DE102012109889A1

DE102012109889A1 - Formändernde Struktur

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Publication number: DE102012109889A1
Application number: DE201210109889
Authority: DE
Inventors: Jens Bold; Christian Hühne; Markus Pagitz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine formändernde Struktur zur Formwandlung in mehrfach gekrümmte Flächen, wobei eine äußere Oberfläche eine erste vordefinierte Form und zweite vordefinierte Form annehmen kann, wobei die formändernde Struktur eine Ebene mit miteinander verbundenen Zellen aufweist, die eine innere Druckkammer aufweisen, wobei die Zellen jeweils eine Schnittfläche aufweisen, deren Flächeninhalt maximal ist, wenn die formändernde Struktur ihre Zielform erreicht hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine formändernde Struktur zur Formwandlung in mehrfach gekrümmte Flächen sowie ein Verfahren hierzu.
Die Form eines Gegenstandes spielt nicht nur vor dem Hintergrund des Designs eine große Rolle, sondern ist in vielen Fällen auch aus technischer Hinsicht entscheidend. So ist es beispielsweise für Tragflächen von Flugzeugen entscheidend, dass die Form der Tragflächen die notwendigen aerodynamischen Eigenschaften aufweist, damit der zum Fliegen benötigte Auftrieb erzeugt werden kann. Eine stabile Form ist hier wesentlich, nicht nur aus sicherheitstechnischen Aspekten.
Gerade im Bereich der Tragflächen von Flugzeugen offenbaren jedoch starre Formen ihren größten Nachteil, nämlich dass sie unveränderbar sind. Denn je nach Flugphase ist es wünschenswert, dass die Tragflächen unterschiedliche aerodynamische Eigenschaften besitzen, um sich an die jeweilige Flugphase bestmöglich anzupassen. Daher weisen Tragflächen großer Verkehrsflugzeuge in der Regel Landeklappen auf, die während der Start- und Landephase ausgefahren und so die Auftriebsfläche der Tragflächen vergrößern. Dabei entsteht eine Profilveränderung der Tragflächen, die es den Verkehrsflugzeugen ermöglicht, den notwendigen Auftrieb mit Hilfe der Tragflächen auch bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erzeugen, ohne einen Strömungsabriss befürchten zu müssen.
Bei derartigen Landeklappen erfolgt jedoch die Veränderung des Profils rein mechanisch derart, dass der Grundkörper der Tragflächen unverändert bleibt, während die Landeklappen zusätzliche mechanische Elemente darstellen, die in eine entsprechende Zielstellung gebracht werden können. Eine tatsächliche Formveränderung der Tragflächen findet jedoch nicht statt.
Aus der nachveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 2 006 936 ist eine formveränderbare Struktur einer Tragfläche bekannt, bei der ohne zusätzliche mechanische Hilfsmittel die tatsächliche Form bzw. das Profil der Tragfläche in einem begrenzten Umfang geändert werden kann. Hierzu werden zwei oder mehr Reihen von miteinander verbundenen Zellen vorgeschlagen, wobei die Zellen einer Reihe mit einem Druck beaufschlagt werden. Werden nun die Zellen der ersten Reihe mit einem hohen Druck und die Zellen der zweiten Reihe mit einem niedrigen Druck beaufschlagt, so verändert sich das Profil der Tragfläche in eine gewünschte erste Form. Wird das Druckverhältnis der Zellreihen jedoch umgekehrt, so kann die Form wieder zurück in die Ausgangsform überführt werden.
Zwar ist es hierdurch möglich, das Profil einer Tragfläche, oder allgemeiner formuliert eines beliebigen Gegenstandes, in seiner grundlegenden Form zwischen zwei verschiedenen Formzuständen zu wechseln, jedoch nur hinsichtlich einer Form mit einer Krümmung. Mehrfach gekrümmte Flächen können mit der in der oben genannten europäischen Patentanmeldung vorgeschlagenen formändernden Struktur nicht erreicht werden. Mit anderen Worten, mit dem in der oben genannten europäischen Patentanmeldung vorgeschlagenen Konzept lässt sich die Gaußsche Krümmung einer Form eines Gegenstandes nicht signifikant verändern.
Aus der US 2005/0029406 A1 ist ein Aktuator bekannt, der mit Hilfe von druckdichten Zellen seine Länge verändern kann. Durch Aufbringen eines Druckes in bestimmten Zellen wird deren Form so verändert, dass es insgesamt zu einer Längenveränderung des Aktuators kommt. Hierdurch lassen sich hydraulische Elemente einer mechanischen Anlage, beispielsweise eines Querruders eines Flugzeuges, ersetzen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine formveränderliche Struktur zu schaffen, die nicht nur mehrere unterschiedliche Formen annehmen kann, sondern darüber hinaus auch in der Lage ist, ihre Gaußsche Krümmung signifikant zu ändern und es somit erlaubt, auch in mehrfach gekrümmte Flächenformen zu wechseln.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der eingangs genannten formändernden Struktur zur Formwandlung in mehrfach gekrümmte Flächen gelöst mit

– einer äußeren Oberfläche, welche die Form einer ersten vordefinierten Form und mindestens einer zweiten vordefinierten Form annehmen kann,
– einer Ebene von miteinander verbundenen Zellen, wobei jede Zelle
– eine hexagonale oder pentagonale Schnittfläche aufweist,
– durch Seitenkanten gebildete Zellseitenwände und mindestens eine der Schnittfläche entsprechenden Zellgrundwand aufweist, wobei Zellseitenwände benachbarter Zellen über ihre jeweiligen Seitenkanten miteinander verbunden sind, und
– mindestens eine innenliegende Druckkammer aufweist, die über Fluidkanäle mit den jeweiligen Druckkammern zumindest eines Teils der benachbarten Zellen in Fluidverbindung steht,
– wobei die der Schnittfläche entsprechenden, außenliegenden Zellgrundwände der Zellen zusammen die äußere Oberfläche der formändernden Struktur bilden,
– wobei die Zellgrundwände und ihre jeweiligen Seitenkanten der Zellen so ausgebildet sind, dass der Zellumfang der Zellgrundwände veränderlich ist,
– wobei jede Zelle eine durch Seitenkanten gebildeten Schnittebene, die der Schnittfläche der Zellgrundwände entspricht, aufweist, die einen unveränderlichen Zellumfang hat,
– wobei jede Zelle derart eingerichtet ist, dass bei Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer die der Schnittfläche entsprechende Zellgrundwand von einer ersten Grundflächenform in eine zweite Grundflächenform wechselt, und
– wobei die erste Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der ersten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche und die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der zweiten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt.

Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die formändernde Struktur zur Formwandlung in mehrfach gekrümmte Flächen eine Ebene von miteinander verbundenen Zellen aufweist, bei der jede Zelle durch Seitenkanten gebildete Zellseitenwände und mindestens eine, vorzugsweise jedoch zwei Zellgrundwände, aufweist. Die Zellgrundwände werden ebenfalls durch Seitenkanten gebildet, welche die hexagonale oder pentagonale Form der Zellgrundwand erzeugen. Benachbarte Zellseitenwände sind über ihre jeweiligen Seitenkanten schwenkbar bzw. flexibel miteinander verbunden, so dass sich die Grundflächenform der Zellgrundwände verändern lässt.
Jede Zelle weist daher eine in der Ebene der Zellen liegende hexagonale oder pentagonale Schnittfläche auf, wobei die Zellgrundwände eine geometrische Form aufweisen, die dieser Schnittfläche entspricht. Die Schnittfläche ist daher im Wesentlichen parallel zu den Zellgrundwänden, die, mit anderen Worten, die Grundfläche eines hexagonalen oder pentagonalen Körpers darstellen, der die jeweilige Zelle darstellen soll.
Zumindest eine der Zellgrundwände der jeweiligen Zellen der Ebene bilden zusammen eine äußere Oberfläche der formändernden Struktur, die dazu ausgebildet ist, die Form von einer ersten vordefinierten Form in mindestens eine zweite vordefinierte Form zu wechseln. Die erste vordefinierte Form und/oder die zweite vordefinierte Form kann dabei eine mehrfach gekrümmte Fläche sein, zwischen denen jeweils mit Hilfe der formändernden Struktur die Form gewechselt werden soll.
Vorzugsweise sind die Zellen über ihre Zellseitenwände mit ihren benachbarten Zellen innerhalb der Ebene der Zellen so miteinander verbunden, dass sich ein Netz aus hexagonalen oder pentagonalen Zellen ergibt. Die Zellseitenwände und/oder Zellgrundwände sind geometrisch so geformt, dass sie in bestimmte Richtungen steifer sind als in andere Richtungen, wodurch die für die Formänderung benötigten Verformungen ermöglicht werden, ohne dass jedoch die Fähigkeit zur Lastabtragung beeinflusst wird. So können die Zellseitenwände und/oder Zellgrundwände aus einem elastischen, anisotropen Material bestehen. Die Zellseitenwände und/oder Zellgrundwände sind so ausgebildet, dass sie eine erste Richtung mehr verformt werden können, als in eine hiervon verschiedene zweite Richtung.
Jede Zelle weist des Weiteren mindestens eine innen liegenden Druckkammer auf, die über Fluidkanäle mit den jeweiligen Druckkammern der benachbarten in Fluidverbindung stehen, so dass alle so miteinander verbundenen Zellen gemeinsam mit mindesten einem Druck in ihren Druckkammern beaufschlagt werden können. Durch die Druckbeaufschlagung der jeweiligen Zellen wird schließlich die Formwandlung durchgeführt, so dass sich die äußere Oberfläche der formändernden Struktur von einer ersten vordefinierten in eine zweite vordefinierte Form verändern lässt. Vorzugsweise sind zwei Druckkammern pro Zelle vorhanden, die voneinander getrennt mit einem Druck beaufschlagbar sind.
Die Zellgrundwände und die die Zellgrundwände bildenden Seitenkanten der Zellen sind dabei so ausgebildet, dass der Zellumfang der Zellgrundwände veränderlich ist, so dass nahezu jede hexagonale oder pentagonale geometrische Form erreicht werden kann. In einer durch Seitenkanten gebildeten Schnittebene der Zellen ist der Zellumfang hingegen unveränderlich, so das bei einer Druckbeaufschlagung die jeweilige Zelle durch Formveränderung versucht ein energetisches Maximum einzustellen. Dabei kann sich die geometrische Form der Schnittebene zwar verändern. Der Zellumfang der Schnittebene ist aber unveränderlich, so dass die Formveränderung der Zelle durch eine Art schwenken der die Zellseitenwände bildenden Seitenkanten um die Schnittebene erfolgt.
Das Erreichen des energetischen Maximums kann beispielsweise darin gesehen werden, dass der Flächeninhalt der Schnittebene, die einen unveränderlichen Zellumfang aufweist, bei Erreichen der zweiten Grundflächenform maximal oder annähernd maximal ist.
Dabei bildet die erste Grundflächenform der Zellgrundwand an der äußeren Oberfläche die erste vordefinierte Form, während die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der zweiten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt. Wechselt nun jede Zelle durch Druckbeaufschlagung die Form ihrer Zellgrundwand von der ersten Grundflächenform in die zweite Grundflächenform, so verändert sich letztendlich die äußere Oberfläche von der ersten vordefinierten Form in die zweite vordefinierte Form, so dass sich eine Formveränderung der formändernde Struktur ergibt. Dabei ist es denkbar, dass durch Variieren des Druckes auch jede Zwischenform zwischen der ersten vordefinierten Form und der zweiten vordefinierten Form eingestellt werden kann.
Die Position der Schnittebene kann dabei vorzugsweise so gewählt werden, dass die Schnittebene mittig durch die Zelle verläuft und im Wesentlichen parallel zu den Zellgrundwänden ist. Es sind aber auch andere Positionen denkbar.
Jede Zelle kann dabei ihre eigene individuelle erste und zweite Grundflächenform aufweisen, die letztendlich durch die Position und Länge der Seitenkanten der Zellgrundwand bzw. der Schnittfläche gebildet wird. Bei einer ersten und/oder zweiten symmetrischen Form ist es allerdings auch denkbar, dass die erste und zweite Grundflächenform bei einigen Zellen identisch ist.
Als formverändernde Struktur im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei eine Struktur mit einer äußeren Oberfläche verstanden, welche die Form zwischen verschiedenen vordefinierten Formen verändern kann.
Mittels einer derartigen formverändernde Struktur bestehend aus einer Vielzahl von hexagonalen oder pentagonalen Zellen ist es nunmehr möglich, nicht nur die Form von einfach gekrümmten Flächen zu verändern, sondern die Oberfläche in jedwede vordefinierte dreidimensionale Form zu bringen, auch solche Formen, die mehrfach gekrümmte Flächen aufweisen. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass durch entsprechende Wahl der Länge und Position der Seitenkanten der jeweiligen Schnittebenen einer derartige formverändernden Struktur von einer ersten vordefinierten Form in jede beliebige zweite vordefinierte Form gewechselt werden kann.
Die Zellen können dabei so ausgebildet sind, dass die Energie des gesamten Zellverbundes für gegebene Zelldrücke bei der zugehörigen vorgegebenen Form maximal ist, so dass sich eine Veränderung der Grundflächenform der Zellgrundwände durch alleiniges Druckbeaufschlagen der einzelnen Zellen erreichen lässt. Unter einem Extremum der Zellenergie ist gemeint, dass die Summe des Produktes aus den einzelnen Zellvolumina und Zelldrücken für eine gegebene Form ein Maximum erreicht.
Die Seitenkanten der einzelnen Zellen können vorzugsweise starre Stege sein, die zum einen als Basis für die Bildung der Zellseitenwände dienen und zum anderen die Zellseitenwände jeweils schwenkbar bzw. flexibel miteinander verbinden. Die schwenkbare bzw. flexible Verbindung kann beispielsweise über entsprechende Scharniere erfolgen oder durch eine lokal niedrigere Beigesteifigkeit. Bei einer einstückigen, d.h. fügestellenfreien Bildung der Zellebene kann die schwenkbare Verbindung auch durch eine entsprechende Materialwahl an den Seitenkanten hergestellt werden, so dass im Bereich der Seitenkanten das Material flexibel ist. Die Seitenkanten der Zellgrundwände können bspw. flexible Stege sein, damit die Zellgrundwände ihre Grundflächenform ändern können.
Die Zellseitenwände können aus stabartigen Strukturen zwischen den Zellgrundwänden oder aus einem flächigen festen Material bestehen, beispielsweise Metall oder Verbundwerkstoffe, welches geometrisch oder durch seinen Lagenaufbau so beschaffen ist, dass es eine hohe Steifigkeit in der Richtung zwischen den Zellgrundwänden besitzt und eine niedrigere Steifigkeit senkrecht dazu. Des Weiteren sind die Zellseitenwände so beschaffen, dass der Zellumfang an den Zellgrundwänden veränderlich ist, jedoch in der Schnittebene zwischen den Zellgrundwänden unter allen möglichen Drücken und Lasten unveränderlich ist.
Die Zellgrundwände, insbesondere jene Zellgrundwand, die zur Bildung der äußeren Oberfläche dient, können aus einer dehnbaren Membran gebildet sein, die zumindest in der Flächenebene flexibel ist. Hierdurch kann eine entsprechende Änderung der Grundflächenform der Zellgrundwände erreicht werden, um so die formändernden Struktur ihre formverändernde Eigenschaft zu verleihen. Hier kommen beispielsweise ebenfalls Verbundwerkstoffe in Betracht.
Die erste vordefinierte Form unterscheidet sich von der zweiten vordefinierten Form, wobei beispielsweise in einer bevorzugten Ausführungsform die erste vordefinierte Form eine ungekrümmte, flächige Form aufweist, während die zweite vordefinierte Form eine mehrfach gekrümmte, insbesondere halbkugelförmige Form aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jede Zelle in der Schnittebene eine Trennwand auf, so dass die Zellen in einen ersten Bereich und in einen zweiten Bereich unterteilt werden. In jedem Bereich befindet sich eine Druckkammer, wobei die Druckkammern des ersten Bereiches der Zellen über eine Fluidverbindung miteinander verbunden sind und die Druckkammern des zweiten Bereiches der Zellen über eine Fluidverbindung miteinander verbunden sind. So lässt sich der erste Bereich unabhängig von dem zweiten Bereich mit einem Druck beaufschlagen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die formverändernde Struktur mindestens eine weitere zweite Ebene von miteinander verbundenen Zellen auf, wodurch sich die äußere Oberfläche der formverändernden Struktur in eine weitere dritte vordefinierte Form wechseln lässt. Hierzu sind Zellgrundwände der Zellen der zweiten Ebene mit den Zellgrundwänden der Zellen der ersten Ebene miteinander verbunden und stehen in Wirkverbindung. Die Zellgrundwände der Zellen der ersten Ebene, die mit den Zellen der zweiten Ebene verbunden sind, sind dabei diejenigen Zellgrundwände der Zellen, die den Zellgrundwänden der Zellen der ersten Ebene zur Bildung der äußeren Oberfläche gegenüberliegen und ebenfalls der hexagonalen oder pentagonalen Schnittfläche entsprechen.
Die Zellgrundwände der Zellen der zweiten Ebene, die denjenigen Zellgrundwänden gegenüberliegen, mit denen die zweite Zellebene an der ersten Zellebene angeordnet ist, können eine weitere äußere Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der äußeren Oberfläche der ersten Ebene bilden. Denkbar ist aber auch, dass diese Oberfläche der Zellen der zweiten Ebene aufgrund des Einsatzzweckes der formändernden Struktur irrelevant bleibt.
Die Zellen der zweiten Ebene sind Merkmalsgleich zu den Zellen der ersten Ebene aufgebaut und weisen ebenfalls eine hexagonale oder pentagonale Schnittfläche auf, durch Seitenkanten gebildete Zellseitenwände sowie die jeweiligen Zellgrundwände, wobei in einer Schnittebene der Zellumfang unveränderlich ist, und wobei zumindest benachbarte Zellseitenwände über ihre jeweiligen Seitenkanten schwenkbar bzw. flexibel miteinander verbunden sind. Darüber hinaus weisen die Zellen der zweiten Ebene ebenfalls eine innen liegende Druckkammer auf, die über Fluidkanäle mit den jeweiligen Druckkammern der benachbarten Zellen der zweiten Ebene in Fluidverbindung stehen, wobei jede Zelle der zweiten Ebene derart ausgebildet ist, dass bei Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer die der Schnittfläche entsprechende Zellgrundwand von einer ersten Grundflächenform in eine zweite Grundflächenform wechselt, genauso wie bei den Zellen der ersten Ebene. Dabei dient die erste Grundflächenform der Zellgrundwand der Zellen der zweiten Ebene zur Bildung einer dritten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche, während die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand der Zellen der zweiten Ebene zur Bildung einer vierten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt. Da jede Zellebene für gegebene Zelldrücke für sich zwei gegebene Formen annehmen kann, ist es möglich, dass eine Struktur aus mehreren Zellebenen mehr als vier gegebene Formen annehmen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und die dritte vordefiniere Form identisch, so dass die formändernde Struktur von einer Grundform (erste/dritte vordefinierte Form) in mindestens zwei unterschiedliche Formen wechseln kann.
Dabei verformt sich die komplette Zellstruktur so, dass die Summe aus dem Produkt von Zellvolumen und Zelldruck ein Extremum erreicht.
Vorteilhafterweise sind die Zellen der ersten Ebene und die Zellen der zweiten Ebene so miteinander verbunden, dass sie gemeinsame Seitenkanten, beispielsweise in Form von elastischen bzw. flexiblen Stegen, und/oder eine gemeinsame Zellgrundwand haben. Hierdurch lässt sich ein Zellenpaar bestehend aus einer Zelle der ersten Ebene und einer Zelle der zweiten Ebene integral bilden, wobei die Zellgrundwand, welche die Zelle der ersten Ebene von der Zelle der zweiten Ebene trennt, jeweils über entsprechende schwenkbare Seitenkanten an den Zellseitenwänden angeordnet ist. Denkbar ist allerdings auch, dass ein solches Zellenpaar keine durchgehenden Stege aufweist, sondern an ihren jeweils verbundenen Zellgrundwänden flexibel verbunden ist.
Vorteilhafterweise sind benachbarte Zellen einer Ebene über ihre Zellseitenwände so miteinander verbunden, dass sie jeweils eine gemeinsame Zellseitenwand haben, was insbesondere bei der einstückigen Bildung der Zellebene besonders vorteilhaft ist. Hierzu können die Zellen der Zellebene auch gemeinsame Seitenkanten, beispielsweise in Form von flexiblen Stegen, haben, die sich jeweils benachbarte Zellen teilen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Seitenkanten der Schnittebene einer Zelle derart ausgebildet, dass die Länge und/oder Position der Seitenkanten der Schnittebene so gewählt sind, dass der Flächeninhalt beim Erreichen der vordefinierten Form unter den gegebenen Bedingungen sein Maximum erreicht, wobei der Zellumfang der Schnittebene unter allen gegebenen Drücken und Lasten unveränderlich ist. Die Zellen sind so ausgebildet, dass die komplette Struktur ein Energiemaximum besitzt für gegebene Drücke und zugehörige gegebene Form. Da jedoch die Form der Zelle die spätere Form der äußeren Oberfläche darstellt, bedingt sich somit die Länge der Seitenkanten hinsichtlich der Form und des Energiemaximums gegenseitig. Denn bei einer Druckbeaufschlagung der Zellen folgen diese dem Prinzip der Maximierung der totalen Energie der Zellstruktur, so dass sich eine Formveränderung der Grundflächenform ergibt.
Darüber hinaus weisen die starren Seitenkanten der Schnittebene einer Zelle eine derartige Länge auf, dass die Ebenen-Dehnungs-Bedingung
so verletzt wird, dass die Struktur in eine mehrfach gekrümmte Form übergeht.
Im Übrigen wird die Aufgabe auch gelöst mit dem Verfahren der eingangs genannten Art zum Verändern der Form einer formändernden Struktur, mit den Schritten:

– Bereitstellen einer äußeren Oberfläche, welche die Form einer ersten vordefinierten Form und mindestens einer zweite vordefinierte Form annehmen kann,
– Bereitstellen einer Ebene von miteinander verbundenen Zellen,
– wobei jede Zelle eine hexagonale oder pentagonale Schnittfläche aufweist, wobei jede Zelle durch Seitenkanten gebildete Zellseitenwände und mindestens eine der Schnittfläche entsprechenden Zellgrundwand aufweist, wobei Zellseitenwände benachbarter Zellen über ihre jeweiligen Seitenkanten miteinander verbunden sind, und wobei jede Zelle mindestens eine innenliegende Druckkammer aufweist, die über Fluidkanäle mit den jeweiligen Druckkammern zumindest eines Teils der benachbarten Zellen in Fluidverbindung steht,
– wobei die der Schnittfläche entsprechenden, außenliegenden Zellgrundwände der Zellen zusammen die äußere Oberfläche der formändernden Struktur bilden,
– wobei die Zellgrundwände und ihre jeweiligen Seitenkanten der Zellen so ausgebildet sind, dass der Zellumfang der Zellgrundwände veränderlich ist,
– wobei jede Zelle eine durch Seitenkanten gebildeten Schnittebene, die der Schnittfläche der Zellgrundwände entspricht, aufweist, die einen unveränderlichen Zellumfang hat,
– wobei jede Zelle derart eingerichtet ist, dass bei Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer die der Schnittfläche entsprechende Zellgrundwand von einer ersten Grundflächenform in eine zweite Grundflächenform wechselt, und
– wobei die erste Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der ersten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche und die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der zweiten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt,
– Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer der Zellen derart, dass die Zellgrundwände der Zellen von ihrer jeweiligen ersten Grundflächenform in ihre jeweilige zweite Grundflächenform wechseln, so dass die äußere Oberfläche ihre Form von der ersten vordefinierten Form in die zweite vordefinierte Form ändert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1a, 1b – schematische Darstellung einer Zelle einer formverändernden Struktur;
2 – schematische Darstellung einer Ebene von Zellen in ihrer Schnittflächendarstellung;
3a, 3b – beispielhafte Entwicklung der Geometrie der Schnittebene einer formverändernden Struktur einer Halbkugel;
4a, 4b – schematische Darstellung der Projektion der Schnittflächen in einer Ebene;
5 – schematische Darstellung einer formverändernden Struktur bestehend aus zwei Zellebenen;
6 – schematische Darstellung einer formverändernden Struktur in der veränderten Form.
Erfindungsgemäß wird die formverändernden Struktur aus einer Ebene von miteinander verbundenen Zellen gebildet. Die 1a und 1b zeigen beispielhaft derartige Zellen, die zur Bildung der formändernden Struktur verwendet werden können. 1a zeigt dabei eine einzelne Zelle 1, die eine entsprechende Schnittebene 2 aufweist. Die Schnittebene 2 in der Zelle 1 der 1a weist eine hexagonale Fläche auf.
Aufgrund der hexagonalen Grundfläche der Zelle 1, vorgegeben durch die Schnittebene 2, weist die Zelle 1 in 1a sechs Seitenflächen 3 auf, welche die seitliche Begrenzung der Zelle 1 bilden. Im oberen und im unteren Bereich abschließend wird die Zelle 1 durch die Zellgrundwände 4 begrenzt, die in ihrer Formstruktur der Schnittebene 2 entsprechen, d.h. ebenfalls eine hexagonale Grundfläche aufweisen. Die obere Zellgrundwand 4a ist dabei diejenige Zellgrundwand, welche die spätere äußere Oberfläche der formverändernden Struktur bildet.
Gebildet wird die Zelle 1 des Weiteren durch entsprechende elastische Stege 5, welche sowohl die Zellseitenwände 3 als auch die Zellgrundwände 4a, 4b begrenzen, und starre Stege, welche die Zellseitenwände 3 begrenzen. Die Stege 5 bzw. Seitenkanten bilden dabei auch gleichzeitig eine Art Scharnier, so dass sich benachbarte Seitenflächen 3 gegeneinander verschwenken lassen. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die Grundflächenform der Zellgrundwand 4a verändern lässt, wodurch sich in der Ebene der Zelle eine Formveränderung der äußeren Oberfläche ergibt.
Im Inneren der Zelle 1 kann eine Druckkammer ausgebildet sein, welche die Zelle 1 mit Druck zur Formveränderung beaufschlagen kann. Hierbei ist es denkbar, dass die Schnittebene 2 eine Trennwand aufweist, welche die Zelle 1 in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt. In jedem Bereich kann nunmehr eine separate Druckkammer ausgebildet sein.
1b zeigt beispielhaft ein Zellenpaar bestehend aus einer Zelle 1a einer ersten Ebene und einer Zelle 1b einer zweiten Ebene, die an ihren zugewandten Zellgrundwänden miteinander verbunden und insgesamt in Wirkverbindung stehen. Die Zelle 1a der ersten Ebene weist hierbei eine Schnittebene 2a auf, während die Zelle 1b der zweiten Ebene eine Schnittebene 2b aufweist. Durch entsprechende Wahl der Länge und Position der Seitenkanten der Schnittebene 2a, 2b sowie der Materialparameter und den Steifigkeiten der Zellseitenwände und Zellgrundwände lassen sich entsprechende Formen der äußeren Oberfläche einstellen, je nachdem, welche Zelledrücke zur Maximierung des totalen Energiegehalts der gesamten Zellstruktur beaufschlagt wird.
Innerhalb der Zelle bzw. den Zellseitenwänden 3 kann die Schnittebene steife Seitenkanten 6 oder steife Regionen in den Zellseitenwänden aufweisen, wodurch sich der Zellumfang an dieser Stelle nicht verändern lässt.
2 zeigt schematisch eine Schnittflächen-Darstellung einer Zellebene, die aus einer Mehrzahl von Zellen 1 mit entsprechenden Schnittebene 2 bestehen. Durch die Bereitstellung von Zellen mit unterschiedlichsten Schnittebene 2 lässt sich nahezu jede beliebige mehrfach gekrümmte Fläche formen. Die Schnittebene wurde so gewählt, dass die Zellen an dieser Stelle ihren Zellumfang nicht ändern können.
Anhand eines Ausführungsbeispiels bezüglich einer Halbkugel soll nun erläutert werden, wie die entsprechenden Zellen einer einzelnen Ebene aufgebaut werden können. 3a zeigt hierbei eine Kugel, bei der ein Teil durch eine formändernden Struktur abgebildet werden soll. Der Einfachheit halber werden sämtliche Positionen im Polarkoordinatensystem angegeben.
Ziel ist es nun, auf der abzubildenden Oberfläche der Kugel eine hexagonale Form als Schnittebene mit unveränderlichem Zellumfang für die Zellen zu finden, die in dieser Zielform ihren maximalen Flächeninhalt haben, was einer Maximierung der Energie des gesamten Systems entsprechen würde. Die beiden Seitenkanten l₂ sind dabei hinsichtlich ihrer Ausrichtung so gewählt, dass sie sich in der Koordinatenachse der abzubildenden Kugelhälfte schneiden. Die in 3b gezeigten Abstände w₁₂ und w₂₃ können durch die Formel
berechnet werden, wobei n_r die Anzahl der Zellen pro Ring darstellt.
stellt dabei den Radius des Ringes an der Kante l₁, l₂ dar, während
den Radius des Ringes an der Kante l₂, l₃ der Zellen darstellt.
Der Radius r_t kann dann angenähert werden durch die Formel
wobei r_s der Radius der Kugel und der Winkel α berechnet werden kann durch
Dies stellt insoweit eine Annäherung dar, als die Tangente der Kugel mit
verwendet wird anstelle der Tangente
Da jedoch
nicht bekannt ist, ist es notwendig, die Lösung iterativ durchzuführen, um r_t aufzufinden. Bei gegebener Länge l₂ ergibt sich dann folgendes:
Der Radius
und
am oberen und unteren Knoten der hexagonalen Schnittfläche kann angenähert werden durch
wobei d₁ und d₂ definiert werden durch
Beispielsweise mit Hilfe der Newton-Raphson-Methode lassen sich dann die Kantenlängen l₂, l₃, welche letztendlich an der Maximierung des Flächeninhaltes den meisten Anteil haben, iterativ berechnen durch
wobei
Nachdem auf diese Art und Weise die Schnittebenen für die einzelnen Zellen für die Zielform derart berechnet wurden, dass die Schnittebenen nunmehr in der Zielform einen maximalen Flächeninhalt haben, werden die Schnittebenen nun in eine Ebene projiziert, so wie in 4a und 4b dargestellt. Die flächige Form der Schnittebene, wie in 4a und 4b dargestellt, könnte beispielsweise die erste vordefinierte Form sein – Ausgangsform. Die halbkugelförmige Form, von der aus die Schnittebenen berechnet wurden, wie in 3a, 3b dargestellt, könnte dann demnach die zweite vordefinierte Form – Zielform – sein. Eine identische halbkugelförmige Form, deren Krümmung jedoch ein anderes Vorzeichen besitzt, könnte eine weitere Zielform darstellen. Im Ausführungsbeispiel der 4a, 4b ist der Radius r_s 200 mm, der Radius des inneren Kreises
25 mm und l₁ 2,5 mm. Die Anzahl der Radialzellen n_r beträgt 17, während die Anzahl der Tangentialzellen n_t 36 beträgt.
Aus diesen so berechneten Schnittebene mit ihren definierten Positionen und Längen lassen sich nun die Zellen, so wie sie in den 1a, 1b dargestellt sind, konstruieren, so dass sich zunächst eine flächige Zellebene mit kreisförmig angeordneten Zellen ergibt, so wie in 5 dargestellt. Im Beispiel der 5 ist eine Zellebenen vorgesehen, bei der die Schnittebenen der Zellen eine Trennwand aufweisen, so dass die Zelle in zwei Bereich mit jeweils einer separaten Druckkammer unterteilt sind. Werden die unteren Druckkammern der Zellen nun mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt, beispielsweise bis zu 1 MPa so beginnt sich die flächige Form nach oben zu wölben, da nun jede Zelle hinsichtlich ihrer zuvor definierten Schnittebene den maximalen Flächeninhalt zur Erreichung des energetischen Maximums anstrebt. Da jedoch der maximale Flächeninhalt aller Zellen dazu führen würde, dass die Ebenen-Dehnungs-Beziehung
verletzt werden wird, wird die formändernde Struktur zwangsläufig in die zweite vordefinierte Form – Zielform – gebracht. Ein Beispiel hierfür ist in 6 angegeben.
Würde anstelle einer Druckbeaufschlagung unteren Druckkammern eine Druckbeaufschlagung der oberen Druckkammern stattfinden, so würde sich die Form nach unten wölben, wobei die Krümmung nun ein anderes Vorzeichen besitzt. Insoweit lässt sich in diesem Ausführungsbeispiel eine Form in eine erste Zielform und eine zweite Zielform überführen.
Das vorstehende Ausführungsbeispiel ist nur beispielhaft zu sehen. Mit einer entsprechenden Wahl der Schnittebene der Zellen sowie ein oder mehrerer zusätzlicher Zellebenen lässt sich jedwede dreidimensionale Zielform abbilden, wodurch es möglich wird, mehrfach gekrümmte Flächen formverändert zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2006936 [0005]
US 20050029406 A1 [0007]

Claims

Formändernde Struktur zur Formwandlung in mehrfach gekrümmte Flächen mit – einer äußeren Oberfläche, welche die Form einer ersten vordefinierten Form und mindestens einer zweiten vordefinierten Form annehmen kann, – einer Ebene von miteinander verbundenen Zellen, wobei jede Zelle – eine hexagonale oder pentagonale Schnittfläche aufweist, – durch Seitenkanten gebildete Zellseitenwände und mindestens eine der Schnittfläche entsprechenden Zellgrundwand aufweist, wobei Zellseitenwände benachbarter Zellen über ihre jeweiligen Seitenkanten miteinander verbunden sind, und – mindestens eine innenliegende Druckkammer aufweist, die über Fluidkanäle mit den jeweiligen Druckkammern zumindest eines Teils der benachbarten Zellen in Fluidverbindung steht, – wobei die der Schnittfläche entsprechenden, außenliegenden Zellgrundwände der Zellen zusammen die äußere Oberfläche der formändernden Struktur bilden, – wobei die Zellgrundwände und ihre jeweiligen Seitenkanten der Zellen so ausgebildet sind, dass der Zellumfang der Zellgrundwände veränderlich ist, – wobei jede Zelle eine durch Seitenkanten gebildeten Schnittebene, die der Schnittfläche der Zellgrundwände entspricht, aufweist, die einen unveränderlichen Zellumfang hat, – wobei jede Zelle derart eingerichtet ist, dass bei Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer die der Schnittfläche entsprechende Zellgrundwand von einer ersten Grundflächenform in eine zweite Grundflächenform wechselt, und – wobei die erste Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der ersten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche und die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der zweiten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt.
Formändernde Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle durch starre und/oder elastische Stege gebildete Seitenkanten zur Bildung der Zellseitenwände und/oder jede Zelle durch starre und/oder elastische Stege gebildete Seitenkanten zur Bildung der Zellgrundwände aufweist.
Formändernde Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle Zellseitenwände und/oder Zellgrundwände aus einem flexiblen Material aufweist.
Formändernde Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Zellen einstückig ausgebildet sind.
Formändernde Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle eine in der Schnittebene angeordnete Trennwand aufweist, welche die Zelle in einen erste Bereich und in einen zweiten Bereich unterteilt, wobei in jedem Bereich mindestens eine innenliegende Druckkammer angeordnet ist, und wobei die Druckkammern des ersten Bereiches der Zellen der Zellebenen in Fluidverbindung stehen und die Druckkammern des zweiten Bereiches der Zellen der Zellebene in Fluidverbindung stehen und die Druckkammern des ersten und des zweiten Bereiches jeweils unabhängig von einander mit Druck beaufschlagbar sind.
Formändernde Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die formändernde Struktur mindestens eine zweite Ebene von miteinander verbundenen Zellen aufweist, wobei – Zellgrundwände der Zellen der zweiten Ebene mit Zellgrundwänden der Zellen der ersten Ebene verbunden sind und in Wirkverbindung stehen, – jede Zelle der zweiten Ebene derart eingerichtet ist, dass bei Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer die der Schnittfläche entsprechende Zellgrundwand von einer ersten Grundflächenform in eine zweite Grundflächenform wechselt, und – die erste Grundflächenform der Zellgrundwand der Zellen der zweiten Ebene zur Bildung einer dritten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche und die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand der Zellen der zweiten Ebene zur Bildung einer vierten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt.
Formändernde Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen der ersten Ebene und die Zellen der zweiten Ebene, die jeweils über ihre Zellgrundwände miteinander verbunden sind, gemeinsame Seitenkanten und/oder eine gemeinsame Zellgrundwand aufweisen.
Formändernde Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen einer Ebene mit ihren jeweils benachbarten Zellen über eine gemeinsame Zellseitenwand und gemeinsamen Seitenkanten miteinander verbunden sind.
Formändernde Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkanten der Schnittebene einer jeweiligen Zelle einer Zellebene eine derartige Länge und/oder Position aufweisen, dass der Flächeninhalt der Schnittebene beim Erreichen der die vordefinierte Form bildende Grundflächenform maximal ist.
Formändernde Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkanten der Schnittebene einer jeweiligen Zelle einer Zellebene eine derartige Länge aufweisen, dass die Ebenen-Dehnungs-Bedingung
mit der in x-Richtung wirkenden Dehnung ε_xx, der in y-Richtung wirkenden Dehnung ε_yy und der Schubdehnung ε_xy so verletzt wird, dass die formändernde Struktur aus einer Ebene der ersten vordefinierten Form in die gewünschte zweite vordefinierte Form übergeht.
Verfahren zum Verändern der Form einer formändernden Struktur, mit den Schritten: – Bereitstellen einer äußeren Oberfläche, welche die Form einer ersten vordefinierten Form und mindestens einer zweite vordefinierte Form annehmen kann, – Bereitstellen einer Ebene von miteinander verbundenen Zellen, – wobei jede Zelle eine hexagonale oder pentagonale Schnittfläche aufweist, wobei jede Zelle durch Seitenkanten gebildete Zellseitenwände und mindestens eine der Schnittfläche entsprechenden Zellgrundwand aufweist, wobei Zellseitenwände benachbarter Zellen über ihre jeweiligen Seitenkanten miteinander verbunden sind, und wobei jede Zelle mindestens eine innenliegende Druckkammer aufweist, die über Fluidkanäle mit den jeweiligen Druckkammern zumindest eines Teils der benachbarten Zellen in Fluidverbindung steht, – wobei die der Schnittfläche entsprechenden, außenliegenden Zellgrundwände der Zellen zusammen die äußere Oberfläche der formändernden Struktur bilden, – wobei die Zellgrundwände und ihre jeweiligen Seitenkanten der Zellen so ausgebildet sind, dass der Zellumfang der Zellgrundwände veränderlich ist, – wobei jede Zelle eine durch Seitenkanten gebildeten Schnittebene, die der Schnittfläche der Zellgrundwände entspricht, aufweist, die einen unveränderlichen Zellumfang hat, – wobei jede Zelle derart eingerichtet ist, dass bei Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer die der Schnittfläche entsprechende Zellgrundwand von einer ersten Grundflächenform in eine zweite Grundflächenform wechselt, und – wobei die erste Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der ersten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche und die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand zur Bildung der zweiten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt, – Anlegen mindestens eines Druckes in der mindestens einen Druckkammer der Zellen derart, dass die Zellgrundwände der Zellen von ihrer jeweiligen ersten Grundflächenform in ihre jeweilige zweite Grundflächenform wechseln, so dass die äußere Oberfläche ihre Form von der ersten vordefinierten Form in die zweite vordefinierte Form ändert.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch – Bereitstellen mindestens einer zweiten Ebene von miteinander verbundenen Zellen, wobei die Zellgrundwände der Zellen der zweiten Ebene mit Zellgrundwänden der Zellen der ersten Ebene verbunden sind und in Wirkverbindung stehen, wobei jede Zelle der zweiten Ebene derart eingerichtet ist, dass bei Anlegen eines Druckes in der Druckkammer die der Schnittfläche entsprechende Zellgrundwand von einer ersten Grundflächenform in eine zweite Grundflächenform wechselt, und wobei die erste Grundflächenform der Zellgrundwand der Zellen der zweiten Ebene zur Bildung der ersten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche und die zweite Grundflächenform der Zellgrundwand der Zellen der zweiten Ebene zur Bildung einer dritten vordefinierten Form der äußeren Oberfläche führt, und – Anlegen eines Druckes in der Druckkammer der Zellen der zweiten Ebene derart, dass die Zellgrundwände der Zellen der zweiten Ebene von ihrer jeweiligen ersten Grundflächenform in ihre jeweilige zweite Grundflächenform wechseln, so dass die äußere Oberfläche ihre Form von der ersten vordefinierten Form in die dritte vordefinierte Form ändert.