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Die Erfindung betrifft eine Formgedächtnisaktuatoranordnung mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Formgedächtnisaktuatoranordnung.
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Formgedächtnismaterialien weisen eine Hochtemperaturphase (Austenit) und eine Niedrigtemperaturphase (Martensit) auf, die aufgrund unterschiedlicher Kristallstrukturen eine reversible Gestaltänderung beim Durchlaufen eines Temperaturzyklus ermöglichen. Wird ein Formgedächtnismaterial zunächst im martensitischen Zustand pseudoplastisch verformt und dann über die Phasenumwandlungstemperatur erwärmt, resultiert eine dem Austenitgefüge zugeordnete einmalige Formänderung. Bei einer nachfolgenden Abkühlung kehrt das Material im Allgemeinen nicht mehr in den ursprünglichen Verformungszustand der Martensitphase zurück, da die Phasenumwandlung lediglich zu intrinsischen Gitteränderungen (verzwillingter Martensit) führt. Mithin müssen zusätzliche Kräfte von außen auf das Material einwirken, um wieder die ursprüngliche Ausgangsform in der Kalttemperaturphase zu bewirken. Ein solches auf dem Einweg-Effekt basierendes Formgedächtnismaterial kann daher nur dann aktorisch verwendet werden, wenn zwei entgegengesetzt laufende Aktoren als Agonist- und Antagonist-Stellelemente verwendet werden.
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Werden mehrere Temperaturzyklen durchlaufen und ein Gegenstand aus einem Formgedächtnismaterial beim Abkühlen immer in die gleiche, definierte Formgestalt gezwungen, entsteht durch Verspannungen im Material ein Formtraining, sodass die antrainierte Kaltform durch den Zweiweg-Effekt am Ende eines Temperaturzyklus wieder eingenommen wird. Allerdings kann mit dem Zweiweg-Effekt beim Abkühlen die gewünschte Form nur dann wiedererlangt werden, wenn keine wesentlichen äußeren Kräfte der Gestaltveränderung entgegenwirken, sodass für Formgedächtnisaktuatoranordnungen auch für Zweiweg-Formgedächtnismaterialien eine Agonist-Antagonist-Bauweise bevorzugt wird. Das Eintrainieren bestimmter Bewegungsmuster bleibt aber auch für derartige Anordnungen wesentlich und zwar immer dann, wenn Freibereiche und eingespannte Bereiche, beispielsweise Umlenkungsstellen, am Formgedächtnisaktuator vorliegen. Durch ein Eintrainieren der Bewegungsfähigkeit in der konkreten Einspannlage können Reibungseffekte minimiert und infolge die Effizienz der Stellbewegung sowie die Standzeit erhöht werden.
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Als Werkstoffe für Formgedächtnisaktoren werden typischerweise Nickel-Titan-Legierungen und Nickel-Titan-Kupfer-Legierungen verwendet. Des Weiteren sind Formgedächtnismaterialien auf der Basis von CuZn, CuZnAl, CuAINi, FiNiAI, FeMnSi und ZnAuCu sowie Formgedächtnispolymere bekannt. Dabei zeigen sich Formgedächtnislegierungen durch ein hohes spezifisches Arbeitsvermögen sowie eine hohe Lastzyklenanzahl aus.
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Zum Erwärmen eines Formgedächtnisaktors über die Phasenumwandlungstemperatur kann Wärme von außen durch ein Heizmedium zugeführt werden. Alternativ wird die Temperaturänderung durch eine Bestromung erzielt. Wesentlich ist dabei eine homogene Temperaturführung im Material, sodass typischerweise dünnwandige, längliche Strukturen, wie Drähte aus Formgedächtnismaterial oder Bänder, verwendet werden. Diese bieten aufgrund einer großen Oberfläche auch den Vorteil einer schnellen Abkühlung, sodass insgesamt der Temperaturzyklus mit hoher Geschwindigkeit durchlaufen werden kann und somit schnelle Aktorreaktionen möglich werden.
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Um die Vorteile von Drähten oder Bändern aus Formgedächtnismaterial auch für Anwendungen, die höhere Stellkräfte erfordern, ausnutzen zu können, ist die Anwendung von Geflechten oder Geweben aus Formgedächtnisdrähten bekannt. Hierzu wird beispielhaft auf
DE 4307593 C1 verwiesen. Ferner wurde durch
DE 102011112966 A1 und
DE 102011112965 A1 die Herstellung einer Gitterstruktur in Form von Maschen oder Webware aus einem Formgedächtnisdraht zur Ausbildung eines kombinierten Aktors vorgeschlagen. Des Weiteren sind Formgedächtnis-Gewebeelemente zur Herstellung medizinischer Implantate beispielsweise aus
EP 1574169 B1 ,
EP 1790297 B1 und
DE 4219949 A1 bekannt. Derartige Anordnungen dehnen sich unter der Wirkung der Körpertemperatur von einer komprimierten Einführungsgestalt in eine dreidimensionale Zielgestalt aus und sind nicht auf die Erfordernisse eines zyklisch arbeitenden Stellaktors ausgelegt.
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Des Weiteren ist die Einbringung von Formgedächtnismaterialien in Funktionstextilen oder allgemein dehnbare Materialien bekannt. Beispielhaft wird auf
EP 1850359 B1 ,
EP 0364869 B1 ,
EP 1644564 B1 ,
WO 2005050409 A2 ,
EP 2136858 B1 ,
WO 2011066224 A2 verwiesen. Dabei ist aus
EP 3015581 A1 und
JP H08209488 A die Temperierung eines Formgedächtnisdrahts für das Einweben in Textilien bekannt. Genutzt wird dabei die Hochtemperaturphase, die ein pseudoelastisches Verhalten zeigt. Dieser auch als Superelastizität bezeichnete Effekt beruht auf einer spannungsinduzierten Umwandlung der Austenitphase in Martensit, die mit einer außergewöhnlichen, reversiblen elastischen Verformbarkeit verbunden ist. Zusätzlich ist bekannt, das pseudoelastische Verhalten mittels in ein Faserkompositmaterial eingebetteten Formgedächtniselementen zur Schwingungsdämpfung zu verwenden. Anwendungsfelder bieten die Luft- und Raumfahrt sowie Sportartikel. Als Beispiel wird auf
US 8951923 B2 ,
WO 1999020357 A1 und
EP 2028309 B1 verwiesen.
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Für Formgedächtnisaktoren führt das Einbetten des Formgedächtnismaterials in ein Gestrick, Gewebe oder Komposit zu einer Verringerung der Kraftdichte sowie der Anzahl der möglichen Lastzyklen. Derselbe Nachteil ergibt sich auch für die voranstehend beschriebenen gemaschten oder in Form von Gittern aus Einzeldrähten angelegten Formgedächtnisaktoren. Für diese tritt bei einer Aktivierung durch Bestromung die zusätzliche Schwierigkeit auf, dass bei der Verwendung thermisch vorteilhafter, nicht elektrisch isolierter Formgedächtnislegierungen an den Knotenpunkten eine Vielzahl elektrischer Verbindungsstellen auftreten, die zu einem undefinierten Stromfluss und damit unter Umständen zu einer inhomogenen Erwärmung des gesamten Formgedächtnisaktors führen. Daher werden für Formgedächtnisaktoranordungen mehrere parallel und ohne Nachbarberührung verlaufende Stellglieder aus einem Formgedächtnismaterial bevorzugt. Beispielhaft wird auf
US 51 86420 A und
EP 1557563 A1 verwiesen. Ferner schlägt
DE 19529712 C2 vor, für eine derartige Anordnung mit mehreren parallel verlaufenden Stellgliedern ein einteiliges Formgedächtniselement in Form eines Drahtes zu verwenden und dieses mehrfach um mindestens zwei Umlenkkörper zu wickeln. Dabei weisen die Umlenkkörper an dem für die Drahtberührung vorgesehenen Bereich eine Nutanordnung auf, die für die Montage ein präzises Wickeln zum Einführen des Drahts mit einer hinreichenden Zugspannung voraussetzt. Entsprechend offenbart
DE 19730383 B4 helikale Führungsnuten an einem zylindrischen Umlenkkörper, die durch einen Gangversatz in Axialrichtung beim Umwickeln des Umlenkkörpers eine Parallelführung der Stellglieder im anschließenden Freilaufbereich ermöglichen. Derartig formschlüssig angelegte Aufnahmen am Umlenkkörper setzen eine präzise Drahtführung bei der Montage voraus, die vielfach nur durch aufwendige Handarbeit bewerkstelligt werden kann.
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Ferner schlägt die voranstehend genannte
DE 19730383 B4 vor, die Anordnung aus Umlenkkörpern mit den um diese mehrfach gewundenen, einteiligen Formgedächtniselementen in Form eines Formgedächtnisdrahts als einteilig zu handhabende Baueinheit anzulegen, die ein Training des Formgedächtnisdrahts unter Berücksichtigung des späteren Benutzungszustands ermöglicht. Allerdings setzen die formschlüssig und halbseitig offen angelegten Drahtaufnahmen an den Umlenkkörpern voraus, dass ständig ein nach außen gerichteter Zug auf die Umlenkkörper aufrechterhalten wird, der den Formgedächtnisdraht permanent unter Spannung hält. Dies erfordert ein zusätzliches Spannelement, das die Komplexität und den Handhabungsaufwand der Anordnung erhöht. Des Weiteren ist aus
US 20040261411 A1 bekannt, mehrere parallel angeordnete Starrelemente seriell durch Formgedächtniselemente zu verbinden, sodass eine Aktor mit großem Hub entsteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Formgedächtnisaktuatoranordnung anzugeben, die eine automatisierte Fertigung ermöglicht und die zu einem als Ganzes handhabbaren Bauelement führt, das ohne Zusatzspannvorrichtungen lagerbar ist und das als Fertigteil in eine Getriebekinematik eingeführt werden kann, insbesondere als Teil einer Aktordoppelanordnung zum Erzielen einer Agonist-Antagonist-Bauweise.
Des Weiteren ist ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Formgedächtnisanordnung anzugeben, das einen hohen Automatisierungsgrad und eine flexible Skalierbarkeit ermöglicht.
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Ausgangspunkt der Erfindung war eine Formgedächtnisaktuatoranordnung, für die ein einteiliges Formgedächtniselement, typischerweise ein Formgedächtnisdraht oder ein Band aus einem Formgedächtnismaterial mehrfach um Umlenkkörper gewickelt wird. Für eine einfache lineare Aktoranordnung liegt ein erster Umlenkkörper und ein hiervon beabstandeter zweiter Umlenkkörper vor. Denkbar sind auch mehr als zwei Umlenkkörper, sodass dreieckförmige oder allgemein polygonale Anordnungen der Umlenkkörper im Raum einbezogen sind. Jedem der Umlenkkörper ist mindestens ein Befestigungselement zugeordnet, zu dem der Umlenkkörper in unmittelbarer Verbindung steht und das zur Aus- und Einleitung der aktorischen Kräfte im verbauten Zustand auf die umgebende Struktur dient.
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Das einteilige Formgedächtniselement ist bevorzugt an mindestens zwei Punkten an einem oder beiden der Umlenkkörper befestigt. Als Befestigungen kommen kraft- oder form- oder stoffschlüssige Verbindungen in Betracht, die geeignet sind, den auftretenden Aktorkräften standzuhalten. Für eine bevorzugte Ausführung dient diese Befestigung zusätzlich zur Kontaktierung mit einer Stromzuführung, um ein elektrisches Aufheizen des einteiligen Formgedächtniselements zu ermöglichen. Je nach gewählter Drahtlänge des einteiligen Formgedächtniselements sind weitere Stromeinspeisungspunkte, die typischerweise an einem der Umlenkkörper angeordnet sind, denkbar.
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Wird die Anordnung des einteiligen Formgedächtniselements nach der Umwicklung von mindestens zwei Umlenkkörpern betrachtet, liegen an jedem der Umlenkkörper eine erste Stellgliedanordnung mit ersten Stellgliedern in einer ersten Aktorebene vor. Dabei verlaufen die ersten Stellglieder typischerweise parallel und werden bevorzugt für ein nichtisoliertes Formgedächtniselement mit einem Querabstand angeordnet. Zusätzlich liegt an jedem der Umlenkkörper eine zweite Stellgliedanordnung mit zwei wiederum typischerweise parallel verlaufenden Stellgliedern in einer zweiten Aktorebene vor. Für eine einfache Linearanordnung mit zwei gegenüberliegenden Umlenkkörpern mit einer übereinstimmenden Achsenorientierung befinden sich die erste Aktorebene und die zweite Aktorebene parallel beabstandet zueinander. Im Fall von drei oder mehr Umlenkkörpern stehen die erste und die zweite Aktorebene für jeden Umlenkkörper in Winkelstellung zueinander.
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Zur Verbesserung der Formgedächtnisaktuatoranordnung haben die Erfinder erkannt, dass eine vereinfachte, automatisierbare Montage dann gegeben ist, wenn das einteilige Formgedächtniselement bei der Umwicklung nicht in Nutführungen in den Umlenkkörpern eingelegt werden muss. Um dennoch eine definierte Umwicklung und präzise Abstandsführung insbesondere für die Verwendung von Formgedächtniselementen ohne elektrische Isolierung sicherzustellen, wird vorgeschlagen, ein separates Fixierungselement vorzusehen, das eine verliersichere Verbindung der aus der Umwicklung resultierenden Stellglieder bewerkstelligt, ohne wesentlich aktorische Kräfte zu übertragen, die ausschließlich von den Umlenkkörpern aufgenommen werden. Zu diesem Zweck ist das Fixierungselement im Bereich eines Umlenkkörpers angeordnet und umfasst wenigstens einen Fixierungsabschnitt, der sich direkte ohne Berührung zum Umlenkkörper in der ersten Aktorebene mit den ersten Stellgliedern und/oder der zweiten Aktorebene mit den zweiten Stellgliedern erstreckt. Dabei ist ein Fixierungsabschnitt so ausgebildet, dass die in der jeweiligen Aktorebene verbundenen Stellglieder einen definierten und festgelegten Querabstand aufweisen. Unter Querabstand wird der Abstand quer zur Berührungslinie der Umwicklung am jeweiligen Umlenkkörper verstanden. Folglich verläuft die für den Abstand relevante Querrichtung für das Beispiel eines zylindrischen Umlenkkörpers axial. Zusätzlich soll die Verbindung zwischen dem Fixierelement und den zugeordneten Stellgliedern so verliersicher ausgebildet sein, dass nach der Montage ein permanenter Zug auf die Stellglieder wegfallen kann, ohne dass die Umwicklungsanordnung an einem Ablenkkörper funktionswesentlich verändert wird.
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Unter einer verliersicheren Verbindung wird vorliegend eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung verstanden, die so angelegt ist, dass auch ohne eine Zugkraft auf die Stellglieder und unabhängig von der Wirkung der bei der Handhabung und Lagerung auftretenden Kräfte die wechselseitige Lage der Stellglieder in der jeweiligen Aktorebene und relativ zum zugeordneten Umlenkkörper nicht funktionswesentlich verändert wird. Bevorzugt wird eine verliersichere Verbindung, die jedes Stellglied über die Hälfte seines Umfangs umschließt und besonders bevorzugt wird eine Ausnahme über den Gesamtumfang wenigstens für einen Teilabschnitt des Fixierungselements. Für eine bevorzugte Ausgestaltung erstreckt sich die verliersichere Verbindung über einen hinreichend großen Bereich in Verlaufsrichtung der Stellglieder. Daher ist bevorzugt die Ausdehnung des Fixierungsabschnitts in der jeweiligen Aktorebene in die gemittelte Verlaufsrichtung der verliersicher verbundenen Stellglieder so gewählt, dass diese mehr als das zehnfache des Durchmessers eines Stellgliedes beträgt. Als Obergrenze der Ausdehnung des Fixierungsabschnitts in die gemittelte Verlaufsrichtung der Stellglieder wird bevorzugte maximal 15 % und besonders bevorzugt 10% der Gesamtlänge der Stellglieder gewählt. Ferner ist bevorzugt den Fixierungsabschnitt so im Bereich eines zugeordneten Umlenkkörpers anzuordnen, dass der Fixierungsabschnitt ausgehend vom Umlenkkörper im ersten Drittel des Verlaufs der zugeordneten Stellglieder liegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform legt das Fixierungselement zusätzlich zur Definition der Querabstände nebeneinanderliegender Stellglieder auch die Axiallage der zu einer Aktorebene gehörenden Stellglieder relativ zum zugeordneten Umlenkkörper fest. Unter der Axiallage wird vorliegend die Anordnung in Richtung der Berührungslinie der Stellglieder am Umlenkkörper verstanden. Besonders bevorzugt wird zu diesem Zweck der Fixierungsabschnitt in Querrichtung verspannt. Hierzu können die Umlenkkörper an ihren axialen Enden angeordnete Halterungen umfassen, die zur Befestigung und Verspannung des Fixierabschnitts dienen.
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Zur Ausführung der Fixierungselemente umfassen diese bevorzugt Fixierungsabschnitte aus einem Gewebe, einem Gestrick, einem Vlies, einem Elastomer oder einem Faserkompositmaterial in die die verliersicher zu verbindenden Stellglieder aufgenommen werden. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sehen an den Fixierungsabschnitten Halterungsclipse für die Stellglieder vor. Für eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsalternative wird die verliersichere Verbindung durch eine Verklebung oder Verschweißung bewirkt.
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Besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltung des Fixierungselements als Gewebe, für das die Kette in Querrichtung, das heißt längs zum Umlenkkörper, verläuft und dessen Schuss das einteilige Formgedächtniselement umfasst. Mithin bilden die Stellglieder Schussfäden des Gewebes, wobei zur Beabstandung in Querrichtung bevorzugt weitere Schussfäden aus einem Nicht-Formgedächtnismaterial verwendet werden. Diese weisen vorteilhaft eine hohe Elastizität auf, sodass aktorische Kräfte nahezu ausschließlich von den Stellgliedern aus Formgedächtnismaterial auf die Umlenkkörper übertragen werden, wobei für die aus Verformungen des Fixierungselements resultierenden Kräfte in Verlaufsrichtung der Stellglieder auf den Umlenkkörper, die höchstens 5 % und bevorzugt weniger als 2 % des maximalen, kombinierten Zugs der Stellglieder einer Aktorebene betragen, noch tolerabel ist. Besonders bevorzugt wird daher ein Fixierungselement, das eine größere Elastizität in Verlaufsrichtung der verliersicher verbundenen Stellglieder im Vergleich zur Elastizität quer zur Verlaufsrichtung aufweist. Bei einer Ausbildung als Gewebe wird vorteilhafterweise eine hochfeste Kette und wesentlich höher elastische, zusätzliche Schussfäden aus einem Nicht-Formgedächtnismaterial in den sich in Querrichtung erstreckenden Beabstandungsabschnitten zwischen den Stellgliedern verwendet.
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Für eine bevorzugte Weitergestaltung der Erfindung liegen an einem Umlenkkörper sowohl ein erster Fixierungsabschnitt für die ersten Stellglieder in der ersten Aktorebene als auch ein zweiter Fixierungsabschnitt für die Stellglieder der zweiten Aktorebene vor. Diese Anordnung ermöglicht in Verbindung mit einer Verspannung längs zum Umlenkkörper, die die Axiallage der jeweiligen Fixierungsabschnitte festlegt, einen axialen Versatz zwischen den Stellgliedern der ersten Aktorebene und jener der zweiten Aktorebene. Dies führt zu einer helikal angelegten Umwicklung um den Umlenkkörper, die eine parallele Führung der Stellglieder in der jeweiligen Aktorebene ermöglicht, ohne dass ein entsprechend schraubenförmig gestaltetes Nutsystem im Umlenkkörper angelegt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Formgedächtnisanordnung sieht vor, dass nach jeder ausgeführten Wicklung des einteiligen Formgedächtniselements um einen Umlenkkörper das durch diese Wicklung entstandene Stellglied in der ersten Aktorebene und/oder das entsprechende Stellglied in der zweiten Aktorebene mit mindestens einem durch eine vorausgehende Wicklung entstandenen Stellglied der gleichen Aktorebene durch das Fixierungselement verbunden wird.
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Für die bevorzugte Ausgestaltung eines Fixierungselements in Form eines Gewebes wird mittels eines Webautomaten für eine vorteilhafte Ausführung das Formgedächtniselement auf einem Wickelkern unter Zug geführt und zusätzlich zur Temperierung bestromt. Nach der Teilumwicklung kleiner als 180° um einen Umlenkkörper liegt der Formgedächtnisdraht unter Zug an einem Scheitelpunkt des Umlenkkörpers in einer definierten Stellung an und ist zusätzlich durch ein geöffnetes Fach der Kette geführt. Sodann erfolgt eine Umstellung der Webschäfte und eine Bewegung des Webblatts, die zu einer verliersicheren Verbindung mit dem Fixierungselement durch Einweben führt. Mithin wird eine weitere Gewebelage des Fixierungselements gebildet, in die der Drahtabschnitt des Formgedächtniselements eingebettet ist. Entsprechend kann die Einarbeitung in ein offenes Fach eines der zweiten Aktorebene zugeordneten Gewebe- und Fixierungsabschnitts erfolgen, wobei bevorzugt der Zug bei der Umwicklung um den Umlenkkörper auf das einteilige Formgedächtniselement solange aufrechterhalten wird, bis durch das Einweben des Abschnitts des jeweiligen Stellglieds die verliersichere Verbindung sichergestellt ist. Zu diesem Zweck können temporäre Fixierungen, die auf einen Wicklungsabschnitt des Formgedächtniselements am Umlenkkörper wirken, vorgesehen sein. Denkbar ist auch eine punktuelle Befestigung an den Scheitelpunkten der Anlage des Formgedächtniselements am Umlenkkörper, die beispielsweise durch Laserschweißen oder eine punktgenau dosierte Kleberauftragung bewerkstelligt werden kann. Für eine weitere Ausgestaltungsalternative wird eine lösbare stoffschlüssige Verbindung vorgesehen, beispielsweise eine temporäre Verklebung, die nach der verliersicheren Aufnahme eines Stellglieds im Fixierungsabschnitts des Fixierungselements wieder entfernt werden kann, sodass für die Formgedächtnisaktuatoranordnung im Betrieb ein gewisses Spiel in den Umwicklungsbereichen des Formgedächtniselements um die Umlenkkörper erhalten bleibt.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren wird als bevorzugter weiterer Verfahrensschritt nach der verliersicheren Verbindung der Stellglieder im zugeordneten Fixierungsabschnitt des Fixierungselements das Fixierungselement als Ganzes bezüglich seiner Relativlage zum Umlenkkörper festzulegt. Zu diesem Zweck erfolgt bevorzugt eine wenigstens mittelbare Befestigung des Fixierungselements am zugeordneten Umlenkkörper. Besonders bevorzugt erfolgt eine Verspannung in Querrichtung zwischen Halterungen, die an den Enden des zugeordneten Umlenkkörpers angeordnet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und in Verbindung zu Figurendarstellungen genauer erläutert. Diese zeigen im Einzelnen Folgendes:
- 1 zeigt eine erfindungsgemäße Formgedächtnisaktuatoranordnung,
- 2 zeigt eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einer Formgedächtnisaktuatoranordnung,
- 3 zeigt eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
- 4 zeigt eine Schnittansicht einer linearen Ausführung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung,
- 5 zeigt eine dreiecksförmig angeordnete weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung im Axialschnitt,
- 6 zeigt eine Weitergestaltung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung mit einer Doppelwicklung im Axialschnitt,
- 7 zeigt eine Weitergestaltung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung.
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1 zeigt in schematisch vereinfachter Ansicht eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung mit einem ersten Umlenkkörper 1 und einem zweiten Umlenkkörper 2, die voneinander beabstandet und parallel orientiert sind. Der erste Umlenkkörper 1 und der zweite Umlenkkörper 2 sind als Hohlzylinderelemente aus einem elektrischen Isolator, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK), ausgebildet. Die Längsachsen des ersten Umlenkkörpers 1 und des zweiten Umlenkkörpers 2 liegen parallel zueinander und definieren eine Axialrichtung 13. Durch Innenbohrungen im ersten Umlenkkörper 1 und im zweiten Umlenkkörper 2 sind Metallstäbe mit Überstand zur Ausbildung eines ersten Befestigungselements 3, das dem ersten Umlenkkörper 1 zugeordnet ist, und eines zweiten Befestigungselements 4, das dem zweiten Umlenkkörper 2 zugeordnet ist, geführt. Diese dienen zur Übertragung der aktorischen Kräfte.
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Ein einteiliges Formgedächtniselement 6 in Form eines elektrisch nicht isolierten Nickel-Titan-Drahts ist an seinem Ende an Crimphalterungen 20, 21 am ersten Umlenkkörper 1 befestigt und wird über die elektrischen Zuleitungen 22, 23 für das Beheizen mit elektrischem Strom versorgt.
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Durch die dargestellte Mehrfachumwicklung des einteiligen Formgedächtniselements 6 um den ersten Umlenkkörper 1 und den zweiten Umlenkkörper 2 entsteht eine Parallelanordnung von ersten Stellgliedern 7.1 - 7.n in einer ersten Aktorebene 8. Jedes der ersten Stellglieder 7.1 - 7.n reicht von einem ersten Berührungspunkt entlang der oberen Scheitellinie 30 am ersten Umlenkkörper 1 bis zu einem im Einzelnen nicht dargestellten gegenüberliegenden Scheitelpunkt, der die Anlage am zweiten Umlenkkörper 2 definiert. Für die dargestellte bevorzugte Ausgestaltung liegen die ersten Stellglieder 7.1 - 7.n parallel zueinander und berühren sich nicht, sodass auch für ein elektrisch nicht isoliertes einteiliges Formgedächtniselement 6 ein definierter Stromverlauf beim Aufheizen zwischen den endseitigen Stromeinspeisepunkten an den Crimphalterungen 20, 21 sichergestellt ist.
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Durch die Umwicklung des einteiligen Formgedächtniselements 6 um den ersten Umlenkkörper 1 und den zweiten Umlenkkörper 2 entsteht eine zweite Aktorebene 10 mit zweiten Stellgliedern 9.1 - 9.n, die entsprechend parallel und ohne wechselseitige Berührung verlaufen. Dabei ist die Umwicklungsführung des einteiligen Formgedächtniselements 6 um den ersten Umlenkkörper 1 und den zweiten Umlenkkörper 2 bevorzugt helikal angelegt, das heißt zwischen den Berührungspunkten an der oberen Scheitellinie 30 und der im Einzelnen nicht dargestellten unteren Scheitellinie liegt ein Gangversatz in axialer Richtung 13 vor, sodass sichergestellt ist, dass die ersten Stellglieder 7.1 - 7.n und die zweiten Stellglieder 9.1 - 9.n durch einen Parallelverlauf eine übereinstimmende Zugkraftrichtung aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird die Anlage und Sicherung der Anordnung der ersten Stellglieder 7.1 - 7.n und der zweiten Stellglieder 9.1 - 9.n sowie der Umwicklung am ersten Umlenkkörper 1 und am zweiten Umlenkkörper 2 durch ein separates Fixierungselement 11.1 - 11.4 sichergestellt. Erfindungsgemäß umfasst das Fixierungselement 11.1 - 11.4 einen Fixierungsabschnitt 12.1,12.3, 12.4, der nicht in direkter Berührung zum ersten Umlenkkörper 1 und zum zweiten Umlenkkörper 2 steht.
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Für die in 1 gezeigte Ausgestaltung stellt der erste Fixierungsabschnitt 12.1 eine verliersichere Verbindung der ersten Stellglieder 7.1 - 7.n im Bereich des ersten Umlenkkörpers 1 her, wobei aufgrund einer Einspannung zwischen den Halterungen 14.1, 14.2 der lotrechte Abstand benachbarter erster Stellglieder 7.1 - 7.5 in Axialrichtung 13, der als Querabstand bezeichnet wird, festgelegt ist. Entsprechend sind die zweiten Stellglieder 9.1 - 9.n durch einen in 1 verdeckten Fixierungsabschnitt verliersicher mit einem festgelegten Querabstand in der zweiten Aktorebene 10 im Bereich des ersten Umlenkkörpers 1 verbunden. Eine entsprechende Anordnung liegt am zweiten Umlenkkörper 2 mit dem Fixierungsabschnitt 12.3, der die ersten Stellglieder 7.1 - 7.n verliersicher verbindet, und dem Fixierungsabschnitt 12.4, zur verliersicheren Verbindung der zweiten Stellglieder 9.1 - 9.n, vor.
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Durch die erfindungsgemäße Formgedächtnisaktuatoranordnung werden aktorische Zugkräfte durch die ersten Stellglieder 7.1 - 7.n und zweiten Stellglieder 9.1 - 9.n direkt auf die Umlenkkörper 1, 2 übertragen und eine Lagefixierung der Umwicklung mit dem einteiligen Formgedächtniselements 6 durch die separaten Fixierungselemente 11.1 - 11.4 erzielt, die die Aktorkräfte im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Dabei entsteht eine als Ganzes handhabbare Baugruppe, deren Herstellung aufgrund der vereinfachten Wickelbarkeit des einteiligen Formgedächtniselements 6 um Umlenkkörper 1, 2 ohne präzise zu treffende, formschlüssige Aufnahmen erleichtert ist. Entsprechend vereinfacht sich die Montage und zugleich kann die Formgedächtnisaktuatoranordnung aufgrund einer verbesserten Skalierbarkeit auf unterschiedliche Anwendungsanforderungen angepasst werden.
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2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer automatisierten Herstellung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung. Dabei wird der Fixierungsabschnitt 12.1 des Fixierungselements 11.1 in Form eines Gewebes aufgebaut. Zur Verdeutlichung ist eine einfache Leinwandwebung mit einem ersten Kettfadensystem 16 und einem zweiten Kettfadensystem 17 in schematischer Vereinfachung gezeigt. Das erste Kettfadensystem 16 und das zweite Kettfadensystem 17 werden durch hochfeste isolierende Gewebefasern, beispielsweise Aramidfasern, gebildet. Das über einen Wickelkern 18 geführte einteilige Formgedächtniselement 6 wird als Schussfaden 19 in das Gewebe 15 aufgenommen. Dargestellt in 2 ist ein geöffnetes Fach, das durch eine im Einzelnen nicht dargestellte Führung des ersten Kettfadensystems 16 und des zweiten Kettfadensystems 17 entsteht. Ebenfalls nicht dargestellt sind weitere Komponenten der verwendeten Webmaschine sowie zusätzliche Vorrichtungen zum Handhaben des Wickelkerns 18 und ein Greifsystem für den den jeweiligen Schuss bildenden Abschnitt des einteiligen Formgedächtniselements 6, der beim Einweben durch eine Bestromung in den Austenitzustand zur Ausnutzung des pseudoelastischen Verhaltens überführt wird.
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Für das Gewebe 15 liegen zwischen jedem der direkt benachbarten ersten Stellglieder 7.1 - 7.n Distanzelemente in Form aufgespannter Zwischengewebe 41. Mithin werden weitere Schussfäden 19.1 ohne aktorische Funktion in das Gewebe eingebracht, die bevorzugt eine höhere Elastizität als die Fäden des ersten und zweiten Kettfadensystems 16, 17 aufweisen. Dadurch wird Einfluss auf die aktorischen Zugkräfte längs der ersten Stellglieder 7.1 - 7.n verringert und die Distanzfestlegung der Stellglieder 7.1 - 7.n in Querrichtung sichergestellt.
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3 zeigt eine Ausgestaltungsalternative für ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren. Als Fixierungsabschnitt 12.1 des Fixierungselements 11.1 wird eine an der Halterung 14.1 befestigte Elastomermembran 29 mit eingearbeiteten Versteifungskörpern 28.1 - 28.3 verwendet. Zur verliersicheren Verbindung eines ein erstes Stellglied 7.1 bildenden Abschnitts des einteiligen Formgedächtniselements 6 dient eine präzise aufgebrachte Verklebung, die einen Stoffschluss herstellt. Ersichtlich ist, dass von einer im Einzelnen nicht dargestellten Vorrichtung der nächste einzubindende Abschnitt des einteiligen Formgedächtniselements 6 mit Zug über die Scheitellinie 42 am ersten Umlenkkörper 1 positioniert wird. Sodann erfolgt der Auftrag von Klebstoff 25 durch einen Dosierungsaktor 24, der Klebstoffmikrotropfen erzeugt, die örtlich präzise zur stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem einteiligen Formgedächtniselement 6 und den Versteifungskörpern 28.1 - 28.3 im Fixierungsabschnitt 12.1 abgelegt werden. Für eine nicht dargestellte alternative Ausgestaltung dient ein Laserschweißverfahren zur Fixierung der ersten Stellglieder 7,1, 7.2, 7.3 an den Versteifungskörpern 28.1 - 28.3 des Fixierungsabschnitts 12.1.
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4 zeigt einen schematisch vereinfachten Axialschnitt für eine linear angelegte Ausführung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung mit einem ersten Umlenkkörper 1 und einem zweiten Umlenkkörper 2, um den das einteilige Formgedächtniselement 6 zur Ausbildung erster Stellglieder 7.1 in einer ersten Aktorebene 8 und zweiter Stellglieder 9.1 in einer zweiten Aktorebene 10 gewickelt ist. Die erste Aktorebene 8 und die zweite Aktorebene 10 weisen einen Parallelabstand H auf. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Fixierungselemente 11.1 - 11.4 umfassen Fixierungsabschnitte 12.1 - 12.4, die in Längsrichtung des ersten Stellglieds 7.1 in der ersten Aktorebene 8 bzw. in der Längsrichtung des zweiten Stellglieds 9.1 in der zweiten Aktorebene 10 jeweils einen Längsabstand 43 zur Scheitelebene 42 am ersten Umlenkkörper 1 aufweisen und wobei innerhalb dieses Längsabstands freie Weglängen 50 des ersten Stellglieds 7.1 und des zweiten Stellglieds 9.1 verlaufen. Eine entsprechende Anordnung liegt am zweiten Umlenkkörper 2 vor. Durch diese Beabstandung weisen die Fixierungsabschnitte 12.1 - 12.4 keine direkte Berührung zu den jeweiligen Umlenkkörpern 1, 2 auf. Für eine alternative, im Einzelnen nicht dargestellte Ausgestaltung können Teile, insbesondere hochelastische Komponenten, der Fixierungselemente 11.1 - 11.4 die Umlenkkörper 1, 2 unmittelbar berühren oder direkt mit diesen verbunden sein, soweit die erfindungsgemäße Kraftentkopplung der die Stellglieder 7.1, 9.1 aufnehmenden Fixierungsabschnitte 12.1 - 12.4 ohne direkte Berührung sichergestellt ist.
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Des Weiteren wird bevorzugt, die Längserstreckung der Fixierungsabschnitte 51 in Verlaufsrichtung der ersten und zweiten Stellglieder 7.1, 9.1 möglichst kurz zu halten. Besonders bevorzugt wird die gesamte Längserstreckung der Fixierungsabschnitte 51 auf maximal 15 % der Gesamtlänge der Stellglieder 7.1, 9.1 begrenzt, um die Aktorwirkung nicht einzuschränken. Dabei wird die Länge so hinreichend gewählt, dass eine verliersichere Fixierung der Stellglieder 7.1, 9.1 sowie die Festlegung der Relativlage zum jeweiligen Umlenkkörper 1, 2 sichergestellt ist. Als minimale Längserstreckung der Fixierungsabschnitte 51 wird mindestens das Zehnfache des Durchmessers der Stellglieder 7.1, 9.1 gewählt. Für lange Freiverlaufsabschnitte der Stellglieder 7.1, 9.1 wird die Anordnung eines Zwischenfixierungselements 39, das eine verliersichere Verbindung der Stellglieder 7.1, 9.1 unterschiedlicher Aktorebenen 8, 10 herstellt, bevorzugt. Derartige Zwischenfixierungselemente 39 verhindern ein Verdrillen der Stellglieder 7.1, 9.1 und erleichtern so die Handhabung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung als Baueinheit.
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5 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung mit einem ersten Umlenkkörper 1, einem zweiten Umlenkkörper 2 sowie einem dritten Umlenkkörper 44, die in der gezeigten Axialschnittansicht eine Dreiecksanordnung bilden. Entsprechend erzeugen die Stellglieder 45.1 - 45.3 eine erste Aktorebene 35, eine zweite Aktorebene 36 und eine dritte Aktorebene 37 die in Winkelstellung zueinander stehen und in denen die erfindungsgemäß vorgesehenen separaten Fixierungselemente 11.1 - 11.6 zur verliersicheren Halterung der Stellglieder 45.1 - 45.3 angeordnet sind. Für eine im Einzelnen nicht dargestellte Weitergestaltung sind mehr als drei Umlenkkörper vorgesehen, sodass eine polygonale Aktorgeometrie resultiert. Ferner sind Ausführungen denkbar, für die die Achsen der Umlenkköper nicht parallel liegen, sodass im allgemeinen Fall mehrere beabstandete Aktorebenen mit unterschiedlichen Flächennormalenrichtungen vorliegen.
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Eine weitere Ausgestaltung im vereinfacht dargestellten Axialschnitt der erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung ist in 6 gezeigt. Dargestellt ist eine Doppelwicklung mit zwei einteiligen Formgedächtniselementen 6.1, 6.2, wobei das einteilige Formgedächtniselement 6.1 den ersten Umlenkkörper 1 und den zweiten Umlenkkörper 2 direkt umwickelt. Das weitere einteilige Formgedächtniselement 6.2 wird am ersten Umlenkkörper 1 und am zweiten Umlenkkörper 2 über zusätzliche Zwischenschalen 48.1, 48.2 gewickelt, sodass insgesamt eine erste Aktorebene 35, eine zweite Aktorebene 36, eine dritte Aktorebene 37 und eine vierte Aktorebene 38 als parallele Lagen entstehen, in der die Stellglieder 45.1 - 45.4 verlaufen. Zur verliersicheren Halterung und zur Festlegung der Querabstände der Stellglieder 45.1 - 45.4 und zusätzlich der Umwicklungen an den jeweiligen Umlenkkörpern 1, 2 und an den Zwischenschalen 48.1, 48.2 werden erfindungsgemäß die Fixierungselemente 47.1 — 47.4 verwendet. Anschließend an die Freilaufabschnitte der Stellglieder 45.1 - 45.4 sind zusätzliche Zwischenfixierungselemente 39.1 - 39.2 zwischen dem ersten Umlenkkörper 1 und dem zweiten Umlenkkörper 2 angeordnet, die zur weiteren Sicherung der Stellglieder 45.1 - 45.4 eine Verbindung zwischen Stellgliedern benachbarter Aktorebenen 35, 36, 37, 38 herstellen.
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7 zeigt für eine Weitergestaltung einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Formgedächtnisaktuatoranordnung mit einer Fadenabspannung 40 zu einem die Aktorkräfte aufnehmenden Befestigungselement 49. Ersichtlich sind einzelne Fadenstränge 52.1 - 52.n, die zwischen den helikalen Umwicklungen des einteiligen Formgedächtniselements 6 am ersten Umlenkkörper 1 zusätzliche Umwicklungen mit einem hochfesten Faserbündel, vorteilhafterweise einer Aramidfaser, bilden und durch die punktuelle Fadenzusammenführung auf das Befestigungselement 49 die aktorischen Kräfte an mehreren Umwicklungsstellen entlang des Längsverlaufs des ersten Umlenkkörpers 1 aufnehmen und so eine Durchbiegung des ersten Umlenkkörpers 1 bei einer Zugbeaufschlagung durch die ersten Stellglieder 7.1 - 7.13 und die zweiten Stellglieder 9.1 - 9.13 verhindern.
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Weitere Ausgestaltungen im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche sind denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Umlenkkörper
- 2
- zweiter Umlenkkörper
- 3
- erstes Befestigungselement
- 4
- zweites Befestigungselement
- 5
- drahtabgespanntes Befestigungselement
- 6, 6.1, 6.2
- einteiliges Formgedächtniselement
- 7.1 - 7.n
- erste Stellglieder
- 8
- erste Aktorebene
- 9.1 - 9.n
- zweite Stellglieder
- 10
- zweite Aktorebene
- 11.1 - 11.6
- Fixierungselement
- 12.1, 12.2
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- 12.3, 12.4
- Fixierungsabschnitt
- 13
- Axialrichtung
- 14.1, 14.2
- Halterung
- 15
- Gewebe
- 16
- erstes Kettfadensystem
- 17
- zweites Kettfadensystem
- 18
- Wickelkern
- 19, 19.1
- Schussfaden
- 20
- Crimphalterung
- 21
- Crimphalterung
- 22
- elektrische Zuleitung
- 23
- elektrische Zuleitung
- 24
- Dosierungsaktor
- 25
- Klebstoff
- 26.1
- Klebestelle
- 28.1 - 28.3
- Versteifungskörper
- 29
- Elastomermembran
- 30
- Scheitellinie
- 31
- Scheitelabstand
- 32
- Längserstreckung
- 33
- Fixierungsbereich
- 34
- Aktorebenenabstand
- 35
- erste Aktorebene
- 36
- zweite Aktorebene
- 37
- dritte Aktorebene
- 38
- vierte Aktorebene
- 39, 39.1,
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- 39.2
- Zwischenfixierungselement
- 40
- Fadenabspannung
- 41
- Zwischengewebe
- 42
- Scheitelebene
- 43
- Längsabstand
- 44
- dritter Umlenkkörper
- 45.1 - 45.4
- Stellglied
- 46.1 - 46.2
- Aktorebene
- 47.1, 47.2
- Zwischenfixierungselement
- 48.1, 48.2
- Zwischenschale
- 49
- Befestigungselement
- 50
- freie Weglänge
- 51
- Längserstreckung der Fixierungselemente
- 52.1 - 52.n
- Fadenstrang
- H
- Parallelabstand
