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Die Erfindung betrifft Formgedächtnisaktoren mit polymerintegrierten Formgedächtniselementen und ein Spritzgussverfahren zur Herstellung der Formgedächtnisaktoren, bei denen Formgedächtniselemente aus thermischen oder elektrischen Formgedächtnislegierungen durch Spritzgießen in einen Grundkörper aus Kunststoff integriert sind.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Formgedächtniswerkstoffe durch eine Phasentransformation ihre physikalischen Eigenschaften verändern, bedingt durch eine kristallographische Transformation von der Hochtemperaturphase Austenit zu der leicht verformbaren und bei tiefen Temperaturen stabileren Martensitphase. Die Phasenumwandlung wird dabei entweder durch Zufuhr von thermischer Energie oder durch eine mechanische Krafteinwirkung hervorgerufen. So ist aus der
DE 100 19 183 A1 ein Formgedächtnispolymerverbund bekannt, der mindestens eine Formgedächtnisschicht aufweist, die auf einem Substrat aufgebracht ist, mit einer in Abhängigkeit der von der Temperatur erfolgenden Formänderung zur Verwendung als Aktor in der Mikrosystemtechnik. Aus der
DE 10 2011 112 290 A1 ist weiterhin ein Aktor mit mindestens einem ein thermisches Wandlermaterial aufweisendes Stellelement bekannt, bei dem der mechanische Energiespeicher einen Elastomerkörper aufweist, der bereichsweise in körperlichem und thermischem Kontakt mit dem Stellelement steht und der Elastomerkörper an wenigstens zwei räumlich getrennten Fügebereichen längs des Stellelementes mit diesem verbunden ist, so dass bei einer Formänderung des Stellelementes der Elastomerkörper einer die Rückstellkraft generierenden Kompression oder Elongation unterliegt. Weiterhin ist aus der
DE 10 2012 221 832 A1 ein Pumpenelement für eine Dosierpumpe sowie ein Verfahren zur Herstellung des Pumpenelements für die Medikamentendosierung bekannt. Das Pumpenelement weist eine Deckel- und Bodenplatte sowie einen dazwischen angeordneten Koppelungsbalken und eine Pumpmembranfolie auf. Der Koppelungsbalken ist mit einer Aktoreinheit mechanisch koppelbar und zwischen der Bodenplatte und der Deckelplatte bewegbar, wobei die Pumpmembranfolie in einem zentralen Abschnitt über den Koppelungsbalken mit der Aktoreinheit mechanisch koppelbar ist. In der
DE 103 46 665 A1 wird weiterhin ein Bauelement beschrieben, umfassend ein Trägerelement und ein durch Extrusion ausgebildetes bewegliches Gelenk, welches an dem Trägerelement befestigt ist, wobei das bewegliche Element einen Federabschnitt aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelementes.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Formgedächtnisaktor mit polymerintegrierten Formgedächtniselementen und ein Spritzgussverfahren zur Herstellung dieser Formgedächtnisaktoren zu schaffen, indem Formgedächtniselemente durch einen Spritzgussprozess in einen Grundkörper aus Kunststoff so integriert sind, dass nach dem Spritzgussprozess für einen späteren Einsatz der aktive Zustand des Formgedächtnismaterials wieder herstellbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Spritzgussverfahren zur Herstellung von Formgedächtnisaktoren mit durch einen Spritzgussprozess integrierten Formgedächtniselementen aus thermischen oder elektrischen Formgedächtnislegierungen in einen Grundkörper aus Kunststoff vor, bei dem der Grundkörper in einer Spritzgussform eines Spritzgusswerkzeuges ausgebildet wird, indem in einem ersten Schritt vor dem Spritzgussprozess ein Formgedächtniselement durch eine Einzugseinheit in Verbindung mit einem Fördersystem mittels eines messtechnisch erfassbaren und regelbaren Einlegevorgangs zur Vermeidung einer Überdehnung des Formgedächtniselementes und zur Optimierung der Einzugszeit sowie der Reproduzierbarkeit der Einzugskraft in eine Kavität eines Spritzgusswerkzeuges automatisch eingezogen wird und das Formgedächtniselement nach dem Einziehen und Einlegen in das Spritzgusswerkzeug in Sollposition gehalten wird,
dass anschließend nach dem Einfüllen der Formmasse in die Spritzgussform des Spitzgusswerkzeuges und dem Erkalten des gegossenen Formgedächtnisaktors mittels einer Trennschneidvorrichtung eine Trennung des Formgedächtniselementes von dem Spritzgusswerkzeug und das automatisierte Auswerfen des Formgedächtnisaktors aus dem Spritzgießwerkzeug ausgeführt wird
und dass abschließend nach dem Spitzgussprozess vor dem Einsatz des Formgedächtnisaktors eine Vordehnung des Formgedächtniselementes durchgeführt wird, um das Formgedächtniselement vom verzwillingten martensitischen Zustand in den entzwillingten martensitischen Zustand zu überführen, indem entweder ein an dem Formgedächtnisaktor vorgesehenes Vordehnelement zum Vorspannen des Formgedächtniselementes in eine Aussparung des Formgedächtnisaktors gedrückt wird oder dass zur Vordehnung des Formgedächtniselementes ein an dem Formgedächtniselement befestigtes Stellelement mit einem Rastelement in eine Öffnung eines am Formgedächtnisaktor während des Spritzgussprozesses direkt angegossenen Haltelements gedrückt wird.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das zur Vordehnung des Formgedächtniselementes vorgesehene Vordehnelement ein Bestandteil des Kunststoffträgers des Formgedächtnisaktors ist und während des Spritzgussprozesses direkt an den Formgedächtnisaktor angegossen wird oder dass zur Vordehnung des Formgedächtniselementes vorgesehene an dem Formgedächtniselement befestigte Stellelement mit dem Rastelement in das während des Spritzgussprozesses direkt an den Formgedächtnisaktor angegossene Halteelement mit der Öffnung gedrückt wird und dort einrastet.
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Da sich das Formgedächtniselement während des Spritzgussprozesses im austenitischen Zustand befindet, ist weiterhin vorteilhaft vorgesehen, dass die Spritzgusstemperaturen für die einzufüllenden Polymere oberhalb der austenitischen Temperaturen des Formgedächtniselementes liegen.
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Der erfindungsgemäße Formgedächtnisktor mit polymerintegrierten thermischen oder elektrischen Formgedächtniselementen und Mitteln zum Vordehnen des Formgedächtniselementes nach dem Spritzgussprozess des gegossenen Formgedächtnisaktors aus dem Spritzgusswerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass der Formgedächtnisaktor an einem Mittelteil das angegossene L-förmig ausgebildete Vordehnelement aufweist, wobei das Vordehnelement über einen elastischen Steg mit dem Formgedächtnisaktor verbunden ist und nach dem Spritzgussprozess zur Vordehnung des Formgedächtniselementes in die Aussparung des Formgedächtnisaktors einführbar ist, derart, dass eine Nase des Vordehnelementes in eine Ausnehmung am Mittelteil des Formgedächtnisaktors einrastet und damit das Vordehnelement gehalten ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Formgedächtnisaktor ein Endteil aufweist, in das das Formgedächtniselement eingegossen und mittels des Vordehnelements nach außen gedrückt wird, wobei das andere Ende des Formgedächtniselementes an einem Befestigungselement in einem hebelartig als Stellelement ausgebildeten Vorderteil des Formgedächtnisaktors befestigt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Formgedächtnisaktors wird darin gesehen, dass der Formgedächtnisaktor U-förmig ausgebildet ist, wobei das Formgedächtniselement an den beiden von einer Basis abragenden Schenkeln des U-förmig ausgebildeten Formgedächtnisaktors jeweils endseitig eingegossen ist und wobei an dem Formgedächtniselement das Stellelement mit dem Rastelement befestigt ist, das zur Vordehnung des Formgedächtniselements in die Öffnung des an der Basis des Formgedächtnisaktors gegenüberliegenden angegossenen Haltelement eindrückbar ist.
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Vorteilhaft ist das Formgedächtniselement drahtförmig oder als Blech- oder Federelement oder als Halbzeug ausgebildet, wobei das Formgedächtniselement zum Einlegen in das Spritzgusswerkzeug ein- oder mehrlagig ausgebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein automatisiertes Einlegen von thermischen als auch elektrischen Formgedächtnislegierungen in Spritzgussformen von Spritzgusswerkzeugen zur Herstellung unterschiedlicher polymerintegrierter Formgedächtnisaktoren und damit eine einfache und sichere Herstellung von Formgedächtnisaktoren mit integrierten Formgedächtniselementen durch einen Spritzgussprozess in einen Grundkörper aus Kunststoff, so dass nach dem Spritzgussprozess für einen späteren Einsatz der aktive Zustand des Formgedächtnismaterials wieder herstellbar ist. Das Spritzgusswerkzeug und die Spritzgussform sind dabei für unterschiedliche Ausführungsformen von Formgedächtnisaktoren entsprechend ihres Einsatzgebietes variierbar.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nach dem Spritzgussprozess vor dem Einsatz der Formgedächtnisaktoren eine Vordehnung des Formgedächtniselementes durchgeführt wird, wobei das vorgesehene Vordehnelement ein Bestandteil des Kunststoffträgers des Formgedächtnisaktors ist und während des Spritzgussprozesses direkt an den Formgedächtnisaktor angegossen wird, so dass das Formgedächtnismaterial vorgedehnt wird und so in den entzwillingten martensitischen Zustand überführt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Spritzgusswerkzeug zur Herstellung eines polymerintegrierten Formgedächtnisaktors;
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Formgedächtnisaktors mit angegossenem Formgedächtniselement vor der Vordehnung;
- 3 den Formgedächtnisaktor nach der Vordehnung des Formgedächtniselementes;
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Formgedächtnisaktors mit angegossenem Formgedächtniselement vor der Vordehnung;
- 5 den Formgedächtnisaktor nach den Vordehnung des Formgedächtniselementes.
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In den 1,2 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines polymerintegrierten Formgedächtnisaktors 10 dargestellt, bei dem ein Formgedächtniselement 3 durch Spritzgießen in den aus Kunststoff bestehenden Formgedächtnisaktor 10 integriert ist. In 1 ist ein Spritzgusswerkzeug 1 dargestellt, bei dem der Spritzgussintegrationsprozess durch ein automatisiertes Einlegen des Formgedächtniselementes 3 mittels einer Einzugseinheit 2 vorgesehen ist. Die Formgedächtniselemente 3 können dazu sowohl als thermische als auch elektrische Formgedächtnislegierungen ausgebildet sein. Das Formgedächtniselement 3 muss für den Spritzgussprozess in einem austenitischen Zustand vorliegen und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel drahtförmig ausgebildet, kann auch als Blech- oder Federelement oder ein- oder mehrlagig je nach Einsatzgebiet ausgeführt werden. Das Formgedächtniselement 3 wird mittels einer außerhalb an einer Seite des Spritzgusswerkzeuges 1 vorgesehenen Einzugseinheit 2 automatisiert mittels eines durch einen Motor angetriebenen Fördersystems 5 in eine Kavität 4 des Spritzgusswerkzeuges 1 eingezogen. Da sich das Formgedächtniselement 3 zum automatisierten Einlegen in die Kavität 4 des Spritzgusswerkzeuges 1 bereits in dem ausgelösten, also austenitischen Zustand befindet, ist es notwendig, dass die Spritzgusstemperaturen des in eine Kavität 4 des Spritzgusswerkzeuges 1 einzufüllenden flüssigen Kunststoffes oberhalb der austenitischen Temperatur des Formgedächtniselementes 3 liegen. Zum Einziehen des Formgedächtniselementes 3 in die Kavität 4 des Spritzgusswerkzeuges 1 fährt entsprechend 1 die an einer Seite außerhalb des Spritzgusswerkzeuges 1 vorgesehene Einzugseinheit 2 mit einem linearen oder schwenkbaren Arm durch das Spritzgusswerkzeug 1 hindurch und wickelt mittels des an einer der Einzugseinheit 2 gegenüberliegenden Seite vorgesehenen Fördersystems 5 das auf einer Materialrolle 6 angeordnete Formgedächtniselement 3 ab und zieht das Formgedächtniselement 3 im Zusammenspiel mit dem Fördersystem 5 automatisiert in das Spritzgusswerkzeug 1 ein. Nach Erreichen der Solllage des Formgedächtniselementes 3 in der Kavität 4 des Spritzgusswerkzeuges 1 erfolgt eine Klemmung des Formgedächtniselements 3 durch ein vorzugsweise vorgesehenes elektromagnetisches Klemmsystem 7. Das elektromagnetische Klemmsystem 7 muss dabei so ausgelegt werden, dass nicht näher dargestellte Greifbacken keine zusätzlichen thermischen Einflüsse in das Formgedächtniselement 3 einleiten, aber dass auch gleichzeitig eine ausreichende Haltekraft gewährleistet wird. Um das Formgedächtniselement 3 über eine freie Eingreifstelle in eine weitere Klemmbacke in das Klemmsystems 7 einzulegen, ist ein insbesondere trichterförmiges Element 8 vorgesehen.
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Dazu muss die hier vorgesehene zweite Klemmbacke des Klemmsystems 7 so geschaltet werden, dass das Formgedächtniselement 3 nur von der Materialrolle 6 in die Kavität 4 des Spritzgusswerkzeuges 1 eingezogen wird. Eine Auskopplung des Formgedächtniselementes 3 in der Spritzgussform erfolgt dabei bei gleichzeitigem Anzug der ersten Klemmbacke an der Materialrolle 6. Nach dem automatisierten Einziehen und Einlegen des Formgedächtniselementes 3 in die Kavität 4 im Spritzgusswerkzeug 1 in Sollpositiion erfolgt eine Befestigung des Formgedächtniselementes 3.
Nach dem Einziehen des Formgedächtniselementes 3 in das Spritzgusswerkzeug 1 wird der flüssige Kunststoff in die Kavität 4 des Spritzgusswerkzeuges 1 eingespritzt und nach dem Erkalten des Kunststoffes wird vor dem automatisierten Auswerfen des gegossenen Formgedächtnisaktors 10 aus der Kavität 4 das Formgedächtniselement 3 abgeschnitten. Das erfolgt mittels einer in Verbindung mit dem Klemmsystem 7 und dem trichterförmigen Element 8 stehenden Trennscheideeinrichtung 9.
Als besondere Herausforderung der Formgedächtnistechnik ist dabei der mechanische Zustand des Formgedächtniselements 3 zu sehen. Bei dem Einzugsprozess ist darauf zu achten, dass das Formgedächtniselement 3 nicht überdehnt wird. Hierzu muss der Einzugsvorgang messtechnisch erfasst und im Hinblick auf ein Optimum an Einzugszeit und Reproduzierbarkeit geregelt werden. Da sich das Formgedächtniselement 3 während des Spritzgussprozesses im austenitischen Zustand befindet, muss nach dem Spritzgussprozess das Formgedächtniselement 3 vorgedehnt werden. Dadurch wird das Material des Formgedächtniselements 3 vom austenitischen Zustand in den martensitischen entzwillingten Zustand überführt.
Der gegossene Formgedächtnisaktor 10 (siehe 2) weist deshalb ein Vordehnelement 11 zum Vordehnen des eingegossenen Formgedächtniselements 3 auf. Das im wesentlichen L-förmig ausgebildete Vordehnelement 11 wird im Spritzgussprozess direkt an ein Mittelteil des Formgedächtnisaktors 10 angegossen und ist mit einem als elastischen Steg 12 ausgebildeten Schenkel mit dem Formgedächtnisaktor 10 verbunden. Dadurch wird es möglich, das Vordehnelement 11 zum Vorspannen des Formgedächtniselementes 3 in eine Aussparung 13 des Formgedächtnisaktors 10 einzufügen, bis eine Nase 14 des Vordehnelementes 11 in eine Ausnehmung 15 des Formgedächtnisaktors 10 einrastet (siehe 3). Durch das Einbringen des Vordehnelementes 11 wird ein Endteil 16 des Formgedächtnisaktors 10, in welchem das Formgedächtniselement 3 eingegossen ist, nach außen gedrückt und so das an einem hebelartig ausgebildeten Stellelement 17 mittels eines Befestigungselementes 18 befestigte Formgedächtniselement 3 vorgedehnt und nach dem Spritzgussprozess in den martensitischen entzwillingten Zustand versetzt. Der Formgedächtnisaktor 10 ist damit einsatzbereit.
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In den 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Formgedächtnisaktors 19 dargestellt, bei dem das drahtförmig ausgebildete Formgedächtniselement 3 durch Spritzgießen in den aus Kunststoff ausgebildeten Formgedächtnisaktor 19 integriert ist. Der Formgedächtnisaktor 19 ist in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen U-förmig ausgebildet und das drahtförmig ausgebildete Formgedächtniselement 3 ist dabei an den Enden der beiden Schenkel 20,21, die von einer Basis 22 abragen, eingegossen. Das Formgedächtniselement 3 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls für den Spritzgussprozess in dem ausgelösten, austenitischen Zustand, da die Spritzgusstemperatur des in das Spritzgusswerkzeug 1 einzufüllenden flüssigen Kunststoffes oberhalb der austenitischen Temperatur des Formgedächtniselementes 3 liegt.
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Der gegossene U-förmig ausgebildete Formgedächtnisaktor 19 (siehe 4) weist an der Basis 22 ein angegossenes Halteelement 23 mit einer Öffnung 24 auf, in das ein am Formgedächtniselement 3 angeordnetes Stellglied 25 mit dem Rastelement 26 mittels einer außerhalb des gegossenen Formgedächtnisaktors 19 vorgesehenen Vordehneinheit 27 (siehe 5) in die Öffnung 24 des Halteelementes 23 gedrückt wird und dort einrastet.
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5 zeigt das Formgedächtniselement 3 im vorgedehnten Zustand. Durch diese Vordehnung wird das während des Spritzgussprozesses im austenistischen Zustand vorliegende Formgedächtniselement 3 in den martensitischen entzwillingten Zustand für einen späteren Einsatz überführt. Der Formgedächtnisaktors 19 kann mittels Verbindungselementen 28,29,30,31 an weitere Nachfolgesysteme angekoppelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spritzgusswerkzeug
- 2
- Einzugseinheit
- 3
- Formgedächtniselement
- 4
- Kavität des Spritzgusswerkzeugs
- 5
- Fördersystem
- 6
- Materialrolle
- 7
- Klemmsystem
- 8
- trichterförmiges Element
- 9
- Trennschneidvorrichtung
- 10
- Formgedächtnisaktor
- 11
- Vordehnelement
- 12
- elastischer Steg
- 13
- Aussparung
- 14
- Nase des Vordehnelementes
- 15
- Ausnehmung des Formgedächtnisaktors
- 16
- Endteil
- 17
- Stellelement des Formgedächtnisaktors
- 18
- Befestigungselement
- 19
- Formgedächtnisaktor
- 20
- Schenkel des Formgedächtnisaktors
- 21
- Schenkel des Formgedächtnisaktors
- 22
- Basis des Formgedächtnisaktors
- 23
- Halteelement
- 24
- Öffnung im Halteelement
- 25
- Stellelement
- 26
- Rastelement
- 27
- Vordehneinheit
- 28
- Verbindungselement
- 29
- Verbindungselement
- 30
- Verbindungselement
- 31
- Verbindungselement
