DE102014114317A1

DE102014114317A1 - Rekonfigurierbares Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE102014114317A1
Application number: DE102014114317.5A
Authority: DE
Inventors: Vikram Munigala
Original assignee: Kennametal India Ltd
Current assignee: Kennametal India Ltd
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2015-04-09
Also published as: SE1451155A1; IN2013CH04514A; CN104511625A; US20150098769A1

Abstract

Ein rekonfigurierbares Schneidwerkzeug (10) weist einen Bohrkopf (12) an einem Ende, einen Befestigungsabschnitt (16) an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, und eine Bohrstange (14), die zwischen dem Bohrkopf (12) und dem Befestigungsabschnitt (16) angeordnet ist, auf. Die Bohrstange (14) besteht aus einem Formgedächtnismaterial, so dass eine Geometrie des rekonfigurierbaren Bohrwerkzeugs (10) als Reaktion auf ein Aktivierungssignal von einem Temperatursteuerungsprozessor (20) selektiv geändert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet von Schneidwerkzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Formveränderungs-Schneidwerkzeug, wie eine Bohrstange und dergleichen, mit einer Formgedächtnislegierung, die zwischen zwei Nichtformveränderungsmetallen angeordnet ist.
Stand der Technik
Eine Formgedächtnislegierung (SMA, intelligentes Metall, Gedächtnismetall, Gedächtnislegierung, Formgedächtnisdraht, intelligente Legierung) ist eine Legierung, die sich an ihre ursprüngliche, kaltgeschmiedete Form „erinnert“: und beim Erwärmen zu ihrer vorherigen Form zurückkehrt. Die Entdeckung des Formgedächtniseffekts geht im Allgemeinen auf das Jahr 1932 zurück, als der schwedische Chemiker Arne Ölander die Eigenschaft zuerst in Gold-Kadmium-Legierungen beobachtete. Der gleiche Effekt wurde in Cu-Zn in den frühen 1950ern beobachtet.
Die zwei Haupttypen von Formgedächtnislegierungen sind Kupfer-Aluminium-Nickel- und Nickel-Titan-(NiTi-)Legierungen, jedoch können SMAs auch durch Legieren von Zink, Kupfer, Gold und Eisen erzeugt werden. Nickel-Titan, ebenfalls bekannt als Nitinol^TM, ist eine Metalllegierung aus Nickel und Titan, wobei die zwei Elemente in etwa gleichen Atomprozentsätzen vorliegen. Nitinol^TM ist im Handel erhältlich von NDC aus Fremont, California, USA (www.nitinol.com).
Der Begriff Nitinol ist von seiner Zusammensetzung und seinem Entdeckungsort abgeleitet: (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory). William J. Buehler entdeckte zusammen mit Frederick Wang dessen Eigenschaften während der Forschung im Naval Ordnance Laboratory 1958.
Nitinol-Legierungen weisen zwei eng miteinander in Verbindung stehende und einzigartige Eigenschaften auf: Formgedächtnis und Superelastizität (auch Pseudoelastizität genannt). Formgedächtnis bezieht sich auf die Fähigkeit von Nitinol, bei einer Temperatur eine Verformung zu durchlaufen, danach bei Erwärmung über seine „Umwandlungstemperatur“ zu seiner ursprünglichen, unverformten Form zurückzukehren. Superelastizität tritt in einem schmalen Temperaturbereich direkt über seiner Umwandlungstemperatur auf; in diesem Fall ist zum Wiederherstellen der unverformten Form kein Erwärmen notwendig, und das Material weist eine enorme Elastizität auf, etwa die 10–30-fache eines gewöhnlichen Metalls.
Die ungewöhnlichen Eigenschaften von Nitinol stammen von einer umkehrbaren Festphasenumwandlung, zwischen zwei unterschiedlichen Martensitkristallphasen, die eine mechanische Spannung von 69–140 MPa (10.000–20.000 psi) erfordert, die als martensitische Umwandlung bekannt ist.
Bei hohen Temperaturen nimmt Nitinol eine durchdringende urtümliche kubische Kristallstruktur an, die als Austenit bezeichnet wird (auch als Ausgangsphase bekannt). Bei niedrigen Temperaturen wandelt sich Nitinol spontan in eine kompliziertere monokline Kristallstruktur um, die als Martensit bekannt ist (Tochterphase). Die Temperatur, bei der sich ein Austenit in ein Martensit umwandelt, wird generell als die Umwandlungstemperatur bezeichnet. Insbesondere gibt es vier Übergangstemperaturen. Wenn die Legierung vollständig als Austenit vorliegt, beginnt die Bildung von Martensit, wenn die Legierung bei der sogenannten Martensitstart- oder M_s-Temperatur abkühlt, und die Temperatur, bei der die Umwandlung abgeschlossen ist, wird als Martensitfinish- oder M_f-Temperatur bezeichnet. Wenn die Legierung vollständig als Martensit vorliegt und einer Erwärmung unterzogen wird, beginnt die Bildung von Austenite bei der A_s-Temperatur und endet bei der A_f-Temperatur.
Der Kühl-/Erwärmungszyklus zeigt thermische Hysterese. Die Hysteresebreite hängt von der genauen Nitinolzusammensetzung und der Verarbeitung ab. Ihr typischer Wert beträgt ca. 20–50 °C.
Entscheidend für Nitinol-Eigenschaften sind zwei Hauptaspekte dieser Phasenumwandlung. Der erste ist, dass die Umwandlung „umkehrbar“ ist, d. h., dass ein Erwärmen über die Umwandlungstemperatur die Kristallstruktur in die einfachere Austenitphase zurückführt. Der zweite wichtige Punkt ist, dass die Umwandlung in beide Richtungen unmittelbar erfolgt.
Eine Martensit-Kristallstruktur (bekannt als monokline oder B19-Struktur) hat die einzigartige Fähigkeit, gewissermaßen unbegrenzte Verformung zu durchlaufen, ohne dass Atombindungen aufbrechen. Diese Art der Verformung ist als Verzwillingung bekannt, die aus der Umordnung von Gitterebenen besteht, ohne ein Verrutschen oder eine dauerhafte Verformung zu verursachen. Es kann auf diese Weise ungefähr 6–8 % Dehnung durchlaufen. Wenn Martensit durch Erwärmung zu Austenit zurückgeführt wird, wird die ursprüngliche austenitische Struktur wiederhergestellt, unabhängig davon, ob die Martensitphase verformt wurde. Somit bezieht sich der Name „Formgedächtnis“ auf die Tatsache, dass sich an die Form der Hochtemperatur-Austenitphase „erinnert“ wird, auch wenn die Legierung bei einer niedrigeren Temperatur stark verformt wird.
Es kann eine erhebliche Kraft erzeugt werden, indem die Rückführung von verformtem Martensit zu Austenit verhindert wird – von 24,13 MPa (35.000 psi) bis oftmals mehr als 689 MPa (100.000 psi). Einer der Gründe, dass Nitinol so viel Kraft aufwendet, um zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren, ist, dass es nicht nur eine gewöhnliche Metalllegierung ist, sondern eine sogenannte intermetallische Verbindung. In einer gewöhnlichen Legierung sind die Bestandteile statistisch in dem Kristallgitter angeordnet; in einer geordneten intermetallischen Verbindung haben die Atome (in diesem Fall Nickel und Titan) sehr spezifische Positionen im Gitter. Die Tatsache, dass Nitinol intermetallisch ist, ist weitgehend für die Schwierigkeit beim Herstellen von Vorrichtungen aus der Legierung verantwortlich.
Das vorstehend beschriebene Szenario (Kühlen von Austenit zur Bildung von Martensit, Verformen des Martensits, dann Erwärmen, um es zu Austenit zurückzuführen, damit Rückkehr zur ursprünglichen, unverformten Form) ist als der thermische Formgedächtniseffekt bekannt. Zum Fixieren der ursprünglichen „Ausgangsform“ muss die Legierung in der Position gehalten und auf ungefähr 500 °C erwärmt werden. Ein zweiter Effekt, der als Superelastizität oder Pseudoelastizität bezeichnet wird, wird bei Nitinol ebenfalls beobachtet. Dieser Effekt ist das direkte Ergebnis der Tatsache, dass Martensit durch Anwenden einer mechanischen Spannung sowie durch Kühlen geformt werden kann. Somit kann man in einem bestimmten Temperaturbereich eine mechanische Spannung an Austenit anlegen, um zu bewirken, dass sich Martensit bildet, während sich gleichzeitig die Form verändert. In diesem Fall kehrt, sobald die Spannung gelöst wird, das Nitinol spontan in seine ursprüngliche Form zurück. In diesem Verwendungsmodus verhält sich Nitinol wie eine Superfeder mit einem Elastizitätsbereich, der 10–30 mal so groß ist wie der eines normalen Federmaterials. Es gibt jedoch Einschränkungen: Die Wirkung wird nur bei ungefähr 0–40 °C über der A_f-Temperatur beobachtet.
Nitinol besteht in der Regel aus ungefähr 50 bis 51 Atom-% Nickel (55 bis 56 Gew.-%). Durch Vornehmen kleiner Änderungen in der Zusammensetzung kann die Übergangstemperatur der Legierung erheblich verändert werden. Man kann die A_f-Temperatur von Nitinol in gewissem Maße steuern, jedoch liegen günstige Superelastizitätstemperaturen im Bereich von ungefähr –20 °C bis +60 °C.
Eine oft aufgetretene Komplikation in Bezug auf Nitinol ist die sogenannte R-Phase. Die R-Phase ist eine andere martensitische Phase, die mit der vorstehend genannten Martensitphase konkurriert. Da sie nicht die starken Gedächtniseffekte der Martensitphase bietet, ist sie häufig unerwünscht.
Es gibt vier übliche Arten der Anwendung für Nitinol:

1) Freie Erholung: Nitinol wird bei niedriger Temperatur verformt und erwärmt, um zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren.
2) Eingeschränkte Erholung: Ebenso, mit der Ausnahme, dass deine Erholung strikt verhindert und somit eine mechanische Spannung erzeugt wird.
3) Arbeitserzeugung: Hierbei darf sich die Legierung erholen, jedoch muss sie dazu einer Kraft entgegenwirken (also Arbeit verrichten).
4) Superelastizität: Wie vorstehend erläutert, wirkt Nitinol hierbei wie eine Superfeder.

1989 wurde eine Umfrage in den USA und Kanada durchgeführt, die sieben Unternehmen einschloss. Die Umfrage richtete sich auf das Vorhersagen von Technologie, Markt und Anwendungen von SMA in der Zukunft. Die Unternehmen sagten die folgenden Verwendungen von Nitinol in abnehmender Reihenfolge der Wichtigkeit vorher: (1) Kupplungen, (2) Biomedizin und Medizin, (3) Spielzeug, Präsentation, Neuheiten, (4) Betätigungselemente, (5) Wärmekraftmaschinen, (6) Sensoren, (7) kryogen aktivierte Die-and-Bubble-Speichersockel und schließlich (8) Hebevorrichtungen.
Nitinol ist auch in extrem elastischen Brillengestellen beliebt. Es wird auch in einigen mechanischen Uhrenfedern verwendet. Es kann als Temperatursteuerungssystem verwendet werden; wenn es seine Form ändert, kann es einen Schalter oder einen variablen Widerstand aktivieren, um die Temperatur zu steuern. Es wird aufgrund seiner sehr flexiblen Natur und seines mechanischen Gedächtnisses in der Mobiltelefontechnologie als einziehbare Antenne oder Mikrofongalgen verwendet. Es wird in einigen neuartigen Produkten, wie selbstbiegenden Löffeln, verwendet, die von Amateur- und Bühnenzauberern verwendet werden können, um „psychische“ Kräfte zu zeigen, oder als Scherzartikel, da der Löffel sich selbst verbiegt, wenn er zum Umrühren von Tee, Kaffee oder einer anderen warmen Flüssigkeit verwendet wird. Es kann auch als Draht, zur Ortung und Markierung von Brusttumoren verwendet werden, damit nachfolgende chirurgische Eingriffe exakter sind. Da es Formen ändern kann, wird es auch als Golfschläger-Schlagfläche verwendet. Nickel-Titan kann verwendet werden, um die Bügel für Bügel-BHs herzustellen.
Es sind Vorführ-Wärmekraftmaschinen gebaut worden, die Nitinoldraht zum Erzeugen von mechanischer Energie bei heißen und kalten Wärmequellen verwenden. Ein industrieller Prototypmotor, der in den 1970ern vom Ingenieur Ridgway Banks im Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelt wurde, wurde Banks Engine genannt.
Nitinol ist biologisch gut verträglich und weist Eigenschaften auf, die zum Gebrauch in orthopädischen Implantaten geeignet sind. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Nitinol erfuhr es eine große Nachfrage zum Gebrauch in weniger invasiven medizinischen Vorrichtungen. Nitinolschläuche sind in Kathetern, Stents und superelastischen Nadeln gebräuchlich. In der Kolorektalchirurgie wird das Material in Vorrichtungen verwendet, um einen Darmanschluss wiederherzustellen, nachdem die erkrankten Stellen entfernt wurden. In der Zahnmedizin wird das Material in der Kieferorthopädie für Spangen und Drähte, die die Zähne miteinander verbinden, verwendet. SureSmile ist ein Beispiel einer kieferorthopädischen Anwendung. Sobald die SMA in den Mund eingesetzt wurde, steigt ihre Temperatur auf umgebende Körpertemperatur an. Dies bewirkt, dass sich das Nitinol wieder in seine ursprüngliche Form zusammenzieht, wodurch eine konstante Kraft angelegt wird, um die Zähne zu bewegen. Diese SMA-Drähte müssen nicht so oft nachgezogen werden wie herkömmliche Edelstahldrähte, da sie sich zusammenziehen können, während sich die Zähne bewegen. Außerdem kann Nitinol in der Endodontie verwendet werden, wo Nitinolfeilen während der Wurzelbehandlung zum Reinigen und Formen der Wurzelkanäle verwendet werden.
Eine andere wesentliche Anwendung von Nitinol in der Medizin ist in Stents. Ein kollabierter Stent kann in eine Vene eingeführt und erwärmt werden (wodurch er zu seiner ursprünglichen ausgedehnten Form zurückkehrt), was eine Verbesserung des Blutflusses unterstützt. Außerdem als Ersatz für Fäden, wobei Nitinoldraht durch zwei Strukturen gefädelt werden kann und dann zu seiner vorgebildeten Form zurückkehren gelassen wird, die die Strukturen an Ort und Stelle hält.
Während des Verfahrens der Herstellung von Metall- oder Kunststoffkomponenten ist es allgemein üblich, unterschiedliche Schneidwerkzeuge zu haben, um auch jene Komponenten herzustellen, die nur gewisse minimale Unterschiede in der Geometrie oder der Abmessung aufweisen. Wenn eine Komponente in unterschiedlichen Konfigurationen gebildet werden muss, die nur minimale Änderungen in der Geometrie oder der Abmessung aufweisen, werden unterschiedliche Schneidwerkzeuge eingesetzt. Als Folge muss ein Hersteller generell erhebliche Ressourcen aufwenden, um der Vielzahl an Schneidwerkzeugen, die für die Herstellung einer Vielfalt von Komponenten notwendig sind, zu entsprechen. Zu den Ressourcen gehören nicht nur die finanziellen Kosten der Lagerung der verschiedenen Schneidwerkzeuge, sondern auch Fälle im Zusammenhang mit dem Austauschen des Schneidwerkzeugs zwischen den unterschiedlichen Formvorgängen.
Dementsprechend besteht eine Notwendigkeit nach einem rekonfigurierbaren Schneidwerkzeug, das zum Herstellen unterschiedlicher Komponenten verwendet werden kann, wobei eine Geometrie des rekonfigurierbaren Schneidwerkzeugs selektiv verwendet werden kann, um mehr als einer Komponentenkonfiguration zu entsprechen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Problem des Reduzierens der Anzahl an Schneidwerkzeugen, die zum Herstellen unterschiedlicher Komponenten notwendig sind, wird durch Bereitstellen eines rekonfigurierbaren Schneidwerkzeugs gelöst, wobei ein Abschnitt des Schneidwerkzeugs aus einem Formgedächtnismaterial besteht, bei dem eine Geometrie des rekonfigurierbaren Schneidwerkzeugs selektiv geändert werden kann.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein rekonfigurierbares Bohrwerkzeug einen Bohrkopf an einem Ende; einen Befestigungsabschnitt an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt; und eine Bohrstange, die zwischen dem Bohrkopf und dem Befestigungsabschnitt angeordnet ist, wobei die Bohrstange aus einem Formgedächtnismaterial besteht, so dass eine Geometrie des rekonfigurierbaren Bohrwerkzeugs als Reaktion auf ein Aktivierungssignal von einem Temperatursteuerungsprozessor selektiv geändert wird.
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum selektiven Ändern einer Geometrie eines Schneidwerkzeugs:
Bilden eines Bohrkopfes an einem Ende eines Bohrwerkzeugs;
Bilden eines Befestigungsabschnitts an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt;
Bilden einer Bohrstange, die zwischen dem Bohrkopf und dem Befestigungsabschnitt angeordnet ist, wobei die Bohrstange aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt ist; und
Aktivieren des Formgedächtnismaterials, um eine Geometrie des Bohrwerkzeugs selektiv zu ändern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, sollen die konkreten dargestellten Ausführungsformen die Ansprüche nicht beschränken. Es wird angenommen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen.
1 ist eine Draufsicht eines rekonfigurierbaren Schneidwerkzeugs, wie eines Bohrwerkzeugs, das eine Bohrstange aus einem Formgedächtnismaterial aufweist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine Draufsicht des Bohrwerkzeugs von 1, wenn das Formgedächtnismaterial der Bohrstange in einem anderen Zustand ist;
3 ist ein Fließschema eines Verfahrens zum Steuern des rekonfigurierbaren Bohrwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf 1 und 2 ist ein rekonfigurierbares Schneidwerkzeug 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Schneidwerkzeug 10 ein Bohrwerkzeug. Fachleute verstehen jedoch, dass die Prinzipien der Erfindung auf andere Arten von Schneidwerkzeugen, wie ein Fräswerkzeug, einen Drehmeißel, Nutenfräser und dergleichen angewendet werden können.
In der Regel besteht ein Bohrwerkzeug aus zwei Teilen, dem Bohrkopf und der Bohrstange selbst. In der Darstellung besteht das rekonfigurierbare Bohrwerkzeug 10 aus drei Teilen; einem Bohrkopf 12 an einem Ende, einer Bohrstange 14 und einem Befestigungsabschnitt 16 an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, zum Befestigen des Bohrwerkzeugs 10 durch ein geeignetes, in der Technik bekanntes Mittel. Der Bohrkopf 12 ist aus einem Metallmaterial einer in der Technik bekannten Art hergestellt. Ähnlich kann der Befestigungsabschnitt 16 aus dem gleichen oder einem anderen Metallmaterial hergestellt sein wie der Bohrkopf 12. Jedoch ist die Bohrstange 14 aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt, um die Rekonfiguration der Bohrstange 10 zu bewirken. Bei Betrieb des Bohrwerkzeugs 10 kann sich das Werkstück (nicht dargestellt) drehen, während das Bohrwerkzeug 10 stationär bleibt, oder das Bohrwerkzeug 10 kann sich drehen, während das Werkstück stationär bleibt. Das Bohrwerkzeug 10 wird an einem zweiten Ende gehalten, während der Bohrkopf 12 das Werkstück berührt. Somit ist das Bohrwerkzeug 10 überhängend oder freitragend.
Geeignete Formgedächtnismaterialien zum Bewirken der Rekonfiguration des Bohrwerkzeugs 10 sind generell jene Materialien, wobei die Form- und/oder Moduleigenschaften mithilfe eines Aktivierungssignals selektiv variiert werden können. In den meisten Anwendungen wird das Formgedächtnismaterial so ausgewählt, dass es ausreichende Steifigkeit für den gewünschten Vorgang bereitstellt. Zum Beispiel sollte eine aus dem Formgedächtnismaterial gebildete Schneidplatte zum Gebrauch mit Standardwerkzeugen und -Matritzen eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um ein gewünschtes Attribut auf ein Bauteil und/oder eine Komponente, die darin bearbeitet werden, zu drucken. Bei Federn ist es erwünscht, dass der Modul und/oder die Formabmessung selektiv variiert werden können, um die gewünschte Bewegung bereitzustellen. Wahlweise kann es erwünscht sein, die Formgedächtnisfeder mit einer Vorspann- und/oder Stützfeder aus einem herkömmlichen Material (d. h. ohne Formgedächtnis) zu ergänzen, um die Kräfte, die auf die Formgedächtnisfeder ausgeübt werden, falls gewünscht auszugleichen.
Zu geeigneten Formgedächtnismaterialien gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Formgedächtnislegierungen (SMA), Formgedächtnispolymere (SMP), elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMA, magnetische SMA, elektrorheologische Flüssigkeiten (ER), magnetorheologische Flüssigkeiten (MR), dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe (IPMC), Piezoelektrik, Piezokeramik, verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien und dergleichen. Obwohl einige der vorstehend genannten Formgedächtnismaterialien für einige Anwendungen, die in den verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen genannt sind, möglicherweise nicht geeignet sind, könnten Kombinationen der verschiedenförmigen Materialien mit diesen Materialien so erzeugt werden, dass sie das gewünschte Ergebnis liefern. Zum Beispiel können MR-Flüssigkeiten in Kombination mit einer Formgedächtnisfeder eingesetzt werden, um variierend Übersetzungsgrade bereitzustellen, wobei zum Beispiel selektives Aktivieren der MR-Flüssigkeit eine Abmessung der Feder festlegt.
Wie vorstehend erörtert können einige Formgedächtnismaterialien einen Ein-Weg-Formgedächtniseffekt, einen intrinsischen Zwei-Wege-Effekt oder einen extrinsischen Zwei-Wege-Formgedächtniseffekt aufweisen, je nach der Legierungszusammensetzung und dem Verarbeitungsverlauf. Zum Beispiel weisen geglühte Formgedächtnislegierungen in der Regel nur den Ein-Weg-Formgedächtniseffekt auf. Ausreichendes Erwärmen nach Niedrigtemperaturverformung des Formgedächtnismaterials induziert einen Übergang von Martensit zu Austenit, und das Material geht in die ursprüngliche, geglühte Form zurück. Somit werden Ein-Weg-Formgedächtniseffekte nur bei Erwärmung beobachtet. Formgedächtnismaterialien, die Formgedächtnislegierungzusammensetzungen umfassen, die Ein-Weg-Formgedächtniseffekte aufweisen, formen sich nicht automatisch zurück und benötigen wahrscheinlich eine externe mechanische Kraft, um sich in ihre vorherige Form zurück zu verformen, falls es für die bestimmte Anwendung gewünscht wird.
Zum Beispiel bei Verwendung von Formgedächtnislegierungen sind intrinsische und extrinsische Zwei-Wege-Formgedächtnismaterialien durch einen Formübergang sowohl beim Erwärmen aus der Martensitphase in die Austenitphase als auch einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen aus der Austenitphase zurück in die Martensitphase gekennzeichnet. Formgedächtnismaterialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt aufweisen, können aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt werden, die bewirkt, dass sich die Formgedächtnismaterialien infolge der vorstehend genannten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückformen. Intrinsisches Zwei-Wege-Formgedächtnisverhalten muss in dem Formgedächtnismaterial durch Verarbeitung induziert werden. Solche Vorgehensweisen beinhalten eine extreme Verformung des Materials in der Martensitphase, Erwärmen/Abkühlen unter Beschränkung oder Last oder Oberflächenmodifikation, wie Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald das Material so trainiert wurde, dass es den Zwei-Wege-Formgedächtniseffekt aufweist, ist die Formänderung zwischen dem Niedrig- und dem Hochtemperaturzustand generell umkehrbar und bleibt über eine hohe Anzahl an thermischen Zyklen erhalten. Im Gegensatz dazu sind Formgedächtnismaterialien, die extrinsische Zwei-Wege-Formgedächtniseffekte aufweisen, Verbundstoff- oder Mehrkomponentenmaterial, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, die einen Ein-Weg-Effekt aufweisen, mit einem anderen Element kombinieren, das eine Rückstellkraft, um die ursprünglich Form wiederherzustellen.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit mindestens zwei unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die gebräuchlichsten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und Austenitphase. In der folgenden Erörterung bezieht sich die Martensitphase generell auf die besser verformbare Niedertemperaturphase, während sich die Austenitphase generell auf die steifere Höhertemperaturphase bezieht. Wenn die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase ist und erwärmt wird, beginnt sie, sich in eine Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenitstarttemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen wird, wird als die Austenitfinishtemperatur (A_f) bezeichnet. Wenn die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase ist und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensitstarttemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der die Umwandlung von Austenit zu Martensit endet, wird als die Martensitfinishtemperatur (M_f) bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehend genannten Übergangstemperaturen Funktionen der mechanischen Spannung der SMA-Probe sind. Konkret steigen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung. Angesichts der vorstehenden Eigenschaften findet eine Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unter der Austenitübergangstemperatur (bei oder unter A_s) statt. Nachfolgende Erwärmung über die Austenitübergangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnismaterialprobe in ihre dauerhafte Form zurückkehrt. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zum Gebrauch mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Höhe, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung bei Erwärmung an ihre Hochtemperaturform erinnert, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen zum Beispiel kann sie von über ungefähr 100 °C auf unter ungefähr –100 °C geändert werden. Das Formerholungsverfahren kann über einen Bereich von nur wenigen Grad stattfinden oder eine allmählichere Erholung aufweisen. Der Beginn oder das Ende der Umwandlung können abhängig von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung auf innerhalb ein oder zwei Grad gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich ihrer Umwandlung, wobei sie in der Regel einen Formgedächtniseffekt, Superelastizitätseffekt und hohes Dämpfungsvermögen bereitstellen. Zum Beispiel wird in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können große Verformungen durchlaufen, indem die Kristallstrukturumordnung bei angelegter mechanischer Spannung, z. B. Druck von einem passenden Druckfuß, neu ausgerichtet wird. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, behält das Material diese Form bei, nachdem die Spannung gelöst wird.
Zu geeigneten Formgedächtnislegierungsmaterialien gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, 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-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Kadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Kadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binärer, ternärer oder höherer Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt aufweist, z. B. Änderung in Form, Ausrichtung, Dehngrenze, Biegemodul, Dämpfungsvermögen, Superelastizität und/oder ähnliche Eigenschaften. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt vom Temperaturbereich ab, in dem dieser Bestandteil eingesetzt wird.
Wie vorstehend genannt, tritt Formerholung auf, wenn die Formgedächtnislegierung SMA in der verformbaren Niedrigtemperaturphase eine Verformung durchläuft und dann eine Wärme über der Umwandlungstemperatur (d. h. Austenitfinishtemperatur) erfährt. Erholungsdrücke können 400 Megapascal (60.000 psi) übersteigen. Die reversible Dehnung beträgt immerhin ungefähr 8 % (ungefähr 4 % bis ungefähr 5 % bei den Kupferlegierungen) bei einem einzelnen Erholungszyklus und nimmt generell bei steigender Zyklenanzahl ab.
Formgedächtnispolymer bezieht sich generell auf ein Polymermaterial, das bei Anwendung eines thermischen Aktivierungssignals eine Änderung in einer Eigenschaft aufweist, wie Elastizitätsmodul, Form, Abmessung, Formausrichtung oder einer Kombination, die mindestens eine der vorstehenden Eigenschaften umfasst.
Generell sind SMP phasensegregierte Copolymere, die mindestens zwei unterschiedliche Einheiten umfassen, die als unterschiedliche Segmente innerhalb des SMP definierend beschrieben werden können, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Segment“ auf einen Block, Pfropf oder eine Sequenz der gleichen oder ähnlichen Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert werden, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann kristallin oder amorph sein und weist einen entsprechenden Schmelzpunkt bzw. eine entsprechende Glasübergangstemperatur (Tg) auf. Der Begriff „Wärmeübergangstemperatur“ wird hierin aus praktischen Gründen verwendet, um sich generisch entweder auf eine Tg oder einen Schmelzpunkt zu beziehen, anhängig davon, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMP, die (n) Segmente umfassen, wird gesagt, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere Wärmeübergangstemperatur aufweist als ein beliebiges weiches Segment. Somit hat das SMP (n) Wärmeübergangstemperaturen. Die Wärmeübergangstemperatur des harten Segments wird als die „letzte Übergangstemperatur“ bezeichnet, und die niedrigste Wärmeübergangstemperatur des sogenannten „weichsten“ Segments wird als die „erste Übergangstemperatur“ bezeichnet. Es ist wichtig zu beachten, dass gesagt wird, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch die gleiche Wärmeübergangstemperatur gekennzeichnet sind, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, kann das SMP-Material geformt werden. Eine dauerhafte Form für das SMP kann durch anschließendes Kühlen des SMP unter die Temperatur festgelegt oder gespeichert werden. Wie hier verwendet, sind die Begriffe „ursprüngliche Form“, „vorher definierte Form“ und „dauerhafte Form“ synonym und sollen austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann durch Erwärmen des Materials auf Temperatur über einer Wärmeübergangstemperatur irgendeines weichen Segments, aber unter der letzten Übergangstemperatur, Anlegen einer externen mechanischen Spannung oder Last, um das SMP zu verformen, und anschließendes Abkühlen unter die jeweilige Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments unter Beibehaltung der externen Verformungsspannung oder -last eingestellt werden.
Die dauerhafte Form kann durch Erwärmen des Materials über die jeweilige Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments, aber unter die letzte Übergangstemperatur rückgestellt werden, wobei die Spannung oder Last gelöst ist. Somit sollte klar sein, dass es durch Kombinieren der mehreren weichen Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen zu zeigen, und es mit mehreren harten Segmenten möglich ist, mehrere dauerhafte Formen zu zeigen. Ähnlich zeigt mithilfe einer Schichtung oder eines Verbundstoffes eine Kombination mehrerer SMP Übergänge zwischen mehreren temporären und dauerhaften Formen.
Bei SMP mit nur zwei Segmenten wird die temporäre Form des Formgedächtnispolymers bei der ersten Übergangstemperatur festgelegt, gefolgt von Abkühlen des SMP unter Last, um es in der temporären Form festzulegen. Die temporäre Form wird so lange gehalten, wie das SMP unter der ersten Übergangstemperatur bleibt. Die dauerhafte Form wird zurückerlangt, wenn das SMP bei abgenommener Last erneut über die erste Übergangstemperatur gebracht wird. Durch Wiederholen der Schritte des Erwärmens, Formens und Kühlens kann die temporäre Form wiederholt festgelegt werden.
Die meisten SMP weisen einen „Ein-Weg“-Effekt auf, wobei das SMP eine dauerhafte Form aufweist. Durch Erwärmen des Formgedächtnispolymers über eine Wärmeübergangstemperatur eines weichen Segments ohne Spannung oder Last wird die dauerhafte Form erreicht, und die Form wird ohne Anwendung äußerer Kräfte nicht in die temporäre Form zurückgestellt.
Als Alternative können einige Formgedächtnispolymerzusammensetzungen so hergestellt werden, dass sie einen „Zwei-Wege“-Effekt aufweisen, wobei das SMP zwei dauerhafte Formen aufweist. Zu diesen Systemen gehören mindestens zwei Polymerbestandteile. Zum Beispiel könnte ein Bestandteil ein erstes vernetztes Polymer sein, während der andere Bestandteil ein anderes vernetztes Polymer ist. Die Bestandteile werden durch Schichtverfahren kombiniert oder sind interpenetrierende Netzwerke, wobei die zwei Polymerbestandteile vernetzt sind, jedoch nicht miteinander. Durch Ändern der Temperatur ändert das Formgedächtnispolymer seine Form in die Richtung einer ersten dauerhaften Form oder einer zweiten dauerhaften Form. Jede der dauerhaften Formen gehört zu einem Bestandteil des SMP. Die Temperaturabhängigkeit der Gesamtform wird dadurch verursacht, dass die mechanischen Eigenschaften eines Bestandteils („Bestandteil A“) in dem jeweiligen Temperaturintervall fast unabhängig von der Temperatur sind. Die mechanischen Eigenschaften des anderen Bestandteils („Bestandteil B“) sind in dem jeweiligen Temperaturintervall temperaturabhängig. In einer Ausführungsform wird Bestandteil B bei niedrigen Temperaturen stärker als Bestandteil A, während Bestandteil A bei hohen Temperaturen stärker ist und die tatsächliche Form bestimmt. Eine Zwei-Wege-Formgedächtnisvorrichtung kann durch Festlegen der dauerhaften Form von Bestandteil A („erste dauerhafte Form“), Verformen der Vorrichtung in eine dauerhafte Form von Bestandteil B („zweite dauerhafte Form“) und Fixieren der dauerhaften Form von Bestandteil B unter Anwendung einer mechanischen Spannung hergestellt werden.
Ein Fachmann sollte erkennen, dass es möglich ist, SMP in vielen unterschiedlichen Formen und Gestalten zu konfigurieren. Die Gestaltung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Auswahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung erlauben. Zum Beispiel kann abhängig von der bestimmten Anwendung die letzte Übergangstemperatur ungefähr 0 °C bis ungefähr 300 °C oder mehr betragen. Eine Temperatur für Formerholung (d. h. eine Wärmeübergangstemperatur eines weichen Segments) kann größer als oder gleich ungefähr –30 °C sein. Eine andere Temperatur für Formerholung kann größer als oder gleich ungefähr 40 °C sein. Eine andere Temperatur für Formerholung kann größer als oder gleich ungefähr 100 °C sein. Eine andere Temperatur für Formerholung kann kleiner als oder gleich ungefähr 250 °C sein. Noch eine andere Temperatur für Formerholung kann kleiner als oder gleich ungefähr 200 °C sein. Letztlich kann eine andere Temperatur für Formerholung kleiner als oder gleich ungefähr 150 °C sein.
Wahlweise kann das SMP so ausgewählt werden, dass es spannungsinduziertes Nachgeben bereitstellt, das direkt (d. h. ohne Erwärmen des SMP über seine Wärmeübergangstemperatur, um es zu „erweichen“) verwendet werden, um es an eine gegebene Oberfläche anzupassen. Die maximale Dehnung, der das SMP in diesem Fall standhalten kann, kann in einigen Ausführungsformen mit dem Fall vergleichbar sein, in dem das SMP über seine Wärmeübergangstemperatur verformt wird.
Geeignete Formgedächtnispolymere können Thermoplaste, Duroplaste, interpenetrierende Netzwerke, halbinterpenetrierende Netzwerke oder gemischte Netzwerke sein. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung aus Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Zu geeigneten Polymerbestandteilen zum Bilden eines Formgedächtnispolymers gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Polyphosphazene, Poly(vinylalkohole), Polyamide, Polyesteramide, Poly(aminosäuren), Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Zu Beispielen geeigneter Polyacrylate gehören Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly(isobutylmethacrylat), Poly(hexylmethacrylat), Poly(isodecylmethacrylat), Poly(laurylmethacrylat), Poly(phenylmethacrylat), Poly(methylacrylat), Poly(isopropylacrylat), Poly(isobutylacrylat) und Poly(octadecylacrylat). Zu Beispielen anderer geeigneter Polymere gehören Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether), Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Poly(ethylenoxid)-poly-(ethylenterephthalat), Polyethylen/Nylon-Pfropfcopolymer, Polycaprolacton-Polyamid-Blockcopolymer, Poly(caprolacton)-dimethacrylat-n-butylacrylat, Poly(norbornyl-polyedrisches oligomeres Silsequioxan), Polyvinylchlorid, Urethan/ Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen. Das bzw. die Polymer(e), die zum Bilden der verschiedenen Segmente in dem vorstehend beschriebenen SMP verwendet werden, sind entweder im Handel erhältlich oder können mit üblichen chemischen Verfahren synthetisch hergestellt werden. Fachleute können die Polymere problemlos mit bekannten chemischen Verfahren und Verarbeitungstechniken ohne übermäßiges Experimentieren herstellen.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein elektroaktives Polymer umfassen – von dem zwei Klassen elektronische und ionische EAP (elektroaktive Polymere sind) – zu Beispielen davon gehören ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, leitfähige Polymere, piezoelektrisches Material und dergleichen.
Zu elektroaktiven Polymeren gehören jene Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften infolge elektrischer oder mechanischer Felder aufweisen. Die Materialien verwenden generell flexible Elektroden, die den Polymerfolien ein Ausdehnen oder Zusammenziehen in den flächigen Richtungen infolge der angelegten elektrischen Felder oder mechanischen Spannungen erlauben. Ein Beispiel ein elektrostriktiv-gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen)-Copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit, eine variierte Menge ferroelektrisch-elektrostriktiver molekularer Verbundsysteme zu erzeugen. Diese können als piezoelektrischer Sensor oder sogar elektrostriktiver Aktuator verwendet werden.
Zu Materialien, die zum Gebrauch als elektroaktives Polymer geeignet sind, können jegliche im Wesentlichen isolierenden Polymere oder Kautschuke (oder Kombinationen davon) gehören, die sich infolge einer elektrostatischen Kraft verformen oder deren Verformung zu einer Veränderung im elektrischen Feld führt. Zu beispielhaften Materialien, die zum Gebrauch als vorgespanntes Polymer geeignet sind, gehören Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftkleber, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acryleinheiten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acryleinheiten umfassen, können zum Beispiel Copolymere, die Silikon- und Acryleinheiten umfassen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer umfassen, einschließen.
Materialien, die als elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Grundlage einer oder mehrerer Materialeigenschaften, wie einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt werden. In einer Ausführungsform ist das Polymer so ausgewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens ungefähr 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer so ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen ungefähr 0,05 MPa und ungefähr 10 MPa und vorzugsweise zwischen ungefähr 0,3 MPa und ungefähr 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer so ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20 und vorzugsweise zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als den vorstehend angegebenen Bereichen wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere hergestellt und als dünne Folien implementiert werden. Für diese dünnen Folien geeignete Dicken können unter 50 Mikrometern liegen.
Da sich elektroaktive Polymere bei hohen Dehnungen biegen können, sollten sich auch an den Polymeren befestigte Elektroden biegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Generell können zum Gebrauch geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer anzulegen oder von diesem zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant oder im Zeitverlauf variierend sein. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind vorzugsweise flexibel und passen sich an die sich verändernde Form des Polymers an. Demensprechend kann die vorliegende Offenbarung flexible Elektroden aufweisen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden brauchen nur an einen Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt zu werden und bestimmen einen aktiven Bereich gemäß ihrer Geometrie. Zu verschiedenen Arten von Elektroden, die zum Gebrauch mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, gehören strukturierte Elektroden, die Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die Abweichungen von den Ebenenabmessungen umfassen, leitfähige Fette, wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit hohem Aspektverhältnis, wie Kohlenstofffibrillen und Kohlenstoffnanoröhren und Mischungen von ionisch leitfähigen Materialien.
Für die Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendete Materialien können variieren. In einer Elektrode verwendete geeignete Materialien können Graphit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, einschließlich Silber und Gold, mit Silber gefüllte und mit Kohlenstoff gefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere. Es versteht sich, dass bestimmte Elektrodenmaterialien bei bestimmten Polymeren gut funktionieren und bei anderen möglicherweise nicht so gut funktionieren. Beispielsweise funktionieren Kohlenstofffibrillen gut bei Acrylelastomerpolymeren, jedoch nicht so gut bei Silikonpolymeren.
Wie hier verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch“ zum Beschreiben eines Materials verwendet, das sich mechanisch verformt, wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Vorzugsweise ist das piezoelektrische Material auf Streifen aus einer flexiblen Metall- oder Keramiklage angeordnet. Die Streifen können unimorph oder bimorph sein. Vorzugsweise sind die Streifen bimorph, da Bimorphe generell mehr Verlagerung aufweisen als Unimorphe.
Eine Art von Unimorphem ist eine Struktur, die aus einem einzelnen piezoelektrischen Element besteht, das extern an eine flexible Metallfolie oder einen flexiblen Metallstreifen gebunden ist, die bzw. der von dem piezoelektrischen Element stimuliert wird, wenn mit einer Spannungsänderung aktiviert wird, und zu einem axialen Wölben oder Biegen führt, wenn sie bzw. er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegensteht. Die Aktuatorbewegung für einen Unimorphen kann durch Kontraktion oder Expansion erfolgen. Unimorphe können eine Dehnung von immerhin ungefähr 10 % aufweisen, können jedoch generell nur geringen Lasten, bezogen auf die Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur, standhalten.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung weist eine bimorphe Vorrichtung eine intermediäre flexible Metallfolie zwischen zwei piezoelektrischen Elementen auf. Bimorphe weisen mehr Verlagerung auf als Unimorphe, da sich unter der angelegten Spannung ein Keramikelement zusammenzieht, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu ungefähr 20 % aufweisen, können jedoch ähnlich wie Unimorphe generell keinen hohen Lasten, bezogen auf die Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur, standhalten.
Zu geeigneten piezoelektrischen Materialien gehören anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien können alle der Polymermaterialien mit nicht punktsymmetrischer Struktur und großer bzw. großen Dipolmomentgruppe(n) an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für die piezoelektrische Folie verwendet werden. Zu Beispielen geeigneter Polymere gehören zum Beispiel, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Poly(natrium-4-styrolsulfonat) („PSS“), Poly-S-(poly(vinylamin)-Hauptketten-azo-chromophor) und deren Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid („PVDF“), dessen Copolymer Vinylidenfluorid („VDF“), Trifluorethylen (TrFE) und deren Derivaten; Polychlorkohlenstoffe, einschließlich Poly(vinylchlorid) („PVC“), Polyvinylidenchlorid („PVC2“) und deren Derivaten; Polyacrylnitrile („PAN“) und deren Derivate; Polycarbonsäuren, einschließlich Poly(methacrylsäure) („PMA“) und deren Derivaten; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane („PUE“) und deren Derivate; Biopolymermoleküle, wie Poly-L-milchsäuren und deren Derivate und Membranproteine sowie Phosphatbiomoleküle; Polyaniline und deren Derivate und alle Derivate von Tetraminen; Polyimide, einschließlich Kaptonmolekülen und Polyetherimid („PEI“) und deren Derivaten; alle Membranpolymere; Poly(N-vinylpyrrolidon)-(„PVP“-)Homopolymer und dessen Derivate und statistische PVP-co-Vinylacetat-(„PVAc“-)Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten und Mischungen davon.
Ferner können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metalllegierungen und Mischungen davon einschließen. Diese piezoelektrischen Materialien können zum Beispiel auch Metalloxid, wie SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon, einschließen; und Verbindungen der Gruppen VIA und IIB, wie CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe.sub.2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon.
Zu geeigneten MR-Elastomermaterialien gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine elastische Polymermatrix, die eine Suspension ferromagnetischer oder paramagnetischer Teilchen umfasst, wobei die Teilchen vorstehend beschrieben sind. Zu geeigneten Polymermatrizen gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Poly-alpha-olefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Geeignete Formgedächtnismaterialien können auch magnetorheologische (MR-)Zusammensetzungen umfassen, wie MR-Elastomere, die als „intelligente“ Materialien bekannt sind, deren rheologische Eigenschaften sich bei Anwendung eines Magnetfelds rasch ändern können. MR-Elastomere sind Suspensionen von mikrometergroßen, magnetisch polarisierbaren Teilchen in einem duroplastischen elastischen Polymer oder Kautschuk. Die Steifigkeit der elastomeren Struktur wird durch Ändern der Scher- und Kompressions-/Spannungsmoduln durch Variieren der Stärke des angelegten Magnetfelds erreicht. Die MR-Elastomere entwickeln in der Regel in wenigen Millisekunden eine Struktur, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Werden die MR-Elastomere dem Magnetfeld nicht mehr ausgesetzt, wird der Vorgang umgekehrt, und das Elastomer kehrt in seinen Zustand des niedrigeren Moduls zurück.
1 zeigt das rekonfigurierbare Bohrwerkzeug 10, wenn die Bohrstange 14 aus Formgedächtnismaterial in einem Zustand ist, während 2 das Bohrwerkzeug 10 zeigt, wenn die rekonfigurierbare Bohrstange 14 aus Formgedächtnismaterial in einem anderen Zustand ist.
Bezugnehmend auf 3 wird nun ein Verfahren zum Steuern des rekonfigurierbaren Bohrwerkzeugs 10 dargestellt. In Schritt S3.1 wird Eingabe von einem CNC-Programm 18 (computergestützte numerische Steuerung) empfangen. Wie in der Technik bekannt ist, unterscheiden sich moderne CNC-Fräser im Konzept wenig von dem ursprünglichen Modell, das 1952 im MIT gebaut wurde. Fräser bestehen in der Regel aus einem Tisch, der sich in der X- und Y-Achse bewegt, und einer Werkzeugspindel, die sich in der Z-Achse (Tiefe) bewegt. Die Position des Werkzeugs wird von Motoren durch eine Reihe von Untersetzungszahnrädern angetrieben, um sehr akkurate Bewegungen bereitzustellen, oder in modernen Gestaltungen von einem Direktantrieb-Schrittmotor oder Servomotoren. Offene Regelkreise funktionieren, solange die Kräfte klein genug gehalten werden und die Geschwindigkeiten nicht zu groß sind. Bei industriellen Metallbearbeitungsmaschinen sind geschlossene Regelkreise Standard und erforderlich, um die erforderliche Genauigkeit, Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit bereitzustellen.
In Schritt S3.2 wird die Eingabe von dem CNC-Programm 18 von einem Temperatursteuerungsprozessor 20 empfangen. Wie vorstehend erwähnt, ist das Formgedächtnismaterial ein elektrischer Leiter und weist einen Widerstand auf. Wenn Elektrizität durch das Formgedächtnismaterial geleitet wird, wird das Formgedächtnismaterial erwärmt. Die Erwärmung des Formgedächtnismaterials hängt direkt von der Strommenge ab, die durch das Material geleitet wird. Der Temperatursteuerungsprozessor 20 steuert die Strommenge für die Bohrstange 14 so, dass die gewünschte Temperatur im Formgedächtnismaterial beibehalten wird.
In Schritt S3.3 sendet der Temperatursteuerungsprozessor 20 ein Aktivierungssignal an das Formgedächtnismaterial der Bohrstange 14 des Bohrwerkzeugs 10. Das Aktivierungssignal kann ein magnetisches Signal, ein thermisches Signal, ein elektrisches Signal, ein mechanisches Spannungssignal und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Aktivierungssignale umfassen, umfassen. Auf diese Weise wird eine Geometrie des rekonfigurierbaren Bohrwerkzeugs 10 als Reaktion auf das Aktivierungssignal selektiv geändert.
Die Patente und Veröffentlichungen, auf die hierin Bezug genommen wird, sind hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen.
Obwohl gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, kann die Erfindung anderweitig innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

William J. Buehler entdeckte zusammen mit Frederick Wang dessen Eigenschaften während der Forschung im Naval Ordnance Laboratory 1958 [0004]

Claims

Rekonfigurierbares Bohrwerkzeug (10), umfassend: einen Bohrkopf (12) an einem Ende; einen Befestigungsabschnitt (16) an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt; und eine Bohrstange (14), die zwischen dem Bohrkopf (12) und dem Befestigungsabschnitt (16) angeordnet ist, wobei die Bohrstange (14) aus einem Formgedächtnismaterial besteht, so dass eine Geometrie des rekonfigurierbaren Bohrwerkzeugs (10) als Reaktion auf ein Aktivierungssignal von einem Temperatursteuerungsprozessor (20) selektiv geändert wird.
Rekonfigurierbares Bohrwerkzeug (10) nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnismaterial ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, eine magnetische Formgedächtnislegierung, eine elektrorheologische Flüssigkeit; eine magnetorheologische Flüssigkeit, ein dielektrisches Elastomer, ein ionischer Polymer-Metall-Verbundwerkstoff, ein piezoelektrisches Polymer, piezoelektrische Keramik und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Formgedächtnismaterialien umfassen, umfasst.
Rekonfigurierbares Bohrwerkzeug (10) nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein magnetisches Signal, ein thermisches Signal, ein elektrisches Signal, ein mechanisches Spannungssignal und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Aktivierungssignale umfassen, umfasst.
Rekonfigurierbares Bohrwerkzeug (10) nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnismaterial so ausgewählt ist, dass es einen Ein-Weg-Formgedächtniseffekt aufweist.
Rekonfigurierbares Bohrwerkzeug (10) nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnismaterial so ausgewählt ist, dass es einen Zwei-Wege-Formgedächtniseffekt aufweist.
Rekonfigurierbares Bohrwerkzeug (10) nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnismaterial Nitinol^TM ist.
Verfahren zum selektiven Ändern einer Geometrie eines Schneidwerkzeugs (10), umfassend: Bilden eines Bohrkopfes (12) an einem Ende eines Bohrwerkzeugs (10); Bilden eines Befestigungsabschnitts (16) an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt; Bilden einer Bohrstange (14), die zwischen dem Bohrkopf (12) und dem Befestigungsabschnitt (16) angeordnet ist, wobei die Bohrstange (14) aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt ist; und Aktivieren des Formgedächtnismaterials, um eine Geometrie des Bohrwerkzeugs (10) selektiv zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Aktivieren des Formgedächtnismaterials die Abgabe eines Aktivierungssignals von einem Temperatursteuerungsprozessor (20) an die Bohrstange (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aktivierungssignal ein magnetisches Signal, ein thermisches Signal, ein elektrisches Signal, ein mechanisches Spannungssignal und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Aktivierungssignale umfassen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Formgedächtnismaterial so ausgewählt ist, dass es einen Ein-Weg-Formgedächtniseffekt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Formgedächtnismaterial so ausgewählt ist, dass es einen Zwei-Wege-Formgedächtniseffekt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Formgedächtnismaterial Nitinol^TM ist.