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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Aktivieren eines thermisch betätigten Aktuators aus einem aktiven Material, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der
US 2009 / 0 241 537 A1 bekannt ist.
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2. Erläuterung des Standes der Technik
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Thermisch betätigte Aktuatoren aus einem aktiven Material (z. B. einer Formgedächtnislegierung, einem Formgedächtnispolymer, Paraffinwachs etc.) benötigen typischerweise eine drahtgebundene Kommunikation, um eine Aktivierung bei Bedarf zu bewirken. Im Spezielleren stellt in diesen Systemen eine elektrische Schaltung mit einer/m Eingabevorrichtung oder Controller den elektrischen Strom bereit, der verwendet wird, um den Aktuator direkt (z. B. über Ohm'sche Heizung) oder indirekt (z. B. durch Beaufschlagen eines benachbarten Thermoelements mit Energie) zu erwärmen, wobei die Vorrichtung oder der Controller betreibbar ist, um den Strom und ein Aktivierungssignal zu steuern. Es ist müßig zu erwähnen, dass die Notwendigkeit, eine drahtgebundene Verbindung vorzusehen, den Umfang und die Flexibilität des Systems einschränkt und weitere Probleme mit sich bringt. So ist beispielsweise einzusehen, dass der Abstand zwischen der EingabeVorrichtung oder dem Controller und dem Aktuator durch die akzeptablen Materialkosten und den Widerstand innerhalb der Schaltung auf der Basis der verfügbaren Spannung begrenzt ist, und dass als solches die Anwesenheit eine Benutzers in der Nähe des Aktuators erforderlich ist.
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Herkömmliche Verfahren zum Aktivieren eines Aktuators sind in den Druckschriften
US 3 316 415 A ,
US 2005 / 0 121 240 A1 ,
US 3 798 896 A und
US 2008 / 0 185 936 A1 beschrieben.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Als Reaktion auf diese und andere Probleme werden hierin neue Verfahren zum Betätigten eines thermisch aktivierten Aktuators aus einem aktiven Material präsentiert, welche eine drahtlose Übertragung (d. h. eine ausgestrahlte Form von Energie) verwenden. Die erfindungsgemäßen Verfahren und Aktuatorkonfigurationen sind brauchbar, um eine Aktivierung bei Bedarf ohne die Verwendung einer elektrischen Schaltung zu bewirken. Durch Verwendung eines drahtlosen Mediums kann der Abstand zwischen einer/m Eingabevorrichtung oder Controller und dem Aktuator erheblich vergrößert werden, was somit eine Fernaktivierung ermöglicht. Schließlich ist die Erfindung teilweise einsetzbar, um die möglichen Anwendungen thermisch aktivierter aktiver Materialien zu erweitern. Die Erfindung kann z. B. verwendet werden, um eine Aktivierung bei Bedarf in gefährlichen Umgebungen, wo die Anwesenheit eines Bedieners nicht realisierbar ist, durch feste Materialien und während Netzausfällen zu ermöglichen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Aktivieren eines thermisch betätigten Aktuators aus einem aktiven Material und zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 aus.
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Die oben beschriebenen und weitere Merkmale einschließlich der hierin in Erwägung gezogenen verschiedenen Arten von Betätigungsanordnungen und Aufnahmeelementen sind durch die nachfolgenden Fig. und die detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfig. im Detail beschrieben, wobei:
- 1 ein Aufriss einer Betätigungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche einen thermisch aktivierten Aktuator aus einem aktiven Material und ein Aufnahmeelement umfasst, welches eine äußere Schicht oder Beschichtung bildet, wobei das Element mit einer drahtlosen Übertragung in Eingriff steht;
- 1a ein Aufriss der in 1 gezeigten Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Übertragung aus mehreren Laserstrahlen besteht, die von einem einzigen Laserstrahl abgespaltet sind;
- 1b ein Aufriss der in 1 gezeigten Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Übertragung eine Mikrowellenstrahlung ist und die Anordnung ferner einen Dämpfer umfasst;
- 2 ein Aufriss einer Betätigungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche einen thermisch aktivierten Aktuator aus einem aktiven Material umfasst, der innerhalb eines Bades angeordnet ist, und welche ferner ein Aufnahmeelement umfasst, wobei das Element mit einer drahtlosen Übertragung in Eingriff steht;
- 3 ein Aufriss einer Betätigungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche einen thermisch aktivierten Aktuator aus einem aktiven Material und ein Aufnahmeelement umfasst, welches aus einer Vielzahl von Partikeln, die innerhalb des Aktuators eingebettet sind, oder molekularen Additiven besteht, die diesem zugesetzt sind, wobei das Element mit einer drahtlosen Übertragung in Eingriff steht;
- 4 ein Aufriss einer Betätigungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche eine Vielzahl von thermisch aktivierten Aktuatoren aus einem aktiven Material und Aufnahmeelemente umfasst, welche eine äußere Schicht oder Beschichtung ausmachen, wobei jedes antriebstechnisch mit einem Markierungen tragenden Mitnehmer gekoppelt ist; und
- 5 ein Fortschreiten einer Betätigungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche ein SMP-Matrix umfasst und ferner eine Vielzahl von kovalent gebundenen molekularen Schaltern umfasst, welche einen Licht-Umschalteffekt erfahren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die
1-5 bietet die Erfindung eine neue thermisch aktivierte Betätigungsanordnung
10 und ein Verfahren zum Aktivieren eines thermisch betätigten Aktuators
12 aus einem aktiven Material, welches eine drahtlose Übertragung
14 verwendet, um die Aktivierung zu bewirken. Im Spezielleren ermöglicht, unterstützt oder bewirkt die Übertragung
14 direkt die Aktivierung. Im Allgemeinen stellt die Übertragung
14 jede ausgestrahlte Form von Energie oder Fluidströmung dar, die in der Lage ist, Energie zwischen einer Quelle
16 und der Betätigungsanordnung
10 zu transportieren, welche, anders als passiv erzeugte Wärmestrahlung, für eine direkte Aktivierung hinreichend ist. Durch Konzentrieren auf die drahtlose Übertragung
14 unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von einer herkömmlichen Betätigungsmethodik, welche auf einem benachbarten exothermen System zum passiven Erzeugen des Aktivierungssignals beruht. Wie nachfolgend und in der Druckschrift
US 2009 / 0 072 575 A1 weiter beschrieben, wird jedoch eine Sonnenwärmestrahlung zur Verwendung hierin als eine Übertragung
14 in Erwägung gezogen, die nicht hinreichend ist, um eine Aktivierung direkt zu bewirken. Es ist einzusehen, dass die Übertragung
14 aus dem gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums einschließlich Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Ultraviolett-Strahlung, sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellen, Funkwellen und Langwellen gewählt sein kann. Die Übertragung
14 kann selektiv (z. B. wie bezüglich der Lasertechnologie, wie nachfolgend weiter beschrieben), um eine Aktivierung bei Bedarf zu bewirken, oder passiv, z. B. als ein Nebenprodukt eines überwachten Systems (nicht gezeigt) hergestellt werden. Schließlich ist einzusehen, dass die Übertragung
14 gerichtet oder omnidirektional sein kann.
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Der Ausdruck „Aktuator“, wie hierin verwendet, soll in einem nicht einschränkenden Sinn gebraucht werden und umfasst Sensoren aus einem aktiven Material oder Konfigurationen mit einem „intelligenten“ Material, wobei das aktive Material ein/e/n größere/n/s Vorrichtung, Mechanismus und System (nicht gezeigt) sowohl erfasst als auch betätigt. Die Erfindung in verschiedenen Beispielen ist hierin ohne Einschränkung beschrieben und ist für jede Anwendung geeignet, in welcher eine thermische Fernbetätigung mithilfe des aktiven Materials erwünscht ist, was abgekapselte Prüfkammern, gefährliche Umgebungen, Luft- und Raumfahrts-, militärische, Automobil-, Gesetzesvollzugs- und Nahrungsmittelherstellungsanwendungen umfasst. Wenn sie für den Einsatz mit Mikrowellen geeignet ist, kann die Anordnung 10 z. B. verwendet werden, um eine Mischapparatur innerhalb eines Mikrowellenofens zu betätigen oder ein Sammelgefäß während einer Mikrowellenkommunikation zu öffnen oder abzudecken. Es ist ferner einzusehen, dass die vorliegende Erfindung in einer Automobilumgebung aus der Ferne verwendet werden kann, um Batterieleistung oder einen Gastank abzutrennen, sodass Noteinsatzkräfte sicherer sind, wenn sie auf ein Unfallereignis reagieren.
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I. MORPHOLOGIE UND FUNKTION VON BEISPIELHAFTEM AKTIVEM MATERIAL
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Wie hierin verwendet, ist der Ausdruck „aktives Material“ als eine/s jener Materialien oder Zusammensetzungen definiert, welche eine reversible Änderung in einer fundamentalen (d. h. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft erfahren, wenn sie einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder von diesem ausgeschlossen werden. Für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignete thermisch aktivierte aktive Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, jene, welche die Fähigkeit besitzen, sich an zumindest eine ihrer ursprünglichen Eigenschaften wie z. B. die Form zu erinnern, welche anschließend durch Anwenden eines äußeren thermischen Reizes wieder abgerufen werden kann, und umfassen Formgedächtnislegierungen (SMAs), Formgedächtniskeramiken, Formgedächtnispolymere (SMPs), Großvolumen-Paraffinwachs und dergleichen.
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Formgedächtnislegierungen beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, welche die Fähigkeit besitzen, zu einer gewissen zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem entsprechenden thermischen Reiz unterworfen werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase pseudoplastisch verformt werden und sie werden sich, wenn sie einer etwas höheren Temperatur ausgesetzt sind, in eine Austenitphase oder Mutterphase umwandeln und in ihre Form vor der Verformung zurückkehren.
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Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. 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 endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet.
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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 Martensit-Anfangstemperatur (MS) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase bewirkt.
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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 anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird die Martensit/Austenit-Phasenumwandlung 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, welche Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück, und es ist wahrscheinlich, und benötigen eine äußere mechanische Kraft, um ihre Form in ihre vorherige Konfiguration zurückzubringen.
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Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien zeichnen sich durch einen Formübergang sowohl beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase als auch durch einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase aus. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge der oben angeführten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die 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 durch z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, den Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedrig- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über viele thermische Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die den extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien. Sie kombinieren eine Legierung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form zurückzubilden.
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Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. 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 typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
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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-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), 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-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt, die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt wie z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
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Es ist daher einzusehen, dass für die Zwecke dieser Erfindung SMAs einen Modulanstieg des ungefähr 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung von bis zu 8 % (je nach dem Ausmaß der Vorverformung) zeigen, wenn sie über ihre Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden. Es ist einzusehen, dass, wenn sich die SMA in einem Betrieb in eine Richtung befindet, ein Vorspannkraftrückstellmechanismus (z. B. ein Feder) erforderlich wäre, um die SMA in ihre Anfangskonfiguration zurückzubringen. Schließlich ist einzusehen, dass eine Ohm'sche Heizung verwendet werden kann, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen.
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Thermisch aktivierte Formgedächtnispolymere (SMPs) sind Polymere, welche die folgenden Eigenschaften zeigen. Erstens ändert sich ihr Elastizitätsmodul im Wesentlichen (üblicherweise um ein bis drei Größenordnungen) über einen schmalen Übergangstemperaturbereich. Zweitens kann der Temperaturbereich durch Verändern der Zusammensetzung des Polymers derart eingestellt werden, dass er innerhalb eines großen Bereiches liegt, welcher das Intervall von 0 bis 150 °C umfasst. Drittens ist ein endliches gummiartiges Plateau in dem elastischen Ansprechen bei Temperaturen oberhalb des Übergangsbereiches vorhanden, wo der Modul einigermaßen konstant bleibt.
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Außer dem Elastizitätsmodul zeigen Eigenschaften wie z. B. die Durchlässigkeit gegenüber Feuchtigkeit und der Brechungsindex etc. zeigen eine deutliche Änderung über den Übergangstemperaturbereich hinweg. Formgedächtnispolymere, die durch andere Reize wie z. B. Licht und Feuchtigkeit aktiviert werden, zeigen ein ähnliches Verhalten, wobei die Änderung der Eigenschaften über einen Bereich von endlichen, separaten, diskreten Werten des spezifischen Reizes, oder diesem entsprechend stattfindet. Diese Eigenschaften sind das Ergebnis der Morphologie des Polymers, welches Ketten von Atomen umfasst, die durch zwei Arten von Vernetzungen verbunden sind: irreversible und reversible. Letztere kann durch Zufuhr von ausreichend thermischer Energie, um die Temperatur des Polymers über den Übergangsbereich in thermisch aktivierten SMPs anzuheben, aufgebrochen werden. In diesem Zustand werden die Ketten in dem Polymer nur durch die irreversiblen Vernetzungen zusammengehalten. Demzufolge ist der Elastizitätsmodul des Polymers niedrig und das Material kann auf hohe Dehnungen (z. B. bis zu etwa 300 %) gestreckt werden. Auf Grund einer Reduktion der Vernetzungen können sich die Polymerketten relativ zueinander über beträchtliche Distanzen bewegen, um die großen Verformungen unterzubringen, ohne das Aufbrechen der reversiblen Vernetzungen, und damit ein plastisches Versagen nach sich zu ziehen. Wenn diese Deformation aufrechterhalten wird, während das Polymer auf eine Temperatur unter dem Übergangsbereich abgekühlt wird, werden die reversiblen Vernetzungen zwischen den Polymerketten in ihren neuen Positionen gebildet. Die erhöhte Dichte an Vernetzungen schränkt die relativen Bewegungen der Polymerketten ein und erhöht somit die Steifigkeit des Materials. Die neu gebildeten reversiblen Vernetzungen dienen dazu, die dem Polymer verliehene Verformung über dem Übergangsbereich einzusperren.
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Experimente haben gezeigt, dass das Polymer die verformte Form über längere Zeitspannen (z. B. bis zu 6 Monate) beibehalten kann, solange sie innerhalb der Elastizitätsgrenze des Polymers unter dem Übergangsbereich belastet werden und die Materialtemperatur nicht in oder über den Übergangsbereich ansteigt. Ein anschließendes Erwärmen des Polymers über den Übergangsbereich bewirkt, dass die reversiblen Vernetzungen aufbrechen, und wenn das Material frei von äußeren Belastungen ist, bildet es die zuvor in ihm induzierte Verformung über dem Übergangsbereich zurück. Die Verformungsrückbildung ist oft nahezu vollständig (z. B. zu 98 % oder mehr). Somit können SMPs temporäre Formen verliehen werden, indem sie über dem Übergangsbereich verformt werden und sie unter den Übergangsbereich abgekühlt werden. Die ursprüngliche Form kann durch einfaches Erwärmen des Polymers über den Übergangsbereich bei Nichtvorhandensein von äußeren Belastungen zurückgebildet werden.
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In Abhängigkeit von der Natur der Polymermorphologie kann eine breite Vielfalt von SMPs gebildet werden. Eine Möglichkeit der Klassifizierung von SMPs beruht auf der Natur der Vernetzungen. Die irreversiblen Vernetzungen in duroplastischen SMP werden durch kovalente Bindungen gebildet. Thermoplastische SMP weisen nicht wirklich irreversible Vernetzungen auf. Sie weisen vielmehr zwei Arten von reversiblen Vernetzungen auf, die über endliche, getrennte Temperaturbereiche gebildet und aufgebrochen werden. Jeder der Temperaturbereiche, über die hinweg sich das Polymer in der oben spezifizierten Weise verhält, kann als ein Übergangsbereich für das Material bezeichnet werden. Typischerweise wird der tiefste Temperaturbereich, der in den Bereich normaler Betriebsbedingungen für das Material fällt, als der Übergangsbereich verwendet. Wenn das Material über seinen Übergangsbereich erwärmt wird, werden nur die Vernetzungen aufgebrochen, welche diesem Bereich und allen tieferen Bereichen entsprechen. Die Vernetzungen, welche sich bei höheren Temperaturen bilden und aufgebrochen werden, sind nicht betroffen und sie spielen die Rolle irreversibler Vernetzungen in dieser Klasse von SMP.
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Reversible Vernetzungen sind sekundäre Brücken, welche aus H-Brücken, ionischen Brücken und Van-der-Waals-Kräften bestehen, welche bewirken können, dass lineare Kettenmoleküle, insbesondere jene mit der gleichen Taktizität und vernachlässigbaren angehängten Gruppen, kristallisieren. Irreversible Vernetzungen produzieren eine Verknäuelung und kovalente Vernetzungen und können für einige durch Licht aktivierte SMPs reversibel sein. Das Gerüst kann ein thermoplastisches (d. h. im Prinzip ein eindimensionales kovalentes Netzwerk aus linearen Molekülen) sein. Die Verbindungen in dem Gerüst sind keine Vernetzungen, sondern sind Verbindungen zwischen nicht benachbarten Atomen in der Kette. Das heißt, anstatt eines eindimensionalen Netzwerkes wird ein nicht vernetztes Netzwerk dargestellt, welches aufgrund der eindimensionalen Beschaffenheit problemlos fließt, wenn es über eine Erweichungstemperatur erwärmt wird, was ein relatives Gleiten zwischen Gerüstkettensegmenten begünstigt. Als solches kann das Polymer einfach rückgebildet werden, indem es über eine Erweichungstemperatur erwärmt wird.
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In duroplastischen SMPs stellt ein dreidimensionales kovalentes Netzwerk ein vernetztes Netzwerk dar, welches nicht fließt, wenn es erwärmt wird. Stattdessen verbrennt oder verkohlt es oberhalb einer charakteristischen Temperatur, da das dreidimensionale kovalente Netzwerk die Bewegung der Gerüstkettensegmente einschränkt. Als solche werden bessere Struktureigenschaften wie auch Hitze- und chemische Beständigkeit bereitgestellt. In thermoplastischen SMPs wird die ursprüngliche/permanente Form durch physikalische Vernetzungen festgelegt, die durch das harte Segment erzeugt werden; wohingegen in duroplastischen SMPs gegebenenfalls kein hartes Segment vorhanden ist. Die permanente Form wird durch Bilden kovalenter Vernetzungen zwischen den (weichen) Segmenten festgelegt.
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Es ist somit einzusehen, dass für die Zwecke dieser Erfindung SMPs einen drastischen Abfall im Modul zeigen, wenn sie über die Glasübergangstemperatur ihres Bestandteiles erwärmt werden, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist. Wenn eine Betastung/Verformung aufrechterhalten wird, während die Temperatur abfällt, wird die verformte Form in dem SMP festgelegt, bis es ohne Belastung wieder erwärmt wird, wobei es unter dieser Bedingung wieder in seine Form wie geformt zurückkehren wird. Während SMPs verschiedentlich in Block-, Tafel-, Platten-, Gitter-, Gebinde-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden könnten, erfordern sie, dass ihre Temperatur über der Glasübergangstemperatur ihres Bestandteiles liegt, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist, d. h. eine kontinuierliche Energiezufuhr in einer Niedertemperaturumgebung, um in ihrem Zustand mit niedrigerem Modul zu bleiben.
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II. BEISPIELHAFTE ANORDNUNGS-AUSFÜHRUNGSFORMEN UND AKTIVIERUNGSVERFAHREN
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Zurückkommend auf die strukturelle Konfiguration der vorliegenden Erfindung umfasst die Anordnung 10 einen Aktuator 12 aus einem aktiven Material und ein Aufnahmeelement 18, welches in der Lage ist, mit der Übertragung 14 zu kommunizieren. Ein beispielhafter Aktuator 12 ist in den 1-4 gezeigt, und weist eine Drahtkonfiguration auf, die eine Außenfläche 12a definiert. Der Ausdruck „Draht“ soll in einem nicht einschränkenden Sinn verwendet werden und umfasst Streifen, Kabel, Litzen, Ketten oder andere gleichwertige Zugstrukturen; überdies ist einzusehen, dass die/das erfindungsgemäße Anordnung 10 und Verfahren mit Aktuatorkonfigurationen ohne Draht wie z. B. Platten, Geweben und dreidimensionalen Strukturen verwendet werden können.
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Das Aufnahmeelement 18 ist ausgestaltet, um beim Eingriff mit der Übertragung 14 das Aktivierungssignal zu ermöglichen, zu unterstützen oder direkt zu erzeugen und kann die Form einer auf der Oberfläche 12a aufgebrachten Beschichtung, einer Oberflächenbehandlung, einer äußeren Schicht benachbart der Oberfläche 12a, eines Fluids, welches den Aktuator 12 umhüllt, einer Vielzahl von Partikeln, die innerhalb des Aktuators 12 und bevorzugt innerhalb einer Deckschicht des Aktuators 12 imprägniert sind, oder eines molekularen Additivs annehmen sein, welches den Aktuatorbestandteilen zugefügt ist. Die Beschichtung und/oder Schicht 20 (1-4) ist bevorzugt flexibel/formbar und ausgestaltet, um eine thermisch aktivierte Umwandlung zu begrenzen, indem sie schneller oder langsamer auf das Aktivierungssignal anspricht, schneller/langsamer zurücksetzt oder abkühlt oder auf die verschiedenen übertragenen Energiebänder reagiert. Zur Verwendung geeignete Oberflächenbehandlungen 22 umfassen Ätzen, Abrasion, Oxide oder Polieren, um ähnliche Effekte auf eine Verbund-, geschichtete oder eine in der Zusammensetzung variierte (d. h. abgestufte) Beschichtung zu induzieren. Außerdem soll der Ausdruck „Oberflächenbehandlungen“ wie hierin verwendet, Mikromerkmale wie z. B. positive oder negative Oberflächenmerkmale einer Größe und/oder Form, welche zur Folge haben, dass die Oberfläche 12a mehr oder weniger empfindlich gegenüber spezifischen Frequenzsignalen wird, und großmaßstäbliche Merkmale wie z. B eine Schleifen- oder Spulenbildung eines SMA-Drahtes 12 umfassen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Aufnahmeelement 18 betreibbar, um das Emissionsvermögen oder anderweitig Wärmeübertragungseigenschaften der Oberfläche 12a zu ändern, um so eine Aktivierung selektiv zu ermöglichen und/oder zu unterstützen. Das heißt, das Element 18 kann die Oberfläche 12a verhüllen und zwischen einem ersten und einem zweiten Emissionsvermögen beim Eingriff mit der Übertragung 14 umschaltbar sein. Das erste Emissionsvermögen ist bevorzugt um zehn, stärker bevorzugt fünfundzwanzig und am stärksten bevorzugt fünfzig Prozent größer als das zweite. Das Element 18 kann z. B. eine äußere Schicht oder Beschichtung 20 benachbart der Oberfläche 12a darstellen, welches ein chromogenes Material umfasst. Im Spezielleren kann das Element 18 ein photochromes, thermochromes, elektrochromes oder halochromes Material umfassen, um für Licht, Wärme, Elektrizität bzw. Säuregehalt empfänglich zu sein. Jede der oben erwähnten Übertragungen 14 ist betreibbar, um die Farbe des chromogenen Elements 18 zu verändern, um so selektiv zu ermöglichen, dass ein Aktivierungssignal durch die Oberfläche 12a hindurch gelangt. Somit wird in dieser Konfiguration, wenn eine Aktivierung erwünscht ist, die Übertragung 14 hergestellt oder beendet, um so die Farbe der Beschichtung oder Schicht 18 zu dem mehr thermisch absorbierenden (d. h. weniger reflexiven) Zustand der erreichbaren Farben hin zu verändern.
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Um eine Präzisionsaktivierung über lange Strecken zu bewirken (wobei eine ausreichende Sichtlinie vorgesehen ist), verwendet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen Laser 16 und eine Laserstrahlübertragung 14 (1a), um den Aktuator 12 zu erwärmen. Der Strahl 14 kann parallel zu dem Aktuator 12 übertragen werden, wie in Strichlinien gezeigt, wenn er sich hinreichend daneben befindet. Das heißt, wenn er parallel steht, muss der Strahl 14 so übertragen werden, dass der Aktuator 12 innerhalb seiner thermischen Einflusszone liegt. Stärker bevorzugt umfasst die Übertragung 14 eine Vielzahl von Strahlen 14a-c (1a), welche derart orientiert sind, dass sie mit dem Aktuator 12 an mehreren Stellen oder von mehreren Seiten in Eingriff gelangen, um so eine gleichmäßigere Erwärmung zu begünstigen. Die Strahlen 14a-c sind bevorzugt von einer einzigen Quelle 16 abgespaltet, welche in 1a als kontinuierlich gezeigt ist. Wie in 1 gezeigt, gelangen die Strahlen 14a-c mit dem Aktuator 12 bevorzugt z. B. unter einem Winkel und stärker bevorzugt unter einem Winkel in Eingriff, der neunzig Grad erreicht, um die Kontaktfläche des Eingriffes zu vergrößern.
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In dieser Konfiguration kann das Aufnahmeelement 18 strukturelle Konfigurationen darstellen, welche durch die Fläche 12a definiert und betreibbar sind, um die Wärmeabsorption durch den Aktuator 12 voranzutreiben (1a). Wenn Mikromerkmale definiert sind, kann das Element 18 mit der Phase und/oder der Frequenz des Strahles 14 in Übereinstimmung gebracht und es kann stärker bevorzugt dadurch erzeugt werden. Es können z. B. zwei oder mehr Strahlen eines gepulsten Hochleistungs-ND:YAG-Lasers 16 verwendet werden, um ein zweidimensionales Interferenzmuster zu erzeugen. Mit einem geeigneten Interferenzmuster können die Topographie und die Phasenmikrostruktur des Formgedächtnislegierungsaktuators 12 koordiniert werden, um die Erwärmung voranzutreiben. In einem anderen Beispiel kann das Aufnahmeelement 18 ferner ein/e Photovoltaikfluid (2) oder -zelle oder eine pyrotechnische Beschichtung (1) umfassen, welche/s genug thermische Energie freisetzt, um den Aktuator 12 beim Eingriff mit dem Laserstrahl 14 umzusetzen. Überdies ist einzusehen, dass andere geeignete Aufnahmeelemente 18 verwendet werden können, um die Absorption des Laserlichts zu verbessern, einschließlich als ein Aerosolspray aufgebrachten Graphit, schwarze Farbe und bestimmte Oxide/Phosphate, welche in einem wässrigen Bad aufgebracht werden.
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In anderen Ausführungsformen wird Energie von der Übertragung 14 direkt in das Aktivierungssignal umgewandelt und über Strahlung, Konvektion oder Konduktion unabhängig an den Aktuator 12 geliefert. Beispielsweise und wie zuvor erwähnt zieht die erfindungsgemäße Anordnung 10, wenn die Übertragung eine Mikrowellenstrahlung ist, die Verwendung eines entsprechenden Aufnahmeelements 18, welches mit dem Aktuator 12 thermisch gekoppelt ist, und eines passenden Wellenleiters/dämpfers 24 (1b) in Erwägung, der betreibbar ist, um die Mikrowellenübertragung 14 dorthin zu leiten. Die Anordnung 10 kann z. B. ein Aufnahmeelement 18 umfassen, welches aus einer Schicht 20 aus einer Folienumhüllung und einem SMA-Draht 12 besteht, der von der Umhüllung 20 eingehüllt ist. Es ist einzusehen, dass hier die Mikrowellenübertragung 14 die Umhüllung 20 schnell aufheizen und bewirken wird, dass die Umhüllung 20 den Draht 12 durch Konduktion aktiviert.
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Wenn die Übertragung
14 eine unzureichende Wärmestrahlung ist, kann das Aufnahmeelement
18 überdies ein pyrotechnisches oder pyroelektrisches Material, wiederum in einer Schicht oder Beschichtung
20, umfassen. Alternativ und wie in der Druckschrift
US 2009 / 0 072 575 A1 beschrieben, kann das Aufnahmeelement
18 eine Tafel in direktem Kontakt mit dem Aktuator
12 bilden, wobei die Tafel betreibbar ist, um Sonnenwärmestrahlung in eine exotherme Reaktion (pyrotechnisch) oder einen elektrischen Strom (pyroelektrisch) umzuwandeln, welche/r ausreicht, um das Aktivierungssignal zu erzeugen.
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Alternativ kann die Übertragung 14 ausgestaltet sein, um das Aktivierungssignal zu erzeugen, indem sie das Aufnahmeelement 18 in Schwingung versetzt. Wenn die Übertragung 14 z. B. eine Funkwelle umfasst, kann das Element 18 eine Keramikbeschichtung oder -schicht 20 bilden, die für die Frequenz der Welle 14 empfänglich ist. Hier ist die Anordnung 10 derart ausgestaltet, dass die Keramik 18 infolge des Eingriffes der Übertragung 14 zum Schwingen gebracht wird. Durch die Schwingung wird Wärmeenergie erzeugt und es wird ein Aktivierungssignal an den benachbarten Aktuator 12 geliefert.
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In einer anderen Alternative kann die Anordnung 10 ausgestaltet sein, um eine exotherme Reaktion zu bewirken, welche Wärmeenergie in der Nähe des Aktuators 12 freisetzt. Wenn die Übertragung 14 z. B. eine Ultraviolett-Strahlung ist, kann das Aufnahmeelement 18 eine organische Säure (2) mit einem verschiebbaren pH-Wert sein, wenn es einer Ultraviolett-Strahlung ausgesetzt ist.
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Sobald sie zu dem höheren pH-Wert hin verschoben ist, kann die Säure 18 direkt in der Reaktion eingesetzt werden oder sie kann als ein Katalysator dienen. Andererseits ist einzusehen, dass die stärkere Säure 18 verwendet werden kann, um eine endotherme Reaktion (eine, die kühlt) anzutreiben, um ein System zu deaktivieren. Die stärkere Säure 18 kann auch verwendet werden, um eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit einer/s Beschichtung 20 oder Bades hervorzurufen, um so den Transport eines elektrischen Signals zuzulassen und eine Aktivierung anzutreiben.
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Schließlich kann in einem noch anderen Beispiel der Umwandlung der drahtlosen Übertragung 14 in das Aktivierungssignal das Aufnahmeelement 18 eine Vielzahl von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweisen, welche innerhalb des Aktuators 12 und stärker bevorzugt innerhalb der oberen Schicht des Aktuators 12 (3) imprägniert sind. Es ist einzusehen, dass die Nanoröhrchen 18 empfänglich für Infrarotstrahlung 14 sind und in der Lage sind, die Strahlung zu absorbieren und sie als Wärmeenergie abzugeben. In einer speziellen Ausführungsform kann ein Verbundstoff, welcher (1-10-25 % Gew./Gew.) mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen 18 umfasst, gleichmäßig in einer thermoplastischen SMP-Matrix auf Polyurethanbasis verteilt sein. Es ist einzusehen, dass solch ein Verbundstoff empfänglich für eine direkte thermische Aktivierung (z. B. die Verwendung einer Heißluftpistole) im üblichen Sinn, aber auch für Infrarotstrahlung, wobei die Wellenlänge zwischen 660 und 1000 nm beträgt, und eine Ohm'sche Heizung (infolge der Elektroleitfähigkeit der Nanoröhrchen) wäre. Ein beispielhaftes SMP ist aus einem semikristallinen (wenig geordneten) harten Segment mit einer Übergangstemperatur von ungefähr 150 °C und einem weichen Segment gebildet, das eine spannungsinduzierte Kristallisation mit einer Übergangstemperatur von ungefähr 48 °C zeigt. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 18 wirken als Verformungskonzentratoren, welche die spannungsinduzierte Kristallisation begünstigen und den Modul, die Rückverformungsspannung und Rr verbessern. Schließlich ist einzusehen, dass eine Zunahme des Kohlenstoff-Nanoröhrcheninhalts von 2,9 % Vol./Vol. (d. h. 5 % Gew./Gew.) Rf von 0,56 auf 0,7 und die eingeschränkte Rückverformungsspannung von 0,6 auf 1,4 MPa verglichen mit dem Grundpolymer 12 erhöht.
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In ähnlicher Weise kann das Aufnahmeelement 18, wenn der Aktuator 12 aus einer auf Licht ansprechenden duroplastischen Formgedächtnispolymermatrix gebildet ist und die Übertragung 14 eine Ultraviolett-Strahlung mit einer abgestrahlten Wellenlänge λ ist, eine Vielzahl von auf Licht ansprechenden molekularen Schaltern umfassen, welche die Matrix bilden und betreibbar sind, um eine thermische Aktivierung zu stimulieren [engl. simulate] (3 und 5). Ein geeigneter Schalter 18 wird durch Zimtsäure [engl. cinnimic acid] (CA) dargestellt, die auf ein Polymergerüst gepfropft ist, welches ein molekulares Additiv für die Matrix bildet. Wenn λ größer ist als eine Schwellen-Wellenlänge (z. B. 260 nm) wird bewirkt, dass sich kovalente Vernetzungen 26 zwischen den Schaltern 18 bilden; und wenn λ kleiner ist als die Schwellen-Wellenlänge werden die Vernetzungen 26 beendet (5). Infolgedessen erfährt der Aktuator 12 eine aktivierungsartige Umwandlung infolge der verstärkten Rolle des weichen Segments innerhalb der Matrix während der Vernetzungsbildung. In einem speziellen Beispiel kann die Matrix aus n-Butylacrylat, Hydroxyethyl-Methacrylat und Ethylenglykol-1-Acrylat-2-CA (HEA-CA) bestehen, die mit Polypropylenglykol-Dimethacrylat copolymerisiert und vernetzt sind.
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5 zeigt ein Fortschreiten des Licht-Umschalteffekts, wobei die Matrix gestreckt wird, nachdem sie einer UV-Strahlung mit einem λ von mehr als 260 nm ausgesetzt wurde. Als Nächstes wird die äußere Spannung entfernt, um zuzulassen, dass die Aktuator-Aufnahmeelementmatrix einen Teil der Verformung rückverformt; und zuletzt wird die Matrix einer UV-Strahlung mit einem λ von weniger als 260 mm während eines Licht-Aufspaltungsschritts ausgesetzt, wodurch zugelassen wird, dass der Aktuator 12 die restliche Verformung rückverformt und in seinen Zustand mit einem höheren Modul zurückkehrt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können zwei oder mehr der zuvor erwähnten Anordnungen 10 kombiniert werden, um eine Betätigung mittels mehrerer Arten von Übertragungen 14 (4) zu ermöglichen. Wenn sie z. B. zur Verwendung als eine Überwachungseinrichtung oder ein Messinstrument eingerichtet ist, kann die Anordnung 10 eine Vielzahl von SMA-Drähten 12 umfassen, die jeweils antriebstechnisch mit einer Markierungen tragenden Anzeigefahne 28 gekoppelt und kommunikativ mit einer Beschichtung/Schicht 20 eines anderen Aufnahmeelements 18 gekoppelt sind, welches betreibbar ist, um eine Aktivierung des zugehörigen Drahtes 12 nur dann zu bewirken, wenn es mit einer der vielen Arten von Übertragungen 14 (z. B. Funk, Laser und Mikrowelle) in Eingriff gelangt. Überdies ist einzusehen, dass verschiedene Aufnahmeelemente 18 auf demselben Draht 12 beschichtet sein können, sodass verschiedene Bereiche davon auf die verschiedenen Übertragungsarten in variierenden erkennbaren Ausmaßen ansprechen werden.
