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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit veränderbarer Steifigkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Verformungseigenschaften monolithisch aufgebauter Bauteile sind üblicherweise konstant oder lediglich durch Temperaturänderung geringfügig veränderbar. Dies führt dazu, dass monolithische Bauteile für die verschiedensten Anwendungen entweder zu Lasten der Steifigkeit oder zu Lasten der Nachgiebigkeit dimensioniert werden müssen. Daraus erwächst der Wunsch, eine veränderbare Steifigkeit für monolithische Bauteile zu erreichen. Dabei sollen häufig entsprechende Bauteile nicht nur in ihrer Gesamtheit versteifbar sein sondern auch bereichsweise versteift werden können. Die Kontrolle über eine bereichsweise veränderbare Steifigkeit von Bauteilen kann durch Schwingungen hervorgerufene lokale Verformungen bzw. periodische elastische Verformungen kompensieren und Resonanzen, so wie daraus resultierende Bauteilschädigungen vermeiden.
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Bekannte dafür geeignete Bauteile bestehen üblicherweise aus einem aktiven Element, das zur aktiven Verformung fähig ist sowie aus einem passiven bzw. elastischen Element, das sich bei der aktiven Verformung in seiner Gestallt verändert. Derart aufgebaute Bauteile sind beispielsweise aus der
US 7,892,630 B1 , der
US 7,901,524 B1 und der
DE 11 2004 002 393 T5 bekannt. Als aktives Element werden beispielsweise Piezoelemente oder Formgedächtniswerkstoffe eingesetzt, die an dem elastischen Element so angeordnet sind, dass sie bei ihrer Aktivierung das gesamte Bauteil in seiner Form wesentlich verändern.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin ein Bauteil bereitzustellen, dessen Steifigkeit verändert, bevorzugt auch eingestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Bauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil mit veränderbarer Steifigkeit weist mindestens zwei plattenförmige aufeinander liegende Elemente und mindestens ein sich durch eine Aktivierung in seiner Länge und/oder Größe und/oder Form änderndes Element, das aus einem Formgedächtniswerkstoff gebildet ist, auf. Dabei ist das aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete Element derart mit den plattenförmigen Elementen verbunden, dass es bei der Längen- und/oder Größen- und/oder Formänderung mindestens eine Krafteinwirkung so auf die plattenförmigen Elemente ausübt, dass zwischen ihnen eine veränderte Gleitreibung und/oder Haftreibung erreichbar ist.
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In der einfachsten Ausführungsform des Bauteils können die mindestens zwei plattenförmigen aufeinander liegenden Elemente von dem aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildeten Element umgeben oder umschlungen sein. Dabei kann das aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete Element beispielsweise ein sich in seiner Länge bei einer Aktivierung verkürzender Formgedächtnis-Draht oder -Band sein, der/das zumindest einfach um die mindestens zwei plattenförmigen Elemente herum gewickelt ist. Im Normalzustand, d. h. der Formgedächtnis-Draht ist inaktiv, können die mindestens zwei plattenförmigen aufeinanderliegenden Elemente gegeneinander gleiten. Wird der Formgedächtnis-Draht aktiviert, so verkürzt sich dieser und übt dabei eine auf die beiden aufeinander liegenden plattenförmigen Elemente wirkende Druckkraft aus, wobei die Reibkraft zwischen ihnen größer wird. Dadurch, dass die Gleitfähigkeit zwischen den beiden plattenförmigen aufeinanderliegenden Elementen an der Position verringert wird, an der der Formgedächtnis-Draht oder das -Band entlangführt, erhöht sich die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Bauteils auf einfache Weise.
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Dieses Prinzip ist grundsätzlich auf alle gegeneinander gleitfähigen Werkstoffe anwendbar, zwischen denen, wenn sie gegeneinander gedrückt werden, eine erhöhte Gleitreibung bzw. Reibkraft erreichbar ist. Demzufolge können die plattenförmigen Elemente aus Glas, Keramik, Kunststoff, Faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise Glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK), vorzugsweise Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK), Metall, bevorzugt Aluminium, besonders bevorzugt eloxiertem Aluminium oder Stahl, bevorzugt brüniertem Stahl gebildet sein. Vorteilhafterweise können die plattenförmigen Elemente aus einem Werkstoff mit geringen Abrasionseigenschaften gebildet sein oder sie können eine absrasionsbeständige Oberflächenbeschichtung aufweisen, um einen möglichst geringen Materialverschleiß zu gewährleiten.
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Die plattenförmigen Elemente können sehr dünn im Verhältnis zu ihrer Fläche ausgeführt sein. Dabei verhält sich ein aus den mindestens zwei aufeinander liegenden plattenförmigen Elementen gebildeter Stapel bei einer Biege- und/oder Torsionsbelastung monolithisch.
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Die maximal einstellbare Steifigkeit bzw. eine maximale erreichbare Nachgiebigkeit des erfindungsgemäßen Bauteils kann durch die Anzahl der übereinanderliegend angeordneten plattenförmigen Elemente beeinflusst werden.
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Die Nachgiebigkeit n eines Bauteils mit einer Anzahl von N plattenförmigen Elementen kann für eine Biegung, wie folgt bestimmt werden: n = 1/N·w0/F; wobei w0 die Durchbiegung und F die Biegekraft sind.
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Für die maximale Nachgiebigkeit, bei der mehrere plattenförmige Elemente, wie vorab beschrieben, miteinander verbunden sind, kann mit n1 = w1/F = w0/F·G bestimmt werden, wobei G ein Geometriefaktor ist, der durch die Anzahl der plattenförmigen Elemente und deren Abmessungen bestimmt wird. Für plattenförmige Elemente, die aus einem homogenen Material bestehen gilt: G = N2
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Bei einem aus 20 plattenförmigen übereinander liegenden Elementen gebildeten Stapel, kann die Nachgiebigkeit bzw. Steifigkeit proportional zur Fläche um den Faktor 400 verändert werden.
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Als Formgedächtniswerkstoffe (FGW) sollen Werkstoffe verstanden werden, die bei der Aktivierung ihre Länge und/oder Größe und/oder ihre Form ändern können. Dabei ist zwischen solchen FGW zu unterscheiden, die bei der Aktivierung ihre Länge und/oder Größe reduzieren können und solchen, die bei der Aktivierung ihre Länge und/oder Größe vergrößern können. Die durch die Aktivierung hervorgerufene Längen-, Größen-, oder Formänderung sollte mindestens 3%, vorzugsweise 5% gegenüber dem Normalzustand, d. h. der FGW ist nicht aktiv, ausmachen. In frage kommen beispielsweise Formgedächtnislegierungen, wie NiTiCu-, CuZn-, CuZnAl-, CuAlNi-, FeNiAl-, FeMnSi-Legierungen. Bevorzugt kann eine NiTi-Formgedächtnislegierung (Nitinol) in Drahtform verwendet werden. Der aus Nitinol bestehende Formgedächtnis-Draht kann einen Durchmesser im Mikrometer-Bereich, beispielsweise im Bereich von 25 μm bis 100 μm aufweisen, so dass das erfindungsgemäße Bauteil im entsprechend klein dimensioniert werden kann. Für größer zu dimensionierende Bauteile, die im Meter-Bereich liegen, können auch Formgedächtnisdrähte verwendet werden deren Durchmesser mehrere Millimeter betragen.
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Weiterhin können Formgedächtnispolymere eingesetzt werden. Die Längen- und/oder Größen- und/oder Formänderung des FGW kann mit einer thermischen, magnetischen und/oder mechanischen Aktivierung erreicht werden. Bei thermisch aktivierbaren FGW ist das Erreichen einer Schwellentemperatur (Transitionstemperatur) notwendig, um die gewünschte Längen- und/oder Größen- und/oder Formänderung herbeizuführen. Die dazu notwendige Temperaturänderung kann beispielsweise durch äußere Beheizung, z. B. mit einem wärmeabstrahlenden Element, durch Strahlung oder Konvektion erfolgen. Das/die aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete(n) Element(e) können auch durch Anlegen eines elektrischen Stroms beheizt werden. Zweckgemäß kann der thermisch aktivierbare FGW bzw. das daraus gebildete Element von außen zugängliche Kontaktelemente zum Anschluss einer elektrischen Stromquelle aufweisen. Wird die Formgedächtnislegierung bzw. ein daraus gebildetes Element von dem elektrischen Strom durchflossen, so verhält sich diese/dieses wie ein Widerstandsheizelement und kann sich dadurch erwärmen.
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Die stromdurchflossene Formgedächtnislegierung bzw. das daraus gebildete Element sollte gegenüber den plattenförmigen Elementen und/oder gegenüber weiteren aus dem FGW gebildeten Elementen elektrisch isoliert sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die plattenförmigen Elemente elektrisch isoliert sind oder aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet sind.
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Die Transitionstemperaturen unterschiedlicher thermisch aktivierbarer FGW können typischerweise im Bereich von 30°C bis 200°C variieren. Die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Bauteils kann somit unterschiedlichen Temperaturbedingungen angepasst werden. Generell erweisen sich thermisch aktivierbare Formgedächtnis-Drähte oder -Bänder als besonders vorteilhaft, da sie sich aufgrund ihres geringen Volumens schnell aufheizen und wieder abkühlen können. Folglich weisen solche Formgedächtnis-Drähte oder -Bänder aufgrund kleiner Zeitkonstanten ein hohes Reaktionsvermögen auf, um die Aktivierung insbesondere zur Längenänderung hervorzurufen.
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Einsetzbar sind weiterhin solche FGW, wie beispielweise NiMnGa-Legierungen, die ihre Länge- und/oder Größe- und/oder Form unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändern können. Die Verwendung von aus magnetisch aktivierbaren FGW gebildeten Elementen ist insbesondere in Temperaturbereichen vorteilhaft, die oberhalb oder unterhalb eines Arbeitsbereichs der thermisch aktivierbaren FGW liegen. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft von magnetisch aktivierbaren FGW ist, dass sie nur in den Bereichen aktiviert werden können, die von dem Magnetfeld beeinflusst werden. Somit kann die Versteifung des erfindungsgemäßen Bauteils in diesen Bereichen erzielt werden, die von dem Magnetfeld beeinflusst werden.
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Formgedächtniswerkstoffe, die durch mechanische Beanspruchung aktivierbar sind, d. h. die ihre Länge- und/oder Größe- und/oder Form durch Überstreiten einer aufbringbaren Druck- und/oder Zugkraft ändern, können beispielsweise bei einer Biege und/oder Torsionsbelastung die Versteifung des erfindungsgemäßen Bauteils autonom hervorrufen. Eine separate Aktivierung ist dann nicht notwendig, da sich der Formgedächtniswerkstoff selbst aktivieren kann. Vorteilhafterweise versteift sich das Bauteil dann nur in den Bereichen, die mechanisch belastet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann so aufgebaut sein, dass es mehrere unabhängig voneinander aus dem thermisch, mechanisch oder magnetisch aktivierbaren FGW gebildete Elemente enthält.
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Wie bereits beschrieben, kann das erfindungsgemäße Bauteil in seiner einfachsten Ausgestaltungsform von dem aus dem FGW gebildeten Element umschlungen sein. Dabei kann das aus dem FGW gebildete Element band-, draht- und/oder spiralförmig ausgeführt sein. Die aus dem FGW gebildeten Elemente können jedoch auch zweckmäßig angepasste Formen aufweisen, die für weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bauteils vorgesehen sind.
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So können die aus dem FGW gebildeten Elemente in der Form einer Tellerfeder, einer Folie, einer planen Platte oder einer mit einer sägezahnförmigen, wellenförmigen oder rechteckförmigen Profilierung versehenen Platte ausgeführt sein. Ferner können die aus dem FGW gebildeten Elemente die Form von Spiralfedern aufweisen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteiles kann mindestens ein Rahmenelement vorgesehen sein, das die plattenförmigen Elemente und das/die aus dem FGW gebildeten Elemente von außen als Widerlager zur Aufnahme von Kräften einfasst. Dabei kann das Rahmenelement so ausgeführt sein, dass es die plattenförmigen Elemente und das/die aus dem FGW gebildeten Elemente in Längsrichtung oder in Querrichtung vollständig einfasst. Ferner kann das Rahmenelement schmal ausgeführt sein und nur einen Bereich der plattenförmigen Elemente und das/die aus dem FGW gebildeten Elemente einfassen. Es kann/können ein oder mehrere der aus dem FGW gebildeten Element(e) zwischen den mindestens zwei plattenförmigen aufeinander liegenden Elementen und dem Rahmenelement angeordnet sein. Bei einer Aktivierung, bei der sich das aus dem FGW gebildete Element in seiner Länge und/oder Größe und/oder Form vergrößert, wirkt die sich dabei verändernde Druckkraft von innen gegen das Rahmenelement und presst die plattenförmigen übereinander liegenden Elemente zusammen, wodurch deren Gleitreibung gegeneinander erhöht wird. Mehrere unabhängig voneinander aktivierbare aus dem FGW gebildete Elemente können bereichsweise innerhalb des Rahmenelements angeordnet oder positioniert sein, so dass eine bereichsweise Aktivierung und damit verbundene bereichsweise Versteifung des erfindungsgemäßen Bauteils eingestellt werden kann.
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Das Rahmenelement, das auch als ein die plattenförmigen Elemente und das/die aus dem FGW gebildete(n) Element(e) vollständig umgebendes Gehäuse ausgeführt sein kann, hat den Vorteil, dass das/die aus dem FGW gebildete(n) Elemente und die gleitend aufeinander angeordneten plattenförmigen Elemente geordnet zusammengehalten werden können. Dabei besitzen das Rahmenelement oder das Gehäuse ein Widerstandsmoment, das eine ausreichende Nachgiebigkeit des Bauteils gewährleistet.
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Der durch mindestens zwei aufeinander angeordnete plattenförmige Elemente gebildete Stapel eines erfindungsgemäßen Bauteils kann auch durch von außen angreifende Klemmelemente stabilisiert werden, so dass ein auseinander fallen verhindert und gleichzeitig gesichert werden kann, dass durch die Klemmelemente die freie Beweglichkeit der plattenförmigen Elemente nicht oder nur geringfügig behindert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils können die mindestens zwei plattenförmigen Elemente jeweils mindestens eine Durchbrechung aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie sich bei den plattenförmigen aufeinander liegenden Elemente zumindest teilweise überdecken, und durch diese Durchbrechungen die/das vorzugsweise Band- oder drahtförmige aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete(n) Element(e) hindurchgeführt ist/sind und dadurch die plattenförmigen Elemente (7) formschlüssig verbunden werden können. Vorteilhaft ist es dabei, dass keine weiteren Mittel notwendig sind um das Bauteil in seiner Form zu stabilisieren, da die plattenförmigen aufeinander liegenden Elemente durch das/die draht- oder bandförmige aus dem FGW gebildete Element(e) fixiert werden, ohne dass diese in ihrer freien Beweglichkeit eingeschränkt werden. Ein weiterer besonderer Vorteil ist es, dass die durch die Aktivierung hervorgerufene Druckkraft nur in einem definierten Bereich des Bauteils wirkt, an oder in dem das draht- oder bandförmige aus dem FGW gebildete Element schlaufenförmig hindurchgeführt angeordnet ist.
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Zur Verstärkung der Gleitreibung/Haftreibung zwischen den plattenförmigen Elementen kann das draht- oder bandförmige aus dem FGW gebildete Element mehrfach schlaufenförmig durch mehrere Durchbrechungen hindurchgeführt angeordnet sein. Außerdem können das/die vorzugsweise draht- oder bandförmige aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete(n) Element(e) durch mehrere der Durchbrechungen geführt sein. Weiterhin kann/können ein definierter Bereich oder mehrere definierte Bereiche der plattenförmigen Elemente mit mehreren voneinander unabhängig aktivierbaren band- oder drahtförmigen aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildeten Elementen verbunden sein.
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Dadurch dass mehrere aus dem FGW gebildete Elemente, beispielsweise mehrere Formgedächtnis-Drähte jeweils unabhängig voneinander in mehreren definierten Bereichen des erfindungsgemäßen Bauteils aktiviert werden können, kann die Steifigkeit insbesondere von sehr großen Bauteilen lokal angepasst werden.
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Ein mehrfach durch die Durchbrechungen von mindestens zwei plattenförmigen übereinander liegenden Elementen schlaufenförmig geführt angeordneter Formgedächtnis-Draht kann eine Nahtstruktur bilden, die von zumindest einer Seite der zwei plattenförmigen übereinanderliegenden Elemente betrachtet spiralförmig, kreisförmig, zick-zack-förmig, kreuzförmig oder unregelmäßig ausgebildet sein kann. Dadurch kann die Versteifung des Bauteils in genau den Bereichen eingestellt werden, die von einer solchen „Nahtstruktur” erfasst werden.
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Die Durchbrechungen können in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Raster angeordnet sein. Sie können eine runde oder mehreckige Form aufweisen oder als Langloch und/oder kreuzförmiges Langloch ausgebildet und so dimensioniert sein, dass das hindurchgeführt angeordnete band oder drahtförmige aus dem FGW gebildete Element bei einer Biege und/oder Torsionsbeanspruchung des Bauteils frei bewegbar ist. Die Form der Durchbrechung kann entsprechend einer Hauptbelastungsrichtung des Bauteils so angepasst werden, dass das hindurchgeführte aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete Element bei einer mechanischen Beanspruchung des Bauteils möglichst wenig auf Druck und/oder Zug beansprucht wird. Vorzugsweise sollte das aus dem FGW gebildete Element bei einer mechanischen Beanspruchung des Bauteils gleitend geführt sein, wodurch Reibkräfte vermindert werden können.
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Die Durchbrechungen sollten maximal 10% der Oberfläche eines plattenförmigen Elements einnehmen, um eine möglichst große Reibfläche zu gewährleisten.
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Das erfindungsgemäße Bauteil ist in allen Größenvarianten dimensionierbar. Begrenzungen im Größenmaßstab werden lediglich durch fertigungstechnische Beschränkungen erreicht.
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Anhand der nachfolgenden Figuren soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1 ein Beispiel eines plattenförmigen Elements mit Durchbrechungen;
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2 ein Beispiel des erfindungsgemäßen Bauteils mit übereinander liegend angeordneten plattenförmigen Elementen und mehreren aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildeten Elementen in formschlüssiger Verbindung;
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3 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bauteils nach 2;
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4 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils mit Rahmenelement;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils ebenfalls in Schnittdarstellung;
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In 1 ist ein Beispiel eines plattenförmigen Elements 7, wie es bei einem erfindungsgemäßen Bauteil eingesetzt werden kann, gezeigt. Dabei weist die Oberfläche des aus eloxiertem Aluminium gefertigten plattenförmige Element 7 ein Raster aus gleichmäßigen Durchbrechungen 2 auf, die als Langlöcher mit den Abmaßen 1 mm × 5 mm ausgeführt sind. Die eloxierte Aluminiumplatte 7 hat die Abmessungen 265 mm × 125 mm und ist 0,5 mm dick. Die Eloxalschicht der Aluminiumplatte dient als elektrische Isolierung und als Korrosionsschutz.
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Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils 1. Dabei sind zwanzig der in 1 dargestellten eloxierten Aluminiumplatten 7 in Form eines Stapels parallel übereinander liegend angeordnet, wobei die als Langlöcher ausgeführte Durchbrechungen 2 miteinander korrespondieren. Mehrere drahtförmige aus einem Formgedächtniswerkstoff gebildete Elemente 3 sind mäanderförmig durch die Langlöcher hindurchgeführt angeordnet. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei um mehrere aus Nitinol (Ni-Ti-Legierung) gebildete Formgedächtnis-Drähte mit einem Durchmesser von 0,5 mm. Bei einer Strukturänderung der Formgedächtnis-Drähte, die in dem vorliegenden Fall durch thermische Aktivierung bei einer Transitionstemperatur von 95°C hervorgerufen wird, verkürzen sich diese um 5% in ihrer Länge. Jeder der verwendeten Formgedächtnis-Drähte ist an einer separat ansteuerbaren elektrischen Stromquelle angeschlossen. Zu diesem Zweck weist jeder Formgedächtnis-Draht von außen zugängliche Kontaktelemente auf (nicht gezeigt). Bei Ansteuerung einer mit einem der Formgedächtnis-Drähte verbundenen elektrischen Stromquelle, wird der jeweilige Formgedächtnis-Draht von einem Strom durchflossen, der eine Aufheizung des selbigen bewirkt. Bei Erreichen der Transitionstemperatur verkürzt sich der Draht, wobei er eine Druckkraft auf die übereinander liegenden eloxierten Aluminiumplatten 7 ausübt. Die dabei zwischen den eloxierten Aluminiumplatten 7 wirkende erhöhte Gleitreibung erhöht die Steifigkeit in diesem Bereich des Bauteils 1. Bei Ausschalten der separat angesteuerten elektrischen Stromquelle kühlt der Formgedächtnis-Draht wieder ab und geht in den Ausgangszustand zurück, wobei die ursprüngliche Gleitfähigkeit der eloxierten Aluminiumplatten und damit die Nachgiebigkeit in diesem Bereiche des Bauteils 1 wieder erreicht wird und die Steifigkeit sinkt.
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Der mit dem Bezugszeichen 5.1 gestrichelt gekennzeichnete Bereich zeigt den Verlauf eines in Längsrichtung mäanderförmig durch den Stapel geführten Formgedächtnis-Draht, der dabei eine Längsnahtstruktur bildet. Hingegen zeigen die mit 6.1, 6.2 und 6.3 gestrichelt gekennzeichneten Bereiche Formgedächtnis-Drähte, die in Querrichtung durch den Stapel mäanderförmig hindurchgeführt sind und dabei eine Quernahtstruktur bilden. In nicht dargestellter Ausführungsform sind weitere Nahtstrukturen vorgesehen, die kreisförmig, spiralförmig, kreuzförmig, regelmäßig oder unregelmäßig ausgeführt sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Längsnaht 5.1 sowie jede der Quernähte 6.1, 6.2 und 6.3 jeweils mit einem separat aktivierbaren Formgedächtnis-Draht 3 gebildet.
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Bei einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils 1 ist es weiterhin vorgesehen, dass ein einzelner Formgedächtnis-Draht durch alle Durchbrechungen 2 des in 2 gezeigten Stapels hindurchgeführt angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei einem thermisch aktivierbaren Formgedächtnis-Draht nur zwei äußere Anschlüsse zur Beheizung, d. h. zum Anlegen des elektrischen Stroms, nötig sind. Außer den thermisch aktivierbaren Formgedächtnis-Draht können auch magnetisch oder mechanisch aktivierbare Formgedächtnis-Drähte eingesetzt werden. Denkbar ist weiterhin die gemeinsame Verwendung von thermisch, magnetisch oder mechanisch aktivierbaren Formgedächtnis-Drähten oder -Bändern in dem erfindungsgemäßen Bauteil 1.
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Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils in Schnittdarstellung mit zehn übereinander liegend angeordneten als glasfaserverstärkte Kunststoffplatten (GFK-Platten) ausgeführte plattenförmige Elemente 7, die miteinander korrespondierende runde Durchbrechungen 2 aufweisen. Durch die Durchbrechungen 2 mäanderförmig hindurchgeführt, ist ein aus einer NiMnGa-Legierung hergestellter, magnetisch aktivierbarer Formgedächtnis-Draht 3, der sich durch den Einfluss eines ausreichend starken Magnetfeldes verkürzt. Dabei tritt die Aktivierung, d. h. eine Verkürzung des magnetisch aktivierbaren Formgedächtnis-Drahtes 3 nur an den Bereichen auf, wo das Magnetfeld auf das Bauteil 1 einwirkt. Die Versteifung des Bauteils 1 ist also in den magnetisch beeinflussten Bereichen einstellbar.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils 1 ist in der 4 dargestellt. Dabei sind zwei aus jeweils fünf der plattenförmigen Elemente 7 gebildete Stapel, zwischen denen spiralförmige, aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete Elemente 3 angeordnet sind, von einem Rahmenelement 4 eingefasst. Anders als in 1 gezeigt, weisen die plattenförmigen Elemente 7 in diesem Beispiel keine Durchbrechungen 2 auf. Bei den aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildeten Elementen 3 handelt es sich um elektrisch Leitende Formgedächtnis-Spiralfedern, die sich bei der Aktivierung vertikal ausdehnen oder verkürzen. Aufgrund ihrer Form besitzen die Formgedächtnis-Spiralfedern eine Vorspannkraft, die ausreichend ist, um die aus den plattenförmig gebildeten Elementen gebildeten Stapel gegen das Rahmenelement 4 zu drücken, wobei das Rahmenelement 4 als Widerlager zur Aufnahme von Kräften wirkt. Die Vorspannkraft ist jedoch so gering ausgelegt, dass die in den Stapeln angeordneten Platten in ihrer freien Beweglichkeit nicht vollständig eingeschränkt sind.
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Die separat thermisch aktivierbaren Formgedächtnis-Spiralfedern 3 sind regelmäßig angeordnet. Über nicht gezeigte in dem Rahmenelement 4 angeordnete Kontaktelemente kann ein elektrischer Strom von außen angelegt werden, der durch die jeweiligen Formgedächtnis-Spiralfedern 3 hindurch geleitet werden kann. Bei Erreichen der Transitionstemperatur, dehnen sich die jeweils separat angesteuerten Formgedächtnis-Spiralfedern 3 vertikal aus, so dass an dieser Stelle die Druckkraft auf die beiden Stapel erhöht wird. Durch die Druckkraft zusammengepresst, erhöht sich die Reibkraft zwischen den plattenförmigen Elementen, so dass eine bereichsweise Versteifung des Bauteils 1 erreicht wird.
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In der 5 ist eine Abwandlung des bereits in 4 gezeigten erfindungsgemäßen Bauteils dargestellt, wobei das aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildete Element 3 in der Form einer profilierten Platte ausgeführt ist. Weiterhin ist das Rahmenelement 4 als umgebendes Gehäuse ausgeführt. Aufgrund der zick-zack-förmigen oder wellen-förmigen Profilierung der Platte ist eine Vorspannkraft gegeben, die die beiden aus den plattenförmigen Elementen 7 gebildeten Stapel gegen die Innenwand des Gehäuses 4 fixiert, ohne dass dabei die freie Beweglichkeit der in den Stapeln angeordneten plattenförmige Elemente 7 eingeschränkt ist. Die thermisch aktivierbare profilierte Formgedächtnisplatte 3 verkürzt bei Erreichen der Transitionstemperatur ihre flächige Ausdehnung, wodurch die zick-zack-förmige Struktur in der Höhe vergrößert wird. Die dabei wirkende vertikale erhöhte Druckkraft richtet sich wiederum gegen die beiden Stapel, die von innen gegen das Gehäuse 4 gedrückt werden, wodurch die Reibkraft zwischen den plattenförmigen Elementen 7 erhöht wird.
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Es kann auch ein aus dem Formgedächtniswerkstoff gebildetes Element 3 eingesetzt werden, das in umgekehrter Wirkung funktioniert, also bei Erreichen der Transitionstemperatur die Druckkräfte, mit denen die plattenförmigen Elemente 7 zusammen gedrückt werden, sich verkleinern und dadurch auch die Reibungskräfte reduziert werden. Dies kann auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung so angewendet werden, wenn z. B. ein Draht oder Band sich bei einer Aktivierung verlängert.
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Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform der in 4 und 5 gezeigten Beispiele ist nur ein Stapel aus übereinander liegenden plattenförmigen Elementen 7 und ein aus einem Formgedächtniswerkstoff gebildetes Element 3 von einem Rahmenelement 4 bzw. Gehäuse eingefasst. Ferner kann ein Bauteil 1 so dimensioniert werden, dass es mehrere aufeinanderfolgende Schichten mit aus den plattenförmigen Elementen 7 gebildeten Stapeln und jeweils dazwischen angeordnete aus einem Formgedächtniswerkstoff gebildete Elemente 3 angeordnet sind, die von dem gemeinsamen Rahmenelement 4 oder dem Gehäuse eingefasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7892630 B1 [0003]
- US 7901524 B1 [0003]
- DE 112004002393 T5 [0003]
