DE102013203608B4

DE102013203608B4 - Bezüglich einer Phasenänderung gradierte SMA-Aktuatoren

Info

Publication number: DE102013203608B4
Application number: DE102013203608.6A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Nancy L. Johnson; Peter Maxwell Sarosi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: CN103306926A; US20130240096A1; DE102013203608A1

Abstract

Es wird ein Formgedächtnislegierungselement offenbart, das ausgebildet ist, um eine gradierte Phasenänderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements in Ansprechen auf eine thermische Anregung zu durchlaufen. Diese gradierte Phasenänderung erzeugt ein gradiertes Verschiebungsansprechen des Formgedächtniselements.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen metallische Formgedächtnislegierungsaktuatoren („SMA-Aktuatoren“) und spezieller SMA-Aktuatoren mit besonderen thermischen Ansprecheigenschaften.
HINTERGRUND
Formgedächtnislegierungen sind in der Technik wohlbekannt. Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit zumindest zwei unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten eingesetzten dieser Phasen sind die sogenannte Martensitphase und die sogenannte Austenitphase. In der nachfolgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase im Allgemeinen auf die besser verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, während sich die Austenitphase im Allgemeinen auf die steifere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und aufgeheizt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird häufig als die Austenit-Starttemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei dieser dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Starttemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher der Austenit damit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird als die Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Es sollte angemerkt werden, dass die zuvor erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die durch die SMA-Probe erfahren wird. Speziell nehmen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung zu. Im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften erfolgt die Verformung der Formgedächtnislegierung typischerweise bei oder unterhalb der Austenit-Umwandlungstemperatur (bei oder unterhalb A_s). Ein anschließendes Aufheizen über die Austenit-Übergangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnislegierungsprobe wieder zu ihrer permanenten Form zurückkehrt. Folglich ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung bei Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größe, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensitphase und der Austenitphase zu bewirken.
Aufgrund ihrer temperaturabhängigen Formgedächtniseigenschaften werden die Formgedächtnislegierungen als Aktuatoren oder als andere Elemente verwendet oder wurden für eine solche Verwendung vorgeschlagen, die eine gesteuerte Bewegung in verschiedenen mechanischen und elektromechanischen Einrichtungen oder anderen Anwendungen erfordert, wie beispielsweise bei Blenden zur Steuerung einer Luftströmung, bei reversibel ausfahrbaren Haltegriffen, bei tragbaren Insulinpumpen und bei Auswurfmechanismen für Computermedien, um einige zu nennen. Eine üblicherweise verwendete Ausbildung ist diejenige eines SMA-Drahts mit zwei „erinnerten“ Längen, bei welcher der Draht an einem Element oder an einer Einrichtungskomponente befestigt ist, das bzw. die zwischen verschiedenen Positionen bewegt wird, indem der Draht zwischen der längeren und der kürzeren erinnerten Länge umgewandelt wird. Andere Ausbildungen können ebenso verwendet werden, wie beispielsweise ein SMA-Aktuator, der zwischen einer geraden und einer gebogenen Form umgewandelt werden kann. Die thermische Anregung zum Umwandeln eines SMA-Aktuators zwischen unterschiedlichen Zuständen kann eine direkte äußere thermische Anregung sein, wie beispielsweise Wärme, die mittels einer Wärmequelle angewendet wird, wie beispielsweise mittels eines Infrarot-, eines konvektiven oder eines konduktiven Heizelements. In dem Fall eines SMA-Drahtaktuators wird die thermische Anregung jedoch oft angewendet, indem einfach ein elektrischer Strom durch den Draht fließt, um zu bewirken, dass dieser aufgeheizt wird, und indem der Strom unterbrochen wird, so dass sich der Draht abkühlt, indem Wärme an die umgebende kühlere Umwelt übertragen wird.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Form bei höherer Temperatur erinnert, wenn sie aufgeheizt wird, kann durch leichte Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch eine thermomechanische Bearbeitung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann diese beispielsweise von oberhalb ungefähr 100°C bis unterhalb ungefähr -100°C verändert werden. Der Wiederherstellungsprozess für die Form kann über einen Bereich von nur wenigen Graden auftreten oder eine eher allmähliche Wiederherstellung zeigen. Der Beginn oder das Ende der Umwandlung kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung derart gesteuert werden, dass er innerhalb eines Grades oder innerhalb von zwei Grad liegt. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der durch deren Umwandlung aufgespannt wird, und sie liefern typischerweise den Formgedächtniseffekt, einen superelastischen Effekt und eine hohe Dämpfungskapazität. Beispielsweise wird in der Martensitphase ein geringerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können große Verformungen durchlaufen, indem die Kristallstrukturanordnung mit der ausgeübten Spannung neu ausgerichtet wird. Das Material wird diese Form beibehalten, nachdem die Spannung entfernt wird.
Der Übergang einer Formgedächtnislegierung zwischen dem Martensitzustand und dem Austenitzustand als eine Funktion der Temperatur ist in dem Diagramm von 1 dargestellt, in dem die vertikale Achse ξ den Anteil der Zusammensetzung in dem Martensitzustand repräsentiert und die horizontale Achse T die Temperatur repräsentiert. Die obere in 1 gezeigte Kurve mit dem begleitenden Pfeil, der abwärts und nach rechts zeigt, stellt den Übergang von dem Martensitzustand in den Austenitzustand dar, der durch eine Zunahme in der Temperatur bewirkt wird, wobei die Temperaturen A_s und A_f an der horizontalen Achse bezeichnet sind. Die untere Kurve in 1 mit dem begleitenden Pfeil, der aufwärts und nach links zeigt, stellt den Übergang von dem Austenitzustand in den Martensitzustand dar, der durch eine Abnahme in der Temperatur bewirkt wird, wobei die Temperaturen M_s und M_f an der horizontalen Achse bezeichnet sind.
Für viele Formgedächtnislegierungen kann der Wechsel zwischen dem Martensitzustand und dem Austenitzustand und umgekehrt relativ schnell in Ansprechen auf eine thermische Anregung erfolgen. Dies kann durch verschiedene Faktoren bedingt sein, wie beispielsweise, dass die Zusammensetzung einen engen Temperaturbereich zwischen den Temperaturen A_s und A_f und/oder zwischen den Temperaturen M_s und M_f aufweist. Andere Faktoren umfassen, dass die elektrischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung derart beschaffen sind, dass die Temperatur eines SMA-Drahts schnell über den Temperaturbereich von A_s bis A_f ansteigt, wenn ein Strom angelegt wird. Dies kann zu einem relativ schnellen Wechsel zwischen den erinnerten Formen oder Längen eines SMA-Aktuators führen, was in vielen Fällen unerwünscht ist, in denen aus ästhetischen und/oder funktionalen Gründen eine langsamere Betätigung gewünscht ist.
In der US 2012 / 0 192 999 A1 ist ein Formgedächtnislegierungselement beschrieben, das in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte Phasenänderung entlang einer Dimension durchläuft, bei welcher verschiedene Abschnitte des Elements unterschiedliche Temperaturen für die Phasenänderung aufweisen. Diese gradierte thermische Änderung erzeugt ein gradiertes Verschiebungsansprechen des Formgedächtniselements.
Die US 6 328 822 B1 beschreibt ein ähnliches Formgedächtnislegierungselement.
Ferner beschreibt die US 2011 / 0 083 325 A1 ebenfalls ein Formgedächtnislegierungselement, bei dem verschiedene Abschnitte unterschiedliche Übergangstemperaturen für eine Phasenänderung aufweisen.
In der US 2010 / 0 036 307 A1 ist die Anwendung von Fäden eines Formgedächtnislegierungselements in einer selbstausdehnenden Kanüle beschrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Formgedächtnislegierungselement und ein Verfahren zur Formgedächtnisbearbeitung eines Formgedächtnislegierungselements zu schaffen, bei welchen das Ansprechen maßgeschneidert werden kann, um Ziel-Betätigungsraten in Ansprechen auf eine thermische Anregung zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Formgedächtnislegierungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 oder 8 gelöst.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Formgedächtnislegierungselement ausgebildet, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte Phasenänderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements zu durchlaufen. Diese gradierte thermische Änderung erzeugt ein gradiertes Verschiebungsansprechen des Formgedächtniselements.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine gradierte Phasenänderung in einem SMA-Element durch eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements in einem Verhältnis einer Menge eines ersten Metallelements zu einem zweiten Metallelement erzeugt. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst das Element eine Vielzahl von Metallelementen in einer Kristallgitterstruktur, und es weist eine Gradierung entlang der Dimension in einem Verhältnis einer Menge eines ersten Metallelements in der Kristallgitterstruktur zu einem zweiten Metallelement in der Kristallgitterstruktur auf. Bei einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform wird die gradierte Phasenänderung des SMA-Elements durch eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements in der Formgedächtnisbearbeitung des Elements erzeugt. Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird die Gradierung in der Formgedächtnisbearbeitung durch eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements in der Kaltbearbeitung des Elements erzeugt. Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform wird die Gradierung in der Formgedächtnisbearbeitung durch eine Gradierung entlang der Dimension des Elements in der Temperatur entlang der Dimension während einer Kaltbearbeitung des Elements erzeugt.
Bei einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Formgedächtnisbearbeitung eines Formgedächtnislegierungselements, dass das Element aufgeheizt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung vom Martensit zum Austenit hervorzurufen, dass das Element abgekühlt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung vom Austenit zum Martensit hervorzurufen, und dass die Martensit-Formgedächtnislegierung kalt bearbeitet wird, wobei eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements in der Kaltbearbeitung angewendet wird oder eine Gradierung in der Temperatur entlang der Dimension während der Kaltbearbeitung angewendet wird.
Die vorstehenden Merkmale und die dadurch geschaffenen Vorteile werden zusammen mit anderen Merkmalen und Vorteilen anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
Figurenliste
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, von denen:

1 ein Diagramm einer Phasenänderung über der Temperatur einer typischen Formgedächtnislegierung ist;
2 ein Nickel-Titan-SMA-Element zeigt, das eine kontinuierliche Gradierung in der Nickelkonzentration entlang einer Dimension des Elements aufweist;
3A und 3B Diagramme der SMA-Umwandlungstemperatur und der Nickelkonzentration zusammen mit einem Verschiebungsansprechen über der Zeit/der Temperatur zeigen; und
4A ein Nickel-Titan-SMA-Element zeigt, das eine nicht kontinuierliche Gradierung in der Nickelkonzentration entlang einer Dimension des Elements aufweist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Formgedächtnislegierungselement ausgebildet, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte Phasenänderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements zu durchlaufen. Mit einer gradierten Phasenänderung entlang einer Dimension des SMA-Elements ist gemeint, dass zu einem Zeitpunkt das Verhältnis der Austenitphase zur Martensitphase des SMA-Materials an einer Position entlang dieser Dimension von dem Verhältnis an einer anderen Position entlang der Dimension verschieden ist. Da es die Umwandlung der Formgedächtnislegierung von der Austenitphase zur Martensitphase und umgekehrt ist, die das Formgedächtnis-Verschiebungsansprechen des SMA-Elements hervorruft, schafft das Bereitstellen einer Gradierung in dem Phasenänderungsansprechen folglich eine Gradierung in dem Formgedächtnis-Verschiebungsansprechen, wie es nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren diskutiert wird.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien zum Herstellen des anpassbaren Formgedächtniselements bzw. der anpassbaren Formgedächtniselemente, die hierin beschrieben sind, umfassen auf Nickel-Titan basierte Legierungen, auf Indium-Titan basierte Legierungen, auf Nickel-Aluminium basierte Legierungen, auf Nickel-Gallium basierte Legierungen, kupferbasierte Legierungen (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), auf Gold-Cadmium basierte Legierungen, auf Silber-Cadmium basierte Legierungen, auf Indium-Cadmium basierte Legierungen, auf Mangan-Kupfer basierte Legierungen, auf Eisen-Platin basierte Legierungen, auf Eisen-Palladium basierte Legierungen und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Legierungen können binär, ternär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die Komponente betrieben werden soll. SMA-Elemente müssen typischerweise bei unterschiedlichen Temperaturen bearbeitet oder trainiert werden, um unterschiedliche Formen zwischen dem Austenitzustand und dem Martensitzustand im Gedächtnis zu behalten. SMA-Elemente können in Abhängigkeit von der Anwendung, für die sie gedacht sind, ein Einweg- oder ein Zweiwege-Formgedächtnis zeigen, und die hierin offenbarten Ausführungsformen können entweder mit Einweg- oder mit Zweiwege-SMA-Elementen verwendet werden.
SMA-Elemente können in einer Vielzahl von Ausbildungen gebildet werden, und dementsprechend gibt es keine spezielle Einschränkung für die Ausrichtung der Dimension, entlang derer das SMA-Element eine gradierte thermische Änderung zeigt, solange diese für das gewünschte Verschiebungsansprechen des SMA-Elements sorgt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Dimension eine lineare Dimension. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform liegt das SMA-Element in der Form eines Formgedächtnislegierungsdrahts vor, und die lineare Dimension verläuft parallel zu der Längsachse des Drahts.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die Gradierung in der Phasenänderung durch eine Gradierung in der Konzentration eines oder mehrerer der Metalle in der Formgedächtnislegierung geschaffen. Nun zu 2 übergehend, ist eine Querschnittsansicht eines SMA-Drahtelements 20 gezeigt, das aus einer SMA, wie beispielsweise einer Nickel-Titan-Legierung, gebildet ist. Das SMA-Drahtelement 20 weist ein nickelarmes Ende 22 und ein nickelreiches Ende 24 auf, wobei die Dunkelheit der Schattierung des Drahtquerschnitts die relative Titankonzentration repräsentiert, wobei dunklere Bereiche eine hohe Titankonzentration und eine niedrige Nickelkonzentration repräsentieren und hellere Bereiche eine niedrige Titankonzentration und eine hohe Nickelkonzentration repräsentieren. Wie in 2 leicht erkannt werden kann, ändert sich die Dunkelheit der Schattierung in der Art eines Gradienten von der dunkelsten Schattierung am nickelarmen Ende 22, und sie wird progressiv heller in Richtung des nickelreichen Endes 24. Die Variation in der Menge eines SMA-Metalls, wie beispielsweise des Nickels in der Ni-Ti-Legierung, variiert in Abhängigkeit von der speziellen Legierung und der gewünschten Wirkung. Bei der Ausführungsform der Ni-Ti-SMA kann die Menge an Nickel beispielsweise von ungefähr 49 bis ungefähr 51 Atomprozent und spezieller von ungefähr 49 bis ungefähr 50 Atomprozent reichen. Ein Fachmann wäre in der Lage, Bereiche für den Prozentanteil der Gradierung für andere Formgedächtnislegierungen zu ermitteln, um die Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, mit anderen bekannten Formgedächtnislegierungen auszuüben.
Die Auswirkung der Nickelkonzentration auf das Formgedächtnisverhalten des SMA-Drahtelements 20 von 2 ist in 3A und 3B dargestellt. 3A zeigt ein Diagramm einer SMA-Umwandlungstemperatur (T) als Funktion der prozentualen Nickelkonzentration (% Ni). Zu Zwecken der vorliegenden Darstellung, die das Verhalten eines SMA-Elements in Ansprechen auf eine Zunahme in der Temperatur zeigt, repräsentiert die SMA-Umwandlungstemperatur beispielsweise A_s, obgleich das Konzept gleichermaßen ebenso für Martensit-Übergangstemperaturen gilt, wenn das SMA-Element auf eine Abnahme in der Temperatur anspricht. Zur Erleichterung der Darstellung wird eine Darstellung des SMA-Drahtelements 20 für die Diagrammlinie von 3A verwendet, um den Gradienten der Nickelkonzentration in dem SMA-Drahtelement 20 mit dem Diagramm der Umwandlungstemperatur über der Nickelkonzentration in Beziehung zu setzen. 3B repräsentiert ein Diagramm einer Position P (d. h. des Formgedächtnis-Verschiebungsansprechens des SMA-Drahtelements 20) über der Temperatur (T) oder über der verstrichenen Zeit der Anwendung der thermischen Anregung (T). Die Kurve 32 repräsentiert das Verschiebungsansprechen eines SMA-Drahtelements, das ein gleichförmiges Verhältnis von Nickel zu Titan an dem Punkt 26 in dem Diagramm von 3A aufweist. Die Kurve 34 repräsentiert das Verschiebungsansprechen des SMA-Drahtelements 20, das einen variablen Gradienten entlang dessen Länge in dem Verhältnis von Nickel zu Titan aufweist. Wie durch die Kurve 32 von 3B gezeigt wird, zeigt das SMA-Drahtelement, das ein gleichförmiges Verhältnis von Nickel zu Titan aufweist, ein sehr scharfes Verschiebungsansprechen als Funktion der Zeit/der Temperatur. Im Vergleich dazu zeigt die Kurve 34, dass das SMA-Drahtelement 20, das einen Gradienten entlang dessen Länge in der Nickelkonzentration aufweist, ein viel langsameres Verschiebungsansprechen als Funktion der Zeit/der Temperatur zeigt.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der ein SMA-Element eine kontinuierliche Gradierung in einem Verhältnis eines Metalls zu einem anderen Metall in der Zusammensetzung der Formgedächtnislegierung zeigt. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein SMA-Element eine gestufte Gradierung in der Zusammensetzung aufweisen. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines SMA-Elements mit einer solchen gestuften Gradierung. In 4 weist ein SMA-Element 40 einen Abschnitt 42, der an Titan verarmt ist (z. B. von ungefähr 49 bis ungefähr 50 Atomprozent), einen Abschnitt 43, der eine höhere Konzentration an Titan aufweist (z. B. von ungefähr 50 bis ungefähr 51 Atomprozent), und einen Abschnitt 44 auf, der eine noch höhere Konzentration an Titan aufweist (z. B. von ungefähr 51 bis ungefähr 52 Atömprozent).
Ein Formgedächtniselement mit einer Gradierung in der Konzentration zumindest eines der Metallelemente der Legierung kann durch herkömmliche metallurgische Techniken hergestellt werden, die in der Technik bekannt sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines SMA-Elements mit einem kontinuierlichen Gradienten in der Konzentration zumindest eines Metalls (z. B. 2) kann das Element hergestellt werden, indem herkömmliche Pulvermetallurgietechniken verwendet werden. Bei der Verwendung solcher Techniken werden Metallpulver der SMA-Komponentenmetalle derart in eine geeignete Form gegeben, dass dort eine Gradierung in dem Verhältnis der Pulvermengen entlang einer Dimension der Gestalt der Form vorhanden ist. Die Pulver in der Form werden anschließend unter Druck aufgeheizt, um das Metallpulver zu sintern, wodurch ein festes Element mit einem kontinuierlichen Gradienten in der Konzentration zumindest eines der Metalle in der Formgedächtnislegierung gebildet wird. Das geformte und gesinterte feste Element kann selbst als ein SMA-Element verwendet werden, oder es kann unter Verwendung herkömmlicher Drahtformungstechniken entlang der Dimension des Konzentrationsgradienten in einen Draht gezogen werden, der einen Konzentrationsgradienten entlang seiner Länge aufweist.
Ein Formgedächtniselement mit einer gestuften Gradierung in der Konzentration zumindest eines Metalls (z. B. 4) kann unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Pulvermetallurgietechniken hergestellt werden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine Gradierung im Phasenänderungsansprechen durch eine Gradierung der Konzentration eines SMA-Metalls in der Kristallstruktur des SMA-Elements geschaffen werden. Eine solche Gradierung in der Kristallstruktur kann eine Gradierung im Phasenänderungsansprechen sogar dann schaffen, wenn die Gesamtzusammensetzung in Gewichtsprozent oder Atomprozent der Formgedächtnislegierung homogen sein kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird eine Gradierung in der Kristallstruktur durch eine Gradierung in einer Ausscheidungshärtung des SMA-Elements geschaffen. Während der Ausscheidungshärtung (bei der das SMA-Element für Zeitdauern erhöhten Temperaturniveaus ausgesetzt ist) können Phasen oder Kristallstrukturen, die bezüglich eines der SMA-Metalle reichhaltig sind, aus der Kristallgitterstruktur der Formgedächtnislegierung ausgeschieden werden, was die Wirkung einer Verringerung der Konzentration dieses Metalls in den umgebenden Bereichen der Gitterstruktur hat, wodurch das lokalisierte Phasenänderungsansprechen der Formgedächtnislegierung auf die thermische Anregung verändert wird. Bei der beispielhaften Ausführungsform einer Ni-Ti-SMA werden nickelreiche Phasen während der Ausscheidungshärtung aus dem Ni-Ti-Gitter ausgeschieden, wodurch Ni aus dem umgebenden Gitter entleert wird und wodurch die SMA-Phasenumwandlungstemperatur erhöht wird. Indem ein SMA-Element einer Gradierung in den Bedingungen der Ausscheidungshärtung (z. B. durch variierende Temperaturen und/oder durch die Dauer des Ausgesetztseins) entlang einer Dimension des Elements ausgesetzt wird, kann eine Gradierung in der Menge einer Ausscheidung, die bezüglich eines der Metalle reichhaltig ist (und dadurch eine Gradierung in der Menge desjenigen Metalls, das in dem SMA-Gitter zurückgelassen wird) erreicht werden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine Gradierung in dem Phasenänderungsansprechen eines SMA-Elements durch eine Gradierung der Formgedächtnisbearbeitung des Elements geschaffen werden. Eine Formgedächtnisbearbeitung (d. h. ein Training) wird typischerweise ausgeführt, um einem SMA-Element einen Zweiwege-Formgedächtniseffekt (TWSME) zu verleihen. Ein solches Training umfasst im Allgemeinen, dass das Element aufgeheizt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung vom Martensit zum Austenit hervorzurufen, dass das Element abgekühlt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung vom Austenit zum Martensit hervorzurufen, und dass die Martensit-Formgedächtnislegierung kalt bearbeitet wird, wenn sie sich in der Martensitphase befindet. Diese Schritte werden oft mehrmals wiederholt, um einen TWSME zu erhalten. Bearbeitungsgradierungen entlang einer Dimension eines SMA-Elements können durch Variationen entlang der Dimension in dem Ausmaß einer Dehnung geschaffen werden, die während einer Kaltbearbeitung angewendet wird (welche die Bildung von Kristallstrukturen wie beispielsweise von Zwillings-Kristallstrukturen bewirkt), durch Temperaturen, bis zu denen das Element aufgeheizt oder abgekühlt wird (die den Grad der Vorwärts- und Rückwärtsumwandlung zwischen dem Martensit und dem Austenit beeinflussen können) oder durch die Anzahl von Wiederholungen, denen Teile des SMA-Elements ausgesetzt werden. Gradierungen in der Formgedächtnisbearbeitung können in der Art eines Gradienten entlang einer Dimension des SMA-Elements oder in einer gestuften Weise entlang einer Dimension des SMA-Elements bewirkt werden. Einige der vorstehend beschriebenen Bearbeitungsgradierungen (z. B. Temperaturgradierungen) können leicht entweder in einer gestuften Weise oder in der Art eines Gradienten bewirkt werden, während andere (z. B. Dehnungsgradierungen oder Gradierungen in der Anzahl der Wiederholungen) leichter auf eine gestufte Weise entlang einer Dimension eines SMA-Elements bewirkt werden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein gradiertes Phasenänderungsansprechen in einem SMA-Element erzeugt werden, indem Ausführungsformen der Patentanmeldung US 2013/ 0 239 565 A1 mit dem Titel „Spatially Graded SMA Actuators“ (eingereicht am 16. März 2012) verwendet werden, um thermische Variationen in dem SMA-Element zu schaffen, die zu einem gradierten Phasenänderungsansprechen führen. Bei einer solchen beispielhaften Ausführungsform ist ein SMA-Element ausgebildet, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte thermische Änderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements zu durchlaufen, wodurch ein gradiertes Phasenänderungsansprechen in dem Element geschaffen wird. Bei einer anderen solchen Ausführungsform weist das Formgedächtnislegierungselement eine Gradierung entlang einer Dimension des SMA-Elements in einem Verhältnis des Oberflächenumfangs zur Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zu der Dimension oder in der Ausbildung einer Querschnittsgeometrie in dieser Ebene auf. Bei einer noch anderen solchen Ausführungsform weist das SMA-Element eine Beschichtung an diesem auf, wobei die Beschichtung eine Gradierung entlang einer Dimension des SMA-Elements in der Ausbildung einer Querschnittsgeometrie in einer Ebene senkrecht zu dieser Dimension oder in der Dicke aufweist.
Wie vorstehend diskutiert wurde, können SMA-Elemente, wie beispielsweise SMA-Drähte, als Aktuatoren für eine Vielzahl von Einrichtungen verwendet werden, indem die Enden des Drahts einfach an Komponenten befestigt werden, auf die der Aktuator wirken soll, und indem der Draht einer thermischen Anregung ausgesetzt wird. SMA-Elemente können auch in andere Komponenten integriert werden, um einen Aktuator zu bilden. Beispielsweise kann ein SMA-Draht in einer Hülse eingeschlossen werden, um diesen zu schützen und um dessen Position oder Form in einer speziellen Ausbildung aufrecht zu erhalten.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Elemente von diesen durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der vorliegenden Anmeldung fallen.

Claims

Formgedächtnislegierungselement (20, 40), das ausgebildet ist, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte Phasenänderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements (20, 40) zu durchlaufen, wodurch ein gradiertes Verschiebungsansprechen des Elements (20, 40) entlang der Dimension geschaffen wird, wobei das Element (20, 40) eine Gradierung in einem Formgedächtniseffekt aufweist, die durch eine Gradierung entlang der Dimension in einer Formgedächtnisbearbeitung hervorgerufen wird, die umfasst, dass das Element (20, 40) aufgeheizt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung von einem Martensit zu einem Austenit hervorzurufen, dass das Element (20, 40) abgekühlt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung von dem Austenit zu dem Martensit hervorzurufen, und dass die Martensit-Formgedächtnislegierung kalt bearbeitet wird, und wobei eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements (20, 40) bei der Kaltbearbeitung angewendet wird oder eine Gradierung in der Temperatur entlang der Dimension während der Kaltbearbeitung angewendet wird.
Formgedächtnislegierungselement (20, 40) nach Anspruch 1, wobei das Element (20, 40) eine Vielzahl von Metallelementen umfasst und eine Gradierung entlang der Dimension in einem Verhältnis einer Menge eines ersten Metallelements zu einem zweiten Metallelement aufweist.
Formgedächtnislegierungselement (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gradierte Phasenänderung, mit der das Formgedächtnislegierungselement (40) derart ausgebildet ist, dass diese durchlaufen wird, eine gestufte gradierte Phasenänderung entlang der Dimension umfasst.
Formgedächtnislegierungselement (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gradierte Phasenänderung, mit der das Formgedächtnislegierungselement (20) derart ausgebildet ist, dass diese durchlaufen wird, eine kontinuierlich gradierte Phasenänderung entlang der Dimension umfasst.
Verfahren zur Formgedächtnisbearbeitung eines Formgedächtnislegierungselements (20, 40), das umfasst, dass das Element (20, 40) aufgeheizt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung von einem Martensit zu einem Austenit hervorzurufen, dass das Element (20, 40) abgekühlt wird, um einen Phasenübergang in der Formgedächtnislegierung von dem Austenit zu dem Martensit hervorzurufen, und dass die Martensit-Formgedächtnislegierung kalt bearbeitet wird, wobei eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements (20, 40) bei der Kaltbearbeitung angewendet wird oder eine Gradierung in der Temperatur entlang der Dimension während der Kaltbearbeitung angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Gradierung bei der Kaltbearbeitung der Martensit-Formgedächtnislegierung angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Gradierung in der Temperatur entlang der Dimension während der Kaltbearbeitung angewendet wird.
Verfahren zum Bearbeiten eines Formgedächtnislegierungselements (20, 40), welches eine Wärmebehandlung des Elements (20, 40) bei einer Temperatur und für eine Zeit umfasst, die ausreichen, um die Zusammensetzung einer Kristallgitterstruktur in dem Formgedächtniselement (20, 40) zu ändern, wobei eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements (20, 40) in der Temperatur oder in der Dauer der Wärmebehandlung angewendet wird.