DE102013209913A1

DE102013209913A1 - Oberflächentexturierung mithilfe technischer Strukturen

Info

Publication number: DE102013209913A1
Application number: DE201310209913
Authority: DE
Inventors: Andrew C. Keefe; Christopher P. Henry; Guillermo A. Herrera; Geoffrey P. Mc Knight; Alan L. Browne; Nancy L. Johnson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: CN103481507B; CN103481507A; DE102013209913B4

Abstract

Aktive Texturierungssysteme, die geeignet sind, die Textur einer Oberfläche unter Verwendung einer Vielzahl von eigenständigen Mechanismen in Kommunikation mit der umgestaltbaren Struktur selektiv und reversibel zu verändern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zur Oberflächentexturierung. Im Spezielleren betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zum aktiven Verändern einer Oberflächentextur mithilfe technischer Systeme, die eine Anordnung von eigenständigen Mechanismen und stärker bevorzugt eine Betätigung mit einem aktiven Material verwenden.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Eine Oberflächentexturierung wird schon lange Zeit verwendet, um verschiedene physikalische Wechselwirkungen (d. h. Aspekte oder Zustände) eines Systems, darunter die Oberflächenhaftung, die Reflexion, die Reibungskoeffizienten, Strukturfarben und Metrologie zu beeinflussen, zu ermöglichen oder zu steuern. Traditionellerweise weisen physikalische Systeme, sobald sie geformt, maschinell bearbeitet, gebaut oder sonst wie hergestellt sind, häufig festgelegte Oberflächentexturen auf, die in einem oder mehreren der zuvor erwähnten Aspekte vorteilhaft sein können, während sie in anderen Nachteile haben können. Infolgedessen wurden aktive Texturierungssysteme entwickelt, die es ermöglichen, dass eine Oberflächentextur verändert wird, um viele Funktionen besser zu erfüllen, falls erwünscht. Herkömmliche aktive Systeme, einschließlich verschiedener Kombinationen aus steifen Strukturen und elastischen Strukturen, die darin hinreichende Energie gespeichert haben, um die Oberfläche der Struktur zu verwerfen, waren ineffizient, allzu komplex und in einigen Fällen in Bezug auf die Fähigkeiten und die Ausdehnung beschränkt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Reaktion auf die oben erwähnten Probleme schlägt die vorliegende Erfindung ein effizienteres System und ein Verfahren zum aktiven Verändern der Textur einer Oberfläche vor, und im Spezielleren ein System und ein Verfahren zum Verändern einer Oberflächentextur mithilfe von technischen Systemen und bevorzugt, aber nicht unbedingt, einer Betätigung mit einem aktiven Material vor. Infolgedessen ist die Erfindung zweckmäßig, um die physikalischen Wechselwirkungen des Systems zu verändern, die durch die Oberflächentextur beeinflusst, ermöglicht oder gesteuert werden. Im Spezielleren ist die vorliegende Erfindung zweckmäßig, um neben anderen physikalischen Wechselwirkungen die Reflexions-, thermischen, fluidtechnischen, elektromagnetisch aufnahmetechnischen, taktilen, reibungstechnischen, akustischen, Ausstrahlungs- oder ästhetischen Aspekte/Fähigkeiten derselben zu verändern. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung zweckmäßig, um die Ästhetik oder Haptik einer Oberfläche zu verändern, um so einen optischen oder haptischen Alarm zu bewirken. In einer anderen ist die Erfindung zweckmäßig, um selektiv einen Glanz und andere Reflexionen/Beugungen von Strahlung/Abstrahlung zu reduzieren. Schließlich bietet die Erfindung durch Verwendung von technischen Systemen und einer Betätigung mit einem aktiven Material eine weniger komplexe Oberflächentexturierungslösung, welche die Unterbringungsanforderungen, die Komplexität und Geräuschentwicklung (beide in Bezug auf Akustik und EMF) verringert.
Im Allgemeinen bietet die Erfindung ein System zum selektiven und dynamischen Verändern der Textur einer frei liegenden Oberfläche. Das System umfasst eine umgestaltbare Struktur, wie z. B. eine elastische Folie, welche die frei liegende Oberfläche definiert, eine Anordnung von eigenständigen Mechanismen wie z. B. eine Vielzahl von hermetisch dichten Zellen, wobei jede betreibbar ist, um einen Abschnitt der Oberfläche umzugestalten, um so zusammenwirkend die Textur der Oberfläche zu verändern, und einen Aktuator, ein eingeschlossenes Gas oder eine Substanz, welcher bzw. welches bzw. welche kommunikativ mit jedem Mechanismus gekoppelt und betreibbar ist, um den Mechanismus zu aktivieren und zu deaktivieren, um so den Mechanismus dazu zu bringen, den Abschnitt umzugestalten.
Die Offenlegung einschließlich der Bezugnahmen auf Fahrzeuganwendungen sowie beispielhafte Strukturen, eigenständige Mechanismen und Aktuatoren ist durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung der verschiedenen Merkmale der Offenlegung und der darin umfassten Beispiele besser verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Eine bevorzugte Ausführungsform bzw. bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ist bzw. sind nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren mit beispielhaftem Maßstab beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Darstellung des Fahrgastinnenraums eines Fahrzeuges ist, welche insbesondere ein gesteuertes Texturierungssystem mit aktiv gesteuerten texturierten Oberflächen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung illustriert, die das Armaturenbrett und die Mittelkonsole bilden, und wobei Zeichen innerhalb der Konsolentextur angezeigt sind;
2a, b Aufrisse eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von teilweise abgeschlossenen Kernmechanismen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind, die antriebstechnisch mit einer umgestaltbaren Struktur in dem deaktivierten Zustand (a) und dem aktivierten/texturierten Zustand (b) gekoppelt sind;
3a, b Aufrisse eines aktiven Texturierungssystems mit vollständig abgeschlossenen, hermetisch dichten Zellen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind, die antriebstechnisch mit einer umgestaltbaren Struktur in dem deaktivierten Zustand (a) und dem aktivierten/texturierten Zustand (b) gekoppelt sind;
4 ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wie in den 3a, b gezeigt ist, wobei die Zellen eine die Phase ändernde Substanz (z. B. Wasser, Paraffinwachs) enthalten, die eine Elektrolyse erfährt, um ein gasförmiges Nebenprodukt freizusetzen und eine Aufwölbung/Faltenbildung zu bewirken;
5 ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von teilweise abgeschlossenen Kernen, einem Permanentmagneten, der fest mit jedem Kern in Eingriff steht, und einem Elektromagneten, der relativ so positioniert ist, um den Permanentmagneten selektiv zu beeinflussen und abzustoßen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
6 ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von teilweise abgeschlossenen Kernen mit darin angeordneten Formgedächtnislegierungsdrähten, die antriebstechnisch damit in Eingriff stehen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Drähte eine gemeinsame mechanische und elektrische Masse aufweisen;
7 ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von teilweise abgeschlossenen Kernen mit einem diametral querenden Formgedächtnislegierungsdraht, der antriebstechnisch damit in Eingriff steht, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8A ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von eigenständigen Schlaufenmechanismen, die kommunikativ mit einer umgestaltbaren Struktur gekoppelt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8B ein Aufriss einer zweiten Ausführungsform eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von eigenständigen Schlaufenmechanismen, die kommunikativ an eine umgestaltbare Struktur gekoppelt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8C ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von vertikalen Elementen, die kommunikativ mit einer umgestaltbaren Struktur gekoppelt sind, die eine Textur und ein Bett von Rampen definiert, welche unter den Elementen angeordnet sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8D ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von Mehrstabgestänge-Mechanismen, die kommunikativ mit einer texturierten Oberfläche gekoppelt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8E ein Aufriss eines aktiven Texturierungssystems wie in 8A gezeigt, welches ferner eine Zwischenschicht umfasst, die zwischen der umgestaltbaren Oberfläche und dem eigenständigen Schlaufenmechanismus angeordnet ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
9 eine perspektivische Darstellung eines aktiven Texturierungssystems mit einer Vielzahl von scherenartigen Mechanismen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welches ferner eine erste und eine zweite Endkappe, die einen Abstand definieren, und einen ersten und einen zweiten verschwenkbaren und gegenüberliegenden Bogen umfasst, die benachbarte Sätze von Kappen miteinander verbinden; und
9a eine perspektivische Darstellung des in 9 gezeigten Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Bögen und Kappen Schwenkverbindungen definieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist rein beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen in keiner Weise einschränken. Wie hierin beschrieben und veranschaulicht, betrifft die vorliegende Erfindung ein strukturiertes Materialsystem 10 und Verfahren zum selektiven und reversiblen Verändern der Textur einer Oberfläche 12 unter Verwendung von betätigbaren Anordnungen von eigenständigen Mechanismen 14 (1–9). Die Mechanismen 14 sind zwischen den Formen umschaltbar, wirken kooperativ zusammen, um die Textur zu beeinflussen und sind, stärker bevorzugt, variabel betätigbar, um eine aus einer Vielzahl von verfügbaren Änderungen der Oberflächentextur zu bewirken. Es ist einzusehen, dass die Vorteile des Systems 10 über viele Anwendungen realisiert werden können, wobei eine Wechselbeziehung mit verschiedenen physikalischen Phänomenen über einen großen Bereich von Texturänderungen besteht; beispielsweise kann die Eigenschaftsänderung in der Größenordnung von Mikrometern für ein physikalisches Phänomen und Zentimetern für ein anderes liegen wie z. B. bei Beugung bzw. Reibung. Hierin werden verschiedenste Systeme 10 präsentiert, die für unterschiedliche physikalische Wechselwirkungen und unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Zum Beispiel kann das System 10, wo es thermisch anwendbar ist, derart gebaut sein, dass die Veränderung der Textur in der Größenordnung von Mikron oder Zentimetern liegt; während ein anderes System 10 nur zu einer begrenzteren Veränderung in der Lage sein kann, um sowohl thermisch als auch optisch zu interagieren (variable Diffusivität).
Somit kann das erfindungsgemäße System 10 verwendet werden, um einen beabsichtigten Zustand zu bewirken oder eine physikalische Wechselwirkung, eine physikalische Eigenschaft oder ein physikalisches Phänomen der Oberfläche 12 über einen großen Bereich von Anwendungen zu bewirken. In 1 ist das System 10 z. B. in einer Automobilumgebung gezeigt, wobei die Textur des Armaturenbretts 100 verändert wurde, um Streulicht zu reduzieren, und die Textur der Mittelkonsole 102 wurde verändert, um einen Benutzer zu warnen, den Kontaktflächen-Eingriffsbereich mit einer heißen Oberfläche zu reduzieren. In Bezug auf das oben Gesagte ist einzusehen, dass die Reduktion des Streulichts die Verwendung hellerer Oberflächenfarben gestattet, ohne dass dies nachteilig für die Sichtverhältnisse ist. Es ist einzusehen, dass die Veränderung einer Oberflächentextur in anderen Anwendungen verwendet werden kann, um Geräusche abzuschwächen oder das Spiegelungsverhalten zu verändern, ohne das Reflexionsvermögen des Grundmaterials zu beeinflussen. Überdies ist einzusehen, dass in ähnlicher Weise die Akustik von der vorliegende Erfindung profitiert; im Spezielleren kann in einer Automobilumgebung durch Aufrauen innerer Oberflächen wie z. B. in Lüftungskanälen das Windgeräusch teilweise abgeschwächt werden. Es ist einzusehen, dass in einer noch anderen Anwendung eine Veränderung äußerer Karosserieoberflächentexturen verwendet werden kann, um den Luftwiderstand zu verringern und/oder eine Radarstreuung zu erzeugen. Schließlich ist auch einzusehen, dass die Reibung direkt mit der Oberflächentextur in Beziehung steht und die Griffigkeit, Rutschfestigkeit, und die Rutschigkeit von Oberflächen beeinflusst.
Die Betätigung des strukturierten Materialsystems 10 kann herkömmliche elektromechanische Vorrichtungen wie Solenoide oder Motoren verwenden. Stärker bevorzugt integriert das System 10 jedoch eine Betätigung mit einem aktiven Material (Formgedächtnislegierungen/Polymere, Phasenänderungsmaterialien etc.), was die Betätigung für das System intrinsisch macht.
I. Aktives Material, Beschreibung und Erläuterung
Wie hierin verwendet, ist der Ausdruck „aktives Material” als jedes Material oder jeder Verbundstoff definiert, welches bzw. welcher eine reversible Änderung in einer fundamentalen (d. h. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist. Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Formgedächtnismaterialien, welche die Fähigkeit besitzen, sich an zumindest eine Eigenschaft wie z. B. die Form zu erinnern, und diese Eigenschaft kann später abgerufen werden, indem ein äußerer Reiz angewendet wird. Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen Formgedächtnislegierungen (SMAs, vom engl. shape memory alloys), Formgedächtniskeramiken, elektroaktive Polymere (EAPs), ferromagnetische SMAs, elektrorheologische (ER) Zusammensetzungen, magnetorheologische (MR) Zusammensetzungen, dielektrische Elastomere, Ionenpolymer-Metall-Verbundstoffe (IPMC, vom engl. ionic polymer metal composites), piezoelektrische Polymere/Keramiken und Großvolumen-Paraffinwachs. Unter diesen sind SMAs und EAPs in einer passenden geometrischen Form für die Verwendung als Aktuatoren 16 hierin besonders geeignet und sind als solche nachfolgend weiter beschrieben.
Formgedächtnislegierungen (SMAs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, welche die Fähigkeit besitzen, zu einer 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 wird bzw. werden. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase pseudoplastisch verformt werden und werden sich, wenn sie einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, in eine Austenitphase oder Mutterphase umwandeln und in ihre Form vor der Verformung zurückkehren.
Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die 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 (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet.
Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als Martensit-Anfangstemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird oft als Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer Martensitphase weicher und leichter verformbar und sind in der Austenitphase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das Obenstehende ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größe, die hinreichend ist, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein hinreichendes Erwärmen anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird die Martensit/Austenit-Umwandlung 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 benötigen eine äußere mechanische Kraft, um die Form in ihre vorherige Ausgestaltung zurückzubringen.
Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien zeichnen sich durch eine Formänderung sowohl beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase als auch eine zusätzliche Formänderung 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 Oberflächenveränderung 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 die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form rückzubilden.
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 eine 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.
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.
Es ist daher einzusehen, dass SMAs für die Zwecke dieser Erfindung einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung von bis zu 8% (je nach Vorverformung) zeigen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden. Es ist einzusehen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenumwandlungen in eine Richtung verlaufen, sodass ein Vorspannkraft-Rückstellmechanismus (z. B. eine Feder) erforderlich wäre, um die SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald das angelegte Feld entfernt wird. Es kann eine Ohm'sche Heizung verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen. Spannungsinduzierte Phasenänderungen in SMAs verlaufen jedoch von Natur aus in zwei Richtungen. Die Anwendung einer hinreichenden Spannung, wenn sich die SMA in ihrer austenitischen Phase befindet, wird bewirken, dass sie sich in ihre martensitische Phase mit niedrigerem Modul umwandelt, in der sie eine „superelastische” Verformung von bis zu 8% zeigen kann. Die Wegnahme der angewendeten Spannung wird bewirken, dass sich die SMA in ihre austenitische Phase zurückstellt und dabei ihre Ausgangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Ferromagnetische SMAs (FSMAs), die eine Unterklasse der SMAs sind, können in der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Diese Materialien verhalten sich wie herkömmliche SMA-Materialien, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit aufweisen. Außerdem sind FSMAs ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Ortentierung/den Anteil von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Formgedächtnis in zwei Richtungen, ein partielles in zwei Richtungen oder eines in eine Richtung aufweisen. Für ein partielles oder Formgedächtnis in eine Richtung kann ein äußerer Reiz, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein perfektes Formgedächtnis in zwei Richtungen kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, wenngleich für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundstoffsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder selbst als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes im Wesentlichen isolierende Polymer oder Gummi (oder eine Kombination davon) umfassen, das sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, Haftkleber, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, können z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten und Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und bevorzugt zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein. Eine Dicke, die für diese dünnen Filme geeignet ist, kann weniger als 50 Mikrometer betragen.
Da sich elektroaktive Polymere bei hohen Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material bestehen, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, sind bevorzugt fügsam und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung fügsame Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden Offenlegung geeignete Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten wie z. B. Kohlepasten oder Silberpasten, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionisch leitfähigen Materialien.
Formgedächtnispolymere (SMPs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von Polymermaterialien, welche die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz unterworfen sind. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Form als eine Funktion der Temperatur verändert wird. Im Allgemeinen weisen SMPs zwei Hauptsegmente auf, ein hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann festgelegt werden, indem das Polymer bei einer Temperatur geschmolzen oder verarbeitet wird, die höher ist, als der höchste thermische Übergang, gefolgt von einem Abkühlen unter diese thermische Umwandlungstemperatur. Der höchste thermische Übergang ist üblicherweise die Glasumwandlungstemperatur (T_g) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die T_g oder die Umwandlungstemperatur des weichen Segments, aber niedriger als die T_g oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird festgelegt, während das Material oberhalb der Umwandlungstemperatur des weichen Segments bearbeitet wird, gefolgt von einem Abkühlen, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das Material über die Umwandlungstemperatur des weichen Segments erwärmt wird.
Die permanente Form des Polymermaterials kann z. B. ein Draht sein, der eine im Wesentlichen gestreckte Form aufweist und eine erste Länge definiert, während die temporäre Form ein ähnlicher Draht sein kann, der eine zweite Länge definiert, die kürzer ist als die erste. In einer anderen Ausführungsform kann das Material eine Feder mit einem ersten Elastizitätsmodul, wenn sie aktiviert ist, und einem zweiten Modul, wenn sie deaktiviert ist, aufweisen.
Die Temperatur, die für eine permanente Formwiederherstellung notwendig ist, kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt sein. Die technische Ausführung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur zur Formwiederherstellung ist größer als oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur größer als oder gleich etwa 50°C. Eine bevorzugte Temperatur zur Formwiederherstellung ist auch kleiner als oder gleich etwa 120°C oder und am stärksten bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 120°C und größer als oder gleich etwa 80°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke. Die Polymere können ein einziges Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Polyphosphazane, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele für andere geeignete Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether-Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Blockcopolymer), Polycaprolaktondimethacrylat-n-Butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
Es ist somit einzusehen, dass für die Zwecke dieser Erfindung SMPs einen dramatischen Abfall im Modul zeigen, wenn sie über die Glasumwandlungstemperatur ihres Bestandteiles erwärmt werden, der eine niedrigere Glasumwandlungstemperatur aufweist. Wenn eine Belastung/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 in seine Gussform zurückkehren wird. Während SMPs verschiedentlich in Block-, Folien-, Platten-, Gitter-, Fachwerk-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden können, erfordern sie, dass ihre Temperatur über der Glasumwandlungstemperatur ihres Bestandteils liegt, der eine niedrigere Glasumwandlungstemperatur aufweist, d. h., eine kontinuierliche Eingangsleistung in einer Niedrigtemperaturumgebung, um in ihrem Zustand mit niedrigerem Modul zu bleiben.
II. Beispielhafte Texturierungssysteme und Verfahren zur Verwendung
Das System 10 bietet eine technische Struktur in dem Kontext steuerbarer Texturen und einen Rahmen, auf dem die Textur basiert und gehandhabt wird. Die treibende Kraft hinter der Texturänderung kann, wie zuvor erwähnt, für die Struktur extrinsisch oder intrinsisch sein. Das System 10 umfasst eine umgestaltbare dünne Struktur 16 wie z. B. eine elastische Folie, welche die Oberfläche 12 und die Textur definiert. Die Struktur 16 kann eben oder gekrümmt sein, um das Äußere eines nicht ebenen Gegenstandes wie z. B. einer Automobilstoßstange, einer Tür, eines Seitenwandblechs, einer Motorhaube, eines Armaturenbretts etc. zu definieren. Die eigenständigen Mechanismen 14, auf denen die Struktur 14 befestigt ist, sind dafür verantwortlich, entweder die Texturänderung direkt durch Verformen zu induzieren oder ein verformbares Medium in solch einer Weise zu beherbergen, dass sich die Textur auf eine spezifische oder optimale Weise ändert, wenn sie betätigt werden. In einem Aspekt der Erfindung kann die Struktur 16 als Ganzes verformt werden und dadurch eine spezifische Änderung der Textur geschaffen werden; während in einem anderen die Struktur 16 ein Formänderungsmedium in solch einer Position oder Orientierung enthalten kann, dass die Formänderung eine Texturänderung zur Folge hat. Schließlich ist einzusehen, dass die umgestaltbare darüber liegende Struktur 16 und die eigenständigen Mechanismen 14 integral vorhanden sein können.
In einer ersten Ausführungsform, die in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst der Mechanismus 14 eine hohle Zelle, welche einen Kern 14a umfasst, und die umgestaltbare Struktur 16 weist ein elastisches Medium auf, das die Zellenkernmechanismen (d. h. „Zellen”) 14 bedeckt oder über diesen liegt. Das heißt, die Mechanismen 14 können eine Anordnung von teilweise abgeschlossenen Räumen (2a, b, oder vollständig abgeschlossene, hermetisch dichte Räume (3a, b) definieren, die teilweise durch eine kontinuierliche seitliche Wand 18 und die Struktur 16 auf einem Ende definiert sind, welche zusammenwirkend eine Zellmembran bilden. Das System 10 ist derart aufgebaut, dass eine Längsverformung der Zellen 14 mithilfe eines Aktuators 20 an dem Umfang oder darin integriert ein Aufwölben, eine Faltenbildung oder ein Verwerfen der Struktur 16 induziert. Es ist einzusehen, dass eine Oberflächentexturierung durch die Form und den Abstand der Zellen 14 bestimmt wird, sodass die Amplitude und die Wellenlänge hauptsächlich durch diese Geometrie bestimmt sind. In die Oberfläche 12 können Nebeneffekte wie z. B. feinere Texturen, Falten oder ein Glätten) infolge einer weiteren Verformung/Betätigung eingearbeitet werden.
In einem ersten Beispiel induzieren abgedichtete Zellen 14 bevorzugt eine Oberflächentexturierung, indem sie den Druck eines eingeschlossenen Gases 22 erhöhen, vorausgesetzt, die Druckänderung ist hinreichend, um die Membran zu strecken oder anderweitig zu verändern. Es ist einzusehen, dass diese Ausführungsform als ein Indikator einer Umgebungsänderung wie z. B. einer Erhöhung der Temperatur, des Umgebungsdrucks, einer Wassertiefe oder Höhe verwendet werden kann, die bewirken würde, dass sich das Gas 22 verdünnt und die Dichtungsmembran (d. h., die Wände 18, die Strukturkappen etc.) ausdehnt. Noch bevorzugter kann die Anzeige so ausgestaltet sein, dass sie Zeichen 24 wie z. B. die Worte „Heiß” oder „Kalt” erzeugt, die auf der Oberfläche 12 buchstabiert werden, wobei jede mit Druck beaufschlagte Zelle als ein Pixel verwendet wird (1). Es ist einzusehen, dass das System 10 in dieser Ausgestaltung z. B. durch eine Wärmebelastung in dem Fahrgastraum eines Fahrzeuges passiv betätigt werden kann. In solchen Fällen wird der Aktuator als Ursache hinter der Druckänderung (z. B. die Fahrzeuginnenraumtemperatur etc.) oder anderer Grund für die passive Betätigung betrachtet. Ebenso kann die Anzeige der Einwirkung anderer Formen von Strahlung (z. B. Mikrowellen etc.) auf ähnliche Weise durch Einschließen einer strahlungsabsorbierenden Substanz (z. B. eine Wassermenge, die kocht und Dampf freisetzt, wenn sie Mikrowellen ausgesetzt ist) 22 innerhalb der Zellen 14 vorgesehen werden Alternativ können die Zellen 14 ganz oder teilweise mit einem Material mit einem negativen Poissonschen Verhältnis (NPR) gefüllt sein, das sich seitlich ausdehnt (anstatt sich zusammenzuziehen), wenn es gedehnt wird. Solch ein Material könnte verwendet werden, um die Oberflächentextur dazu zu bringen, sich unter einer Dehnbeanspruchung auszudehnen und umgekehrt. Es liegt bestimmt innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung, dass einige Zellen 14 ganz oder teilweise mit einem herkömmlicheren Material (wie in anderen Ausführungsformen beschrieben) gefüllt sind und andere mit einem NPR-Material gefüllt sind, um komplexere strukturelle Wechselwirkungen unter einer einfachen Belastung zu bewirken.
In einem anderen Beispiel kann eine abgedichtete Kernzelle 14 (3a, b) eine Textur durch Einkapseln eines Phasenänderungsmaterials aktiv steuern. Das Phasenänderungsmaterial kann eine Flüssig/Gas-, Fest/Gas- oder eine Fest/Fest-Phasenänderung sein, sofern die Änderung der Phase eine Änderung des Volumens induziert. Eine Aktivierung des Phasenänderungsmaterials (z. B. Paraffinwachs) würde ein Ausdehnen oder Zusammenziehen der Membran bewirken. Es kann z. B. Wasser dazu gebracht werden, während einer elektrolytischen Reaktion Wasserstoff abzugeben (4). Die Gasentwicklung würde ein reversibles Aufquellen der Membran bewirken und es könnte auf Zelle-für-Zelle-Basis (Mosaikeffekt) darauf abgezielt werden. In dem Fall einer Fest/Fest-Phasenänderung kann sich das Phasenänderungsmaterial im Inneren der Zellen 14 befinden und sich wie beschrieben verhalten oder die Struktur 16 umfassen, welche die Textur definiert. In dem letzteren Fall, in dem sich das Phasenänderungsmaterial auf der Oberfläche 12 befindet, dienen die Zellen 14 hauptsächlich dazu, auf die Oberfläche abzuzielen und eine Phasenänderung und damit einen Änderung der Oberflächentextur nur in dem gewünschten Bereich zu induzieren.
Wie in 5 gezeigt, kann eine Ausführungsform mit einer zusätzlichen zellaktiven Oberfläche mit der Verwendung einer magnetischen Abstoßung erreicht werden. 5 zeigt z. B. ein Konzept, in dem jede Zelle 14 einen Permanentmagneten 26a beherbergt, der innerhalb der Zelle 14 durch einen Elektromagneten 26b bewegt werden kann, der sich innerhalb einer Einflusszone außerhalb der Zelle 14 befindet. In dieser Ausführungsform wird die Pixelsteuerung erreicht, indem einzelne oder Gruppen von Elektromagneten 26b ein- und ausgeschaltet werden, um die jeweiligen Permanentmagnete 26a zu bewegen. Ein zusätzliches Merkmal einer auf diese Weise erzeugten Oberfläche 12 ist die Ansprechzeit der Texturänderungen. Eine weitere Verfeinerung dieser Ausführungsform als solche umfasst eine Deckschicht aus SMP, um die Textur zu sperren und somit den Leistungsbedarf zu reduzieren, indem die Verformung beibehalten, wenn die Elektromagnete 26b entregt werden, sobald die gewünschte Form fixiert ist. Die Formerinnerung des SMP würde auch für das Zurücksetzen in die Standard-Textur sorgen. In einer noch anderen Ausführungsform sind die Elektromagnete 26b und die Permantentmagnete 26a durch Solenoide ersetzt, um eine ähnliche Textursteuerung zu erzielen.
Eine andere Ausführungsform, die einen Zellenkernmechanismus 14 verwendet, auf dem eine elastische oder flexible Abdeckung 16 eingebaut ist, die eine Oberfläche 12 definiert, welche eine anfängliche Textur trägt, ist in 6 gezeigt. An diese Struktur 16 ist eine Crimpverbindung oder andere Befestigungsvorrichtung 28 geklebt oder in diese eingebettet, an welcher der SMA-Draht 20 (6) zusammen mit einem elektrischen Massekabel 30 mechanisch und elektrisch angebracht ist. Es ist erneut einzusehen, dass der Draht 20 alternativ passiv durch einen Umgebungstemperaturgradienten (z. B. eine Wärmebelastung im Innenraum eines Fahrzeuges, ein durch den Fahrzeugmotor produziertes Wärme-Nebenprodukt etc.) aktiviert werden kann. Wenn sie (entweder elektrisch oder auf andere Art) erwärmt werden, schrumpfen die SMA-Drähte 20 in der Länge mit einer hinreichenden Kraft und Auslenkung, um die elastische Struktur 16 nach unten in den Kern 14a hinein zu ziehen, um eine mit einer Vertiefung versehene Oberfläche 12 zu schaffen. Elektrisch kann jeder SMA-Draht 20 eine gemeinsame Masse 30a teilen. Gruppen von SMA-Drähten 20 können miteinander verdrahtet und von einem gemeinsamen Schalter 32 aus aktiviert werden oder können einzeln, Pixel für Pixel, angesprochen werden. Die elastische Struktur 12 sorgt für eine hinreichende Steifigkeit, sodass die in der Verformung gespeicherte elastische Energie genügt, um ihre Anfangsposition in dem nicht betätigten Zustand wiederherzustellen, wie auch dafür, eine hinreichende Verformung auf den SMA-Aktuator 20 zu übertragen, damit ein weiterer Betätigungszyklus ohne irgend eine andere Vorrichtung oder irgendeinen anderen Eingriff stattfinden kann. Es kann z. B. ein Plexiglaszylinder als die mechanische Masse 33 für die SMA-Drähte 20 fungieren, wobei ein Shunt-Kabel die Schraubanschlüsse verbindet, und die Massekabel 30 sind gemeinsam verdrahtet, sodass ein zugeführter Strom alle Drähte 20 gleichzeitig betätigen wird. Der Zellenkern 14a kann ein hexagonaler Standard-Aluminiumkern sein; und eine Kunststoffverrohrung (nicht gezeigt) kann in den Kern 14a eingesetzt werden, um einen Kurzschluss zu dem Aluminium zu verhindern. Die elastische Struktur 16 kann ein Silikon-RTV-Klebstoff sein, der sich 0,16 cm (d. h. 1/16 Zoll) von der Kernfläche weg und 0,32 cm (d. h. 1/8 Zoll) in den Kern 14a hinein erstreckt. Die SMA-Drähte 20 werden während der Montage mit ihrem (jeweiligen) Massekabel 30 verbunden und in den nicht ausgehärteten RTV-Klebstoff eingebettet, sodass die Oberflächenverformung etwa 0,25 cm (d. h. 0,1 Zoll) in den Kern 14a hinein beträgt und vollständig reversibel und wiederholbar ist.
In einem anderen Zellenbeispiel kann ein externer Aktuator 20 verwendet werden, um eine Änderung der Zellform seitlich voranzutreiben. Wie z. B. in 7 gezeigt, kann ein martensitischer SMA-Draht 20, der eine Zelle 14 diametral durchquert, durch Erwärmen des Drahtes 20 über seinen Übergangstemperaturbereich hinaus selektiv aktiviert werden, um zu bewirken, dass sich der Draht 20 zusammenzieht und dadurch die Zelle 14 seitlich zusammendrückt. Infolgedessen wird die Zelle 14 dazu gebracht, sich in Längsrichtung (in die Ebene der Fig. für eine offene Zelle oder vertikal und in die Ebene der Fig. hinein für eine abgedichtete Zelle) auszudehnen und dadurch eine Aufwölbung oder Faltenbildung der texturierten Oberfläche 12 zu erzeugen. Es ist einzusehen, dass auf diese Weise viele Zellen 14 gleichzeitig betätigt werden können. Es kann z. B. ein SMA-Drahtaktuator 20 über mehrere Zellen 14 hinweg integriert sein, wie in 7 gezeigt. In dieser Ausgestaltung muss der Draht 20 nur an den Zellen 14 an deren Außenseite oder distalen Wänden 18 angebracht sein, wobei die Zellen 14 benachbart ausgestaltet und in der Lage sind, die Kontraktionskraft an die benachbarten Zellen 14 zu übertragen.
Zusätzliche mechanistische Ausführungsformen umfassen geschlossene Zellenstrukturen oder Schaumstoffe, die an einer verformbaren Oberfläche angebracht sind, um bei einer Betätigung (8A) Texturänderungen zu induzieren, Schichten mit einer topografischen Formgebung so translatorisch zu verschieben, dass die Translation einer Schicht eine Verformung der aktiv zu texturierenden Oberfläche aus der Ebene hinaus bewirkt (8B), herkömmliche verbindungsgestängeartige Mechanismen, die an einer verformbaren Oberfläche angebracht sind, wobei eine Betätigung des Eingangsgliedes eine vorgegebene Verformung in der Oberfläche bewirkt (8C), und ein Substrat mit einem fügsamen Mechanismus, das an einem verformbaren Oberflächenmaterial angebracht ist, sodass eine Betätigung des Substrats einen oder mehrere Verwindungen der Oberfläche bewirkt, was eine Änderung der Oberflächentextur zur Folge hat (8D). In diesen Ausgestaltungen ist die elastische Struktur 16 ohne weiteres fügsam, um so eine Änderung in der Textur im Gegensatz zu einer örtlich begrenzten Translation zu bewirken; alternativ können Hemmnisse (nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche die Oberflächenhöhe in jeder der Spannen zwischen den Stellen, an denen die Oberfläche von dem Aktuator 20 nach oben gedrückt oder nach unten gezogen wird, fixieren. In ähnlicher Weise kann die Kernstruktur ein auxetischer Kern sein, der sich seitlich erweitert, wenn er ausgedehnt wird.
Im Spezielleren umfasst die eigenständige Anordnung von Mechanismen 14 in den 8A und 8B eine Vielzahl von fügsamen Schlaufen die, wenn sie seitlich gestreckt werden, eine zweite Höhe aufweisen, die niedriger ist als ihre normale Höhe, während die darüber liegende Struktur 16 eine mühelos umgestaltbare elastische Schicht aufweist. Die normale Höhe dient dazu, eine Reihe von Erhebungen in der Oberfläche 12 zu erzeugen (1), während die zweite Höhe die Oberfläche 12 flach und glatt macht. Der Mechanismus 14 ist an einem ersten Ende verankert, während ein SMA- oder ein anderer Aktuator (nicht gezeigt) mit den Schlaufen 14 an dem entgegengesetzten Ende kommunikativ gekoppelt ist, um so selektiv zu bewirken, dass sie sich seitlich strecken, wenn sie mit Energie beaufschlagt werden. In 8C umfasst der Mechanismus 14 eine Vielzahl von bevorzugt miteinander verbundenen vertikalen Elementen, während der Aktuator 20 ein Bett von translatorisch verschiebbaren Rampen 34 umfasst, die sich unter den Elementen 14 befinden Wenn die Elemente 14 mit den Rampen 34 in Eingriff treten, werden sie wegen des Eingriffs mit den dadurch definierten schrägen Oberflächen angehoben. Durch Anheben der Elemente 14 in einer nagelbettartigen Weise wird die Oberflächentextur verändert. In 8D ist ein komplexerer Mechanismus 14 dargestellt, der ein Dreistabgestängesystem umfasst. Hier sind ein erster und ein zweiter äußerer Stab 36 mit einem Aktuator 20 verbunden und an dem entgegengesetzten Ende verankert. Ein mittlerer Stab 38 ist so orientiert, dass er eine vertikale Komponente präsentiert, die mit der Struktur 16 in Eingriff steht und die Oberfläche 12 beeinflusst. Wenn der Aktuator 20 mit Energie beaufschlagt wird, wird das Gestänge dazu gebracht, sich seitlich auszudehnen und verschiebt dadurch den freien äußeren Stab 36. Dadurch wird der mittlere Stab 38 dazu gebracht, von der Oberfläche 12 weg zu schwingen und dadurch seinen Einfluss zu reduzieren, und die Oberflächentextur wird dementsprechend verändert.
In ähnlicher Weise können mechanistische Strukturen verwendet werden, um kompliziertere Oberflächentexturänderungen zu schaffen. Es kann z. B. ein dreidimensionaler Scherenwirkungsmechanismus 14 (9 und 9a) verwendet werden, der eine oszillierende Auf- und Abbewegung zwischen den benachbarten Mechanismen 14, begleitet von einer Flächenänderung, erfährt. Im Spezielleren umfasst der Mechanismus 14 in dieser Ausgestaltung erste und zweite Stirn „flächenfolien” oder -Kappen 40, die fest mit einem Satz von Doppelbögen 42 gekoppelt sind, welche an ihren Längsmitten miteinander verbunden sind und an ihren Längsmitten verschwenkbar gekoppelt sind. Jeder Satz von Bögen 42 ist distal mit den benachbarten Kappen 40 verbunden, wie gezeigt, sodass sich., wenn die Bögen 42 dazu gebracht werden, in eine der beiden Richtungen zu schwingen, ein Satz von Kappen 40 translatorisch in Richtung zueinander verschiebt, während der andere Satz von Kappen 40 weiter beabstandet wird. Um die Bewegung zu erleichtern, definieren die Bögen 42 und Kappen 40 bevorzugt Schwenkverbindungen 44 (9a). Alternativ können die Bögen 42 und/oder Kappen 40 flexibel sein, um „Filmscharniere” zu definieren. Eine elastische Struktur 16, die an einer oder beiden Seiten der Mechanismen 14 angebracht ist, würde sich ebenso verformen. Die elastische Struktur 16 kann ferner als die Rückstellkraft dienen, wenn ein bestimmter Mechanismus 14 deaktiviert wird. Außerdem kann ein aktives Material verwendet werden, um den Mechanismus 14 anzutreiben. Es kann z. B. ein SMA-Draht oder ein piezoelektrischer Stapel 20 zwischen den Flächenfolien 40 für die treibende Kraft aufgestellt sein (9).
Schließlich ist einzusehen, dass in jeder Ausführungsform eine variable Texturierung hergestellt werden kann, indem die Dauer oder das Ausmaß einer Verschiebung, Phasenänderung, magnetischen Abstoßung etc., die der Mechanismus 14 erfährt, geändert wird und indem der Satz von betätigten Mechanismen 14 variiert wird; in 8A können z. B. verschiedene Betätigungssignale an den SMA-Draht 20 angelegt werden, um verschiedene Schlaufenhöhen zu bewirken, gefolgt von einem Aufrechterhaltungssignal, das dazu dient, um die gewünschte Textur beizubehalten, oder einem Eingriff eines Arretierungs/Sperrmechanismus (nicht gezeigt). Überdies können alle oben stehenden Ausgestaltungen mithilfe einer Zwischenschicht 46 verändert werden, die durch die Wirkung eines oder mehrerer Mechanismen 14 (8E) dazu gebracht wird, sich translatorisch zu verschieben, um eine spezifische Textur oder Rauigkeit der Oberfläche 12 vorzugeben.
Diese Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben; für Fachleute wird einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Die Erfindung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Art, die Erfindung auszuführen, in Erwägung gezogen wird. Vielmehr wird die Erfindung alle Ausführungsformen einschließen, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
Die Ausdrücke „ein” bzw. „eine” bezeichnen hierin keine Beschränkung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Das Suffix „(s)”, wie hierin verwendet, soll sowohl den Singular als auch den Plural des Begriffes umfassen, den es verändert, und umfasst daher eines oder mehrere von diesem Begriff. Die Bezugnahme über die gesamte Beschreibung auf „eine bestimmte Ausführungsform”, „eine andere Ausführungsform”, „eine Ausführungsform” und dergleichen bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthalten ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus sollte einzusehen sein, dass die beschriebenen Elemente auf jede beliebige geeignete Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert sein können.
Bezugszeichenliste

10: System
12: Oberfläche
14: Mechanismen; 14a Zellenkern
16: umgestaltbare Struktur
18: seitliche Wände
20: Aktuator
22: Gas/Substanz
24: Zeichen
26: Magnete 26a permanent 26b Elektromagnet
28: Befestigungsvorrichtung
30: Massekabel 30a gemeinsames Massekabel
32: gemeinsamer Schalter
33: mechanische Masse
34: Rampen
36: äußere Stäbe
38: mittlerer Stab
40: Endkappen
42: Bögen
44: Schwenkverbindung
46: Zwischenschicht
100: Armaturenbrett
102: Mittelkonsole

Claims

Technisches System zum selektiven Verändern der Textur einer frei liegenden Oberfläche, wobei das System umfasst: eine reversibel umgestaltbare Struktur, welche die frei liegende Oberfläche definiert; eine Anordnung von eigenständigen Mechanismen, die zwischen Formen umschaltbar sind, mit der Struktur physikalisch in Eingriff stehen und betreibbar sind, um einen Abschnitt der Oberfläche mechanisch umzugestalten, um so zusammenwirkend die Textur zu verändern, wenn die Formen umgeschaltet werden; und einen Aktuator, der kommunikativ mit jedem Mechanismus gekoppelt und betreibbar ist, um den Mechanismus zu aktivieren und zu deaktivieren, um so zu bewirken, dass der Mechanismus zwischen den Formen umschaltet und den Abschnitt umgestaltet.
System nach Anspruch 1, wobei jeder Mechanismus einen zumindest teilweise abgeschlossenen Kern umfasst, der durch eine kontinuierliche seitliche Wand definiert ist, wobei der Kern vollständig abgeschlossen und hermetisch abgedichtet ist und der Mechanismus ferner umfasst: eine Menge eines Fluids, die innerhalb des Kerns eingeschlossen ist; oder eine Menge einer Substanz, die dazu dient, eine Art von Strahlung zu absorbieren; oder eine Menge eines Materials mit einem negativen Poissonschen Verhältnis.
System nach Anspruch 2, wobei der Mechanismus: einen Permanentmagneten, der innerhalb des Kerns angeordnet ist, und einen Elektromagneten umfasst, der selektiv magnetisiert und relativ zu dem Permanentmagneten positioniert ist, um dadurch den Permanentmagneten selektiv zu beeinflussen; oder ferner eine Menge eines Phasenänderungsmaterials umfasst und wobei der Mechanismus infolge einer Änderung der Phase des Materials umgestaltet wird.
System nach Anspruch 3, wobei der Kern vollständig abgeschlossen und hermetisch abgedichtet ist und das Phasenänderungsmaterial eine Menge von Wasser ist, die dazu gebracht wird, selektiv eine Elektrolyse zu erfahren.
System nach Anspruch 1, wobei der Aktuator zumindest ein Element aus einem aktiven Material umfasst, welches betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer fundamentalen Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder von diesem abgeschottet ist, und das zumindest eine Element und der Mechanismus zusammenwirkend derart ausgestaltet sind, dass die Änderung den Grad eines Faltens und infolgedessen das Verändern der Textur der Oberfläche bewirkt oder ermöglicht.
System nach Anspruch 1, wobei: der Mechanismus zumindest einen selektiv verschobenen Magneten umfasst; das Verändern der Textur Zeichen erzeugt; und der Aktuator ein aktives Material umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einer Formgedächtnislegierung, einem Formgedächtnispolymer, piezoelektrischen Verbundstoffen, einem magnetostriktiven Material, einem elektrostriktiven Material, einem dielektrischen Elastomer und einem elektroaktiven Polymer besteht.
System nach Anspruch 6, wobei der Aktuator einen martensitischen Formgedächtnislegierungsdraht aufweist, der seitlich mit den Mechanismen gekoppelt ist, und eine Aktivierung des Drahtes bewirkt, dass sich die Mechanismen umgestalten, und wobei jeder Mechanismus antriebstechnisch mit einem Formgedächtnislegierungsdraht gekoppelt ist und die Mechanismen eine gemeinsame mechanische oder elektrische Masse teilen.
System nach Anspruch 1, wobei: die Mechanismen eine Vielzahl von umgestaltbaren Schlaufen umfassen, die eine Höhe definieren, und der Aktuator antriebstechnisch mit den Schlaufen gekoppelt und betreibbar ist, um die Schlaufen seitlich zu strecken, um so die Höhe zu verringern; oder die Mechanismen eine Vielzahl von vertikalen Elementen umfassen, der Aktuator ein Bett von Rampen, die unter den Elementen angeordnet sind, umfasst und die Rampen und die Elemente zusammenwirkend ausgestaltet und positioniert sind, sodass die Elemente dazu gebracht werden, sich zu heben, wenn die Rampen dazu gebracht werden, sich seitlich translatorisch zu verschieben.
System nach Anspruch 1, wobei die Struktur eine Zwischenschicht umfasst, welche zwischen den Mechanismen und der Oberfläche angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht mit den Mechanismen antriebstechnisch gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei: der Mechanismus ein Mehrstabgestänge umfasst; oder jeder Mechanismus eine erste und eine zweite Endkappe, welche einen Abstand definieren, und ein verschwenkbares Scherengestänge umfasst, welches einen benachbarten Satz von Kappen miteinander verbindet und betreibbar ist, um den Abstand des benachbarten Satzes von Kappen zu vergrößern bzw. zu verkleinern, wenn es verschwenkt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die reversibel umgestaltbare Struktur eine elastische Folie umfasst.