünne Schichten 32, die zwischen den mehrfachen EAP-Schichten 28 angeordnet sind (5). In einem weiteren Beispiel kann das Paraffinwachs innerhalb der Kammer 16 angeordnet sein, um so einen Wachskern 20 zu bilden. In jedem Beispiel wird das Paraffinwachs 32, wenn es aktiviert wird, in der Formbeständigkeit abnehmen und zulassen, dass der Rollaktuator 10 einen größeren Hub erreicht.
Die 7a,b zeigen ein Verfahren zum Koppeln von Objekten 100 unter Verwendung eines rohrförmigen Aktuators 10 wie zuvor beschrieben und veranschaulicht. Das heißt, die Kopplungsvorrichtung 10 umfasst ein äußeres Element 12 aus einem aktiven Material, das unter einem Winkel α von weniger als fünfundfünfzig Grad um ein flexibles Rohr 14 herum gewickelt ist. Stärker bevorzugt umfasst der Aktuator 10 ferner ein flexibles äußerstes Gehäuse 34, das fest und außen an dem Element 12 angebracht ist. Das Gehäuse 34 ist derart ausgebildet, dass es eine minimale Reibungskraft besitzt, wenn es mit einem Objekt 100 in Eingriff steht. Wiederum kann das Element 12 aus einem aktiven Material aus einer Formgedächtnislegierung, einem elektroaktiven Polymer oder einem piezoelektrischen Verbundstoff zusammengesetzt sein; und das Element 12 ist um das Rohr 14 herum gewickelt und antriebstechnisch damit gekoppelt, um es radial auszudehnen, wenn es dazu gebracht wird, eine Änderung zu erfahren. Stärker bevorzugt ist innerhalb des Rohres 14 ein zweites Element 20 aus einem aktiven Material angeordnet, das variable Formbeständigkeitseigenschaften aufweist, wie etwa ein Formgedächtnispolymer, ein Paraffinwachs, ein magnetorheologisches Fluid oder ein elektrorheologisches Fluid.
Im Betrieb wird die Kopplungsvorrichtung 10 anfänglich dazu gebracht, einen Zustand mit kleinerem Radius und geringerer Formbeständigkeit durch Aktivierung (oder Deaktivierung) der Elemente 12, 20 wie oben beschrieben zu erreichen. Als Nächstes wird die Vorrichtung 10 in Bezug auf die Objekte 100 angeordnet, welche Löcher 100a mit einem Lochradius definieren, der größer ist als der kleinere Radius. Zumindest ein Abschnitt der Vorrichtung 10 ist durch jedes Loch 100a hindurch eingesetzt. Das Element 12 wird dann deaktiviert (oder aktiviert), während das/der zweite Element oder fluidische Körper 20 sich in seinem Zustand mit niedrigerem Modul befindet, sodass die Vorrichtung 10 versucht, zu einem ersten oder größeren Radius zurückzukehren, der größer ist als der Lochradius. Die Vergrößerung des Radius bewirkt, dass das Rohr 14 in die Objekte 100 eingreift, sodass die Vorrichtung 10 und die Objekte 100 einen gekoppelten Zustand erreichen. Da die Vorrichtung 10 auch dazu gebracht wird, sich zu verkürzen (d. h. einen negativen Hub zu erzeugen), werden die Objekte 100 näher zueinander gezogen. In diesem Betriebsmodus ist eine seitlich undehnbare äußere Schicht 22 nicht vorgesehen, sodass die Abschnitte der Vorrichtung 10, die nicht innerhalb der Löcher 100a mitgeführt werden, in den größeren, deaktivierten Radius zurückkehren. Die Differenz zwischen dem größeren Radius und dem Lochradius definiert eine Vertiefung, in der die Objekte 100 gesichert und dadurch entlang der Längsachse der Vorrichtung 10 fixiert sind (7b).
Es ist einzusehen, dass eines der zu fügenden Objekte 100 permanent (z. B. durch Schweißen, Kleben, Nieten etc.) an der Vorrichtung 10 fixiert sein kann. Des Weiteren kann der Ausdruck „Loch“, Hohlräume, Kanäle und/oder Einbuchtungen wie auch Durchgangslöcher in den zu koppelnden Objekten 100 umfassen. Es ist auch einzusehen, dass das zweite Element 20 aus einem aktiven Material andere anfängliche Zustände aufweisen kann, als in dieser Ausführungsform verwendet; das Formgedächtnispolymer und das Paraffinwachs werden aktiviert, um die geringere Formbeständigkeit aufzuweisen, wie erforderlich, während das elektrorheologische Fluid und das magnetorheologische Fluid deaktiviert werden, um die geringere Formbeständigkeit aufzuweisen.
Alternativ kann das Element 12 derart ausgebildet sein, dass sich das Rohr 14 radial zusammenzieht, wobei ein Rückstellmechanismus 36 (8) umfasst ist, der betreibbar ist, um das Rohr 14 auszudehnen, wenn das Element deaktiviert ist, und eine hinreichende Haltekraft zu erzeugen. Wie zuvor erwähnt, ist einzusehen, dass die Elastizität des Rohres 14 die Rückstellkraft bietet, welche den Aktuator 10 zurück in die ursprüngliche oder erste Konfiguration treibt, wenn das Element 12 deaktiviert wird; es ist jedoch einzusehen, dass, wenn ein elastisches Rohr 14 nicht in der Lage ist, sich dem Fluidkörper 20 anzupassen, oder wenn ein nicht elastisches Rohr 14 verwendet wird, bevorzugt ein Rückstellmechanismus 36 enthalten ist, um eine automatische Rückkehr zu bewirken. Der Rückstellmechanismus 36 in 8 umfasst z. B. eine Schutzhülle 18, die aus beabstandeten Sektoren 38 gebildet ist, welche über Druckfedern 40 miteinander verbunden sind. In dieser Konfiguration dient die Hülle 18 dazu, sich radial zusammenzuziehen, z. B. infolge einer Aktivierung des Elements 12, und auszudehnen, z. B. infolge einer Abgabe der in den Federn 40 gespeicherten Energie, wenn das Element 12 deaktiviert wird.
An dem nicht funktionsfähigen Ende des Aktuators 10 weist die Hülle 18 bevorzugt feste Kappenplatten 42 auf. Hier kann das Rohr 14 an die Hülle 18 geklebt sein, um in Längsrichtung zusammengezogen zu werden, wenn die Hülle 18 ausgedehnt wird. Stärker bevorzugt umfasst der Mechanismus 36 jedoch ferner eine schwebende Endplatte 44 an dem funktionsfähigen Ende des Aktuators 10, die über Zugfedern 46 mit der Hülle 18 verbunden ist. Die schwebende Platte 44, die Zugfedern 46 und das Rohr 14 sind zusammenwirkend derart ausgebildet, dass das Rohr 14 bewirkt, dass die Platte 44 verschoben wird und die Federn 46 Energie speichern, wenn das Element 12 aktiviert wird. Wenn das Element 12 deaktiviert wird, geben die Federn 46 ihre Energie ab und bewirken dadurch, dass die Platte 44 und das Rohr 14 in die erste Konfiguration zurückkehren.

Claims

Rohrförmiger Aktuator (10) mit einem aktiven Material, der eine Hublänge und -kraft zeigt, wobei der Aktuator (10) umfasst: ein flexibles Rohr (14), welches eine innere Kammer (16) und eine Längsachse definiert und betreibbar ist, um sich zwischen einer ersten und einer zweiten Konfiguration mit einer ersten und einer zweiten Länge in Längsrichtung zu verschieben oder zu schalten, um so einen Hub (Δl) in Längsrichtung des Rohrs (14) zu definieren; und ein radial kontrahierendes Element (12) aus einem aktiven Material, welches betreibbar ist, um eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist, um aktiviert oder deaktiviert zu werden, und außen um das Rohr (14) herum gewickelt und antriebstechnisch damit gekoppelt ist; gekennzeichnet durch einen fluidischen Körper (20), mit dem die Kammer gefüllt ist, wobei die Änderung des Elements (12) eine radiale Betätigungskraft erzeugt, wobei die Kraft bewirkt, dass sich das Rohr (14) zwischen den Konfigurationen verschiebt oder schaltet, und der Körper (20) betreibbar ist, um die Kraft zu übertragen.
Rohrförmiger Aktuator (10) nach Anspruch 1, wobei das Element (12) aus einem aktiven Material aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus einer Formgedächtnislegierung, einem elektroaktiven Polymer und einem piezoelektrischen Verbundstoff besteht.
Rohrförmiger Aktuator (10) nach Anspruch 1, wobei der fluidische Körper (20) aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus einem Gas, einem Druckgas, einem Gel, einer Flüssigkeit und einer Vielzahl von Mikrokugeln besteht.
Rohrförmiger Aktuator (10) nach Anspruch 1, wobei der fluidische Körper (20) ein zweites Element aus einem aktiven Material umfasst, welches betreibbar ist, um eine zweite reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem zweiten Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist, und die zweite Änderung dazu dient, den Hub (Δl) zu verändern.
Rohrförmiger Aktuator (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine undehnbare äußere Schicht (22), die zumindest einen Abschnitt des Rohres (14) äußerlich einengt, die an einem Längsende des Rohrs (14) eine Öffnung (24) definiert und betreibbar ist, um den Hub (Δl) zu verändern, wenn das Element (12) aktiviert wird.
Rohrförmiger Aktuator (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Schutzhülle (18) zwischen dem Element (12) aus einem aktiven Material und dem Rohr (14), welche dazu dient, das Rohr (14) vor dem Aktivierungssignal und einem direkten Eingriff mit dem Element (12) zu schützen.
Rohrförmiger Aktuator (10) nach Anspruch 1, wobei das Element (12) aus einem aktiven Material zumindest ein Draht ist, der in einem vorbestimmten Wickelwinkel (α) um das Rohr (14) herum gewickelt ist, um so zumindest eine Schicht zu bilden.
Rohrförmiger Aktuator (10) nach Anspruch 1, wobei das Element (12) aus einem aktiven Material eine Vielzahl von Segmenten umfasst und jedes Segment einzeln aktiviert wird.