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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft umkonfigurierbare Werkzeugausstattungen
für die
Fertigung von Strukturen aus Materialien, wie etwa Metallen, Keramiken
und/oder organischen Polymeren. Insbesondere betrifft die vorliegende
Offenbarung Zusammensetzungen von Materialien, die für die kostengünstige Fertigung
von Formen, Dornen oder dergleichen geeignet sind. Es ist zu erwarten,
dass diese Formen und/oder Dome am häufigsten für die Fertigung von nichtmetallischen,
Kunststoff- oder Verbundstrukturen verwendet werden.
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Bei
der Fertigung von sogenannten Verbundwerkstoffen zur Verwendung
in der Auto-, Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie sind die Werkzeugausstattungs-
und Montagekosten die hauptsächlichen
Kostentreiber. Die herkömmliche
Werkzeugausstattung für
die Fertigung von Verbundwerkstoffen hat im Allgemeinen eine feste
Geometrie und ist sehr kostspielig herzustellen. Zusätzlich hat
eine derartige Werkzeugausstattung mit fester Geometrie kurze Lebensdauern
und zeigt ungeeignete Schrumpfungseigenschaften.
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Aluminium
wird als das Material für
die Werkzeugausstattung für
die Produktion geringer Stückzahl
bis zu 100 Teilen verwendet, wohingegen Stahl als Material für die Werkzeugausstattung
für Stückzahlen über 100
Teile verwendet wird. Zur Schaffung von Master-Modellen wird im
Allgemeinen Gips verwendet, dem Holz, Modellbauplatte und Aluminium folgt.
Invar (Eisen-Nickel) ist bis zu einem gewissen Ausmaß in der
Luftfahrtindustrie wegen seiner guten Eignung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu denen von Graphit/Epoxidmaterialien verwendet worden. Dieses
Material für
die Werkzeugausstattung ist jedoch teuer und erfordert große Vorlaufzeiten
zur maschinellen Bearbeitung. Infolgedessen sind Anstrengungen bei
der Entwicklung von computerunterstützter Entwurfssoftware gemacht
worden, um die Zeit zu verringern, die für den Entwurf der Werkzeugausstattung
notwendig ist, um den Gesamtzyklus zur Fertigung des Prototyps oder
des Produktes zu verkürzen.
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Die
vorstehend erwähnten
Probleme mit der Werkzeugausstattung sind im Allgemeiner akut bei der
Fertigung von Komponenten, die entweder hohl sind oder Hohlräume aufweisen,
wodurch die Verwendung von Dornen oder dergleichen erforderlich ist. Üblicherweise
verwendete Typen von Dornen umfassen: mit Nylon verkleidete Styroporkerne,
massive Metalldorne, weiche aufblasbare Blasen, hohle Silikondorne,
thermoplastische Dome, maschinell bearbeiteter Schaum ab Werk und
wasserlösliche Substanzen,
wie etwa eutektische Salze. Bei der Verwendung von derartigen Systemen
ergeben sich beim Ausformen und den Materialkosten beträchtliche
Probleme. Infolgedessen werden die meisten Dome aus massiven Materialstücken, wie
etwa Aluminium, gefertigt oder in eine feste Form gegossen und können nicht
umkonfiguriert werden.
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In
der
JP 01-235 606
AA wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats für Informationen aufzeichnende
Medien mittels Formgießen
beschrieben, bei dem zwecks Verringerung von Defekten eines vorgeformten
Musters eine profilierte Schicht aus einer Formgedächtnislegierung
auf der Innenseite einer Deckplatte der Form vorgesehen ist. In
die Form wird ein flüssiges
Harz eingegossen und gehärtet, bevor
die Schicht aus der Formgedächtnislegierung mit
Infrarotlicht bestrahlt wird, damit die Schicht ihre Form zu der
einer Platte ändert,
um das Formteil ohne Defekte von der Deckplatte abtrennen zu können.
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Aus
der
JP 01-229 603
AA ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gummischlauchs
bekannt, bei dem ein Dorn in einen unvulkanisierten Schlauch eingeführt wird,
bevor der Schlauch in einer Vulkanisationsvorrichtung vulkanisiert
wird. Nach der Vulkanisation wird der Schlauch abgekühlt, wonach
der Dorn wieder aus dem Schlauch entfernt wird.
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Dementsprechend
wäre die
Verfügbarkeit
einer relativ kostengünstigen
Werkzeugausstattung, die Formwerkzeugeinsätze und Dorne umfasst, welche
umkonfigurierbar sind und leicht und billig gefertigt werden können, für die Luftfahrt-,
Raumfahrt- und Autoindustrie bei der Fertigung von Verbundstrukturen
von Wert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein umkonfigurierbares Werkzeug zur
Verwendung während
eines Formarbeitsganges in einer Form, wobei das umkonfigurierbare
Werkzeug ein aktives Element, das ein aktives Material aufweist,
umfasst, wobei das aktive Element eine auf einem Kern angeordnete
Beschichtung ist und wobei das aktive Element bei Aktivierung eine
reversible Veränderung
von einer ersten Form zu einer zweiten Form, eine reversible Veränderung
von einem ersten Satz von Abmessungen zu einem zweiten Satz von
Abmessungen und/oder eine reversible Veränderung von einem ersten Elastizitätsmodul
zu einem zweiten Elastizitätsmodul
erfährt,
welche ein Einsetzen oder eine Entnahme des umkonfigurierbaren Werkzeugs
aus einer in der Form oder einem geformten Teil ausgebildeten Öffnung zulässt.
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Zudem
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verwendung
eines umkonfigurierbaren Werkzeugs während eines Formungsarbeitsganges, welches
umfasst:
- – Einsetzen
eines umkonfigurierbares Werkzeug, welches ein aktives Element,
das ein aktives Material aufweist, umfasst, wobei das aktive Element eine
auf einem Kern angeordnete Beschichtung ist und wobei das aktive
Element bei Aktivierung eine reversible Veränderung von einer ersten Form
zu einer zweiten Form, eine reversible Veränderung von einem ersten Satz
von Abmessungen zu einem zweiten Satz von Abmessungen und/oder eine
reversible Veränderung
von einem ersten Elastizitätsmodul
zu einem zweiten Elastizitätsmodul
erfährt,
in eine Form,
- – Gießen eines
geschmolzenes Polymerharzes, Metalls, Keramik oder einer Kombination,
die ein geschmolzenes Polymerharz, Metall oder Keramik umfasst,
in die Form, welche das umkonfigurierbare Werkzeug umfasst,
- – Aktivieren
des aktiven Elements und
- – Entfernen
des umkonfigurierbaren Werkzeugs aus einer in der Form oder einem
geformten Teil ausgebildeten Öffnung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Figur ist eine beispielhafte Darstellung eines umkonfigurierbaren
Werkzeugs 10, das einen Kern 12 und eine Beschichtung 14 umfasst.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Offenbarung beschreibt wie die hohen Herstellungskosten
von Verbundstrukturen verringert werden können, indem eine Klasse von Verbundwerkstoffen
beschrieben wird, die leicht und billig zu einer Werkzeugausstattung
gefertigt werden kann, welche einfach umkonfigurierbar ist, wenn
Veränderungen
vorgenommen werden müssen.
Diese Werkzeugausstattung wird ”umkonfigurierbare
Werkzeugausstattung” genannt.
Die Zusammensetzungen, ihre Herstellungsverfahren und die daraus
hergestellte Werkzeugausstattung werden alle hierin beschrieben.
In einer Ausführungsform
umfasst das gesamte umkonfigurierbare Werkzeug ein aktives Element,
das vollständig
aus aktiven Materialien hergestellt sein kann. In einer anderen
Ausführungsform umfasst
nur ein Teil der umkonfigurierbaren Werkzeugausstattung ein aktives
Element, das aus aktiven Materialien hergestellt sein kann. Geeignete
Beispiele einer umkonfigurierbaren Werkzeugausstattung, die aus
aktiven Materialien hergestellt sein kann, sind Formen, Formwerkzeug-
oder Formeinsätze,
Dorne, Blasen oder dergleichen oder eine Kombination, die mindestens
eines der vorstehenden Werkzeuge um fasst. Die Werkzeuge können in
Formungsarbeitsgängen
oder dergleichen verwendet werden.
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Hierin
ist auch ein Verfahren offenbart, wobei ein umkonfigurierbares Werkzeug,
das mindestens zum Teil ein aktives Material umfasst, in eine Form eingesetzt
wird, um verschiedentlich als ein Einsatz, ein Dorn und/oder eine
Blase zu dienen. Dabei wird geschmolzenes Polymerharz, Metall, Keramik
oder eine Kombination, die ein geschmolzenes Polymerharz, Metall
oder Keramik umfasst, in die Form auf eine Weise gegossen die bewirkt,
dass der Dorn umgeben wird. In bestimmten Ausführungsformen wird das aktive
Material, nachdem das Formen des Teils abgeschlossen worden ist,
aktiviert um seine Entnahme aus der Form und/oder dem Teil zu erleichtern.
In einer Ausführungsform
wird das aktive Material vor oder während des Formungsarbeitsganges
aktiviert, um die Abmessungen des geformten Teils zu verändern. In
einer anderen Ausführungsform
wird das aktive Material verschiedentlich vor, während und/oder nach dem Formungsarbeitsgang
aktiviert, um spezielle Merkmale, wie etwa Konstruktions-, Ornament- oder
Funktionsmerkmale- auch Nicht-Flachrelief-Oberflächenmerkmale, zu verleihen,
die sonst zu einem Festsitzen des Formwerkzeugs in der geformten
Komponente führen
würden.
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Die
Verwendung von aktiven Materialien in umkonfigurierbaren Werkzeugen
verringert vorteilhafterweise die hohen Herstellungskosten, da derartige
Werkzeuge leicht umkonfigurierbar sind, wenn Veränderungen der Abmessungen oder
Geometrie vorgenommen werden müssen.
Die Werkzeuge können
in Formungsarbeitsgängen
oder dergleichen verwendet werden.
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Bei
vielen Formungsarbeitsgängen
ist es erwünscht,
Teile herzustellen, die enge Toleranzen aufweisen. Bei derartigen
Arbeitsgängen
ist es häufig
erwünscht,
einen Dorn aus einer mit engen Toleranzen versehenen Umhüllung in
der Form und/oder Komponente zu entnehmen, nachdem die Komponente geformt
worden ist. Häufig
enthält
die geformte Komponente keine Öffnung,
die groß genug
ist, um den Dorn oder die geformte Komponente zu entnehmen, und
ihr Innenraum weist solche unregelmäßigen Formen auf, dass der
Dorn nicht so ausgerichtet werden kann, dass er aus der geformten
Komponente entnommen werden kann. Indem ein Dorn benutzt wird, von
dem mindestens ein Teil ein aktives Material umfasst, kann nach
dem Formungsarbeitsgang ein äußerer Stimulus
an den Dorn angelegt werden, um die Größe, Form oder Steifigkeit zu
verändern,
so dass er leicht aus der mit engen Toleranzen versehenen Umhüllung entnommen
werden kann. Beispielsweise wird in einem Formungsarbeitsgang der
Dorn, der ein aktives Element umfasst, das aus einer Formgedächtnislegierung
hergestellt ist, in der Form angeordnet. Das geschmolzene organische
Polymerharz, Metall, Keramik oder eine Kombination davon wird in die
Form gegossen. Nach dem Gießen
wird die Schmelze unter die Erstarrungstemperatur abgekühlt. Anschließend wird
der Dorn auf eine Temperatur über
der Austenitübergangstemperatur
erwärmt, um
eine Verringerung in der Größe des Dorns
zu fördern.
Der Dorn kann nun leicht aus der mit engen Toleranzen versehenen
Umhüllung
entnommen werden.
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Ein
umkonfigurierbares Werkzeug bezieht sich im Allgemeinen auf umkonfigurierbare
Formeinsätze,
wie beispielsweise Dome und Blasen, die mindestens zum Teil ein
aktives Material umfassen, zur Verwendung beim Formen von hohlen
Körpern/Körpern mit
Hohlräumen.
In einer Ausführungsform
können
umkonfigurierbare Werkzeuge in Formen verwendet werden, in denen
Hohlräume
entweder unregelmäßig geformt
sind und/oder größere Abmessungen
aufweisen als die Öffnung,
durch die der Dorn herausgezogen werden soll.
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Der
Ausdruck ”umkonfigurierbar” bezieht sich
so, wie er hierin verwendet wird, auf reversible Veränderungen
in den Abmessungen, der Form und/oder der Steifigkeit der Werkzeugausstattung durch
die Aktivierung von aktiven Materialien, die bei der Herstellung
dieser Werkzeugausstattung verwendet werden. Die reversiblen Veränderungen
beziehen sich auf Veränderungen
in den Abmessungen, der Form und/oder der Steifigkeit, die entweder vor,
während
oder nach dem Formungsarbeitsgang bei Aktivierung durch einen äußeren Stimulus
stattfinden können.
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Es
gibt verschiedene unterschiedliche Anwendungsklassen von umkonfigurierbaren
Werkzeugen. In einer Ausführungsform
kann das umkonfigurierbare Werkzeug durch die Aktivierung der aktiven Materialien
vor der Formung von Gegenständen
reversibel umkonfiguriert werden, um es möglich zu machen, die gleichen
Formen und Einsätze
zum Formen von Komponenten mit beispielsweise unterschiedlichen
Geometrien, Abmessungen, Oberflächenmerkmalen
und/oder Wanddicken zu verwenden. In einer anderen Ausführungsform
können
die umkonfigurierbaren Werkzeuge durch die Aktivierung von aktiven
Materialien verändert
werden, nachdem die Formung der Komponente abgeschlossen worden
ist, um eine Entnahme der umkonfigurierbaren Werkzeuge und der Komponente
aus der Form und/oder von dem geformten Gegenstand zuzulassen.
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In
einer Ausführungsform
umfasst deshalb ein umkonfigurierbares Werkzeug ein aktives Element,
das eine Formgedächtnislegierung
aufweist, wobei sich das umkonfigurierbare Werkzeug bei Aktivierung
von einer ersten Form in eine zweite Form verändern kann. Die erste Form
kann mindestens eine Abmessung aufweisen, die sich von der der zweiten
Form unterscheidet. In einer Ausführungsform kann diese Abmessung
in der ersten Form größer sein
als in der zweiten Form. In einer anderen Ausführungsform kann diese Abmessung
in der zweiten Form größer sein
als in der ersten Form.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst ein umkonfigurierbares Werkzeug ein aktives Element, das
eine Formgedächtnislegierung
aufweist, wobei das umkonfigurierbare Werkzeug bei Aktivierung eine
Veränderung
in der Steifigkeit von einem ersten Elastizitätsmodul zu einem zweiten Elastizitätsmodul
erfahren kann. Die Veränderung
in der Steifigkeit kann durch eine Veränderung in der Form begleitet
sein. In einer Ausführungsform
kann der erste Elastizitätsmodul
größer sein
als der zweite Elastizitätsmodul,
wohingegen in einer anderen Ausführungsform
der zweite Elastizitätsmodul
größer sein
kann als der erste Elastizitätsmodul.
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Somit
umfasst ein umkonfigurierbares Werkzeug zur Verwendung in einer
Form ein aktives Element, das ein aktives Material aufweist, wobei
das aktive Element bei Aktivierung eine reversible Veränderung
von einer ersten Form zu einer zweiten Form, eine reversible Veränderung
von einem ersten Satz von Abmessungen zu einem zweiten Satz von
Abmessungen und/oder eine reversible Veränderung von einem ersten Elastizitätsmodul
zu einem zweiten Elastizitätsmodul
erfährt.
Diese Veränderung
in der Form, den Abmessungen und/oder dem Elastizitätsmodul
erlaubt das Einsetzen und/oder die Entnahme des umkonfigurierbaren
Werkzeuges in und/oder aus einer Öffnung in der Form und/oder
dem geformten Teil, durch das es vor der Aktivierung nicht hätte eingesetzt
und/oder aus dem es vor der Aktivierung nicht hätte entnommen werden können.
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Zusätzlich können die
umkonfigurierbaren Werkzeuge vorteilhaft beim Formen von Körpern verwendet
werden, die unregelmäßige Formen
aufweisen, wie beispielsweise jene mit Nicht-Flachrelief-Oberflächenmerkmalen
(z. B. Oberflächenmerkmale
mit Unterschnitt), die sonst während
des Formungsarbeitsganges zu einem Festsitzen des Formwerkzeugs
führen
würden.
Zusätzlich
macht es die reversible Umkonfiguration der Abmessungen und/oder
der Form des umkonfigurierbaren Werkzeuges vor, während und/oder
nach dem Formen einer Komponente möglich, das gleiche umkonfigurierbare Werkzeug
zu verwenden, um Gegenstände
mit unterschiedlichen Geometrien, Oberflächenmerkmalen und Wanddicken
zu formen. Das umkonfigurierbare Werkzeug, das in einem ersten Formungsarbeitsgang
verwendet wird, kann beispielsweise zu einer zweiten Form mit einer
unterschiedlichen Form für
einen zweiten Formungsarbeitsgang umkonfiguriert werden.
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In
einer Ausführungsform
sind die aktiven Materialien, die in dem aktiven Element des umkonfigurierbaren
Werkzeugs verwendet werden, Formgedächtnismaterialien. Formgedächtnismaterialien
beziehen sich im Allgemeinen auf Materialien oder Verbundwerkstoffe,
die die Fähigkeit
haben, sich an ihre ursprüngliche
Form zu erinnern, die anschließend durch
Anlegen eines äußeren Stimulus,
d. h. eines Aktivierungssignals, wieder in Erinnerung gerufen werden
kann. Als solche kann eine Verformung der Formgedächtnismaterialien
aus der ursprünglichen Form
ein temporärer
Zustand sein, der verwendet werden kann, um die Form und/oder Steifigkeit
des aktiven Elements zu variieren. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien,
die zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind,
umfassen Einweg-(die am weitesten entwickelte Form)Formgedächtnislegierungen,
ferromagnetische Formgedächtnislegierungen,
Formgedächtnispolymere
und Verbundwerkstoffe aus den vorstehenden Formgedächtnismaterialien
mit Nicht-Formgedächtnismaterialien
und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Formgedächtnismaterialien
umfassen. In einer anderen Ausführungsform
ist die Klasse von aktiven Materialien, die in den umkonfigurierbaren Werkzeugen
verwendet wird, jene, die ihre Form proportional zur Stärke des
angelegten Feldes verändert,
aber dann bei Unterbrechung des Feldes zu ihrer ursprünglichen
Form zurückkehrt.
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Beispielhafte
aktive Materialien in dieser Kategorie sind Zweiweg-Formgedächtnislegierungen, elektroaktive
Polymere (dielektrische Polymere), Piezoelektrika, magnetorheologische
Polymere oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden
aktiven Materialien umfasst. Aktive Materialien verwenden im Allgemeinen
einen äußeren Stimulus,
wie etwa Elektrizität,
Magnetismus, Wärmeenergie,
Strahlung, chemische Energie und dergleichen, um eine Veränderung
in der Form und/oder Steifigkeit zu erfahren. Diese Veränderung
in der Form oder Steifigkeit führt
zu der Entwicklung einer Kraft, die auf den Gegenstand über ein
geeignetes Verbindungsmittel übertragen
wird, um eine Positionierung oder Formgebung des umkonfigurierbaren Werkzeuges
zu fördern.
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In
nochmals einer anderen Ausführungsform ist
die Klasse von aktiven Materialien, die in den umkonfigurierbaren
Werkzeugen verwendet wird, jene, die ihre Scherfestigkeit proportional
zur Stärke
des angelegten Magnetfeldes reversibel verändert, aber bei Wegnahme des
Feldes zu ihrer ursprünglichen Ausgangsscherfestigkeit
zurückkehrt.
Beispielhafte aktive Materialien in dieser Kategorie sind magnetorheologische
Fluide (MR) und elektrorheologische Fluide (ER).
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Formgedächtnislegierungen
(SMA) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Metallmaterialien,
die die Fähigkeit
zeigen, zu irgendeiner zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn
sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen
sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren,
bei denen deren Biegemodul (Steifigkeit), Streckfestigkeit und Formorientierung
als Funktion der Temperatur geändert
werden. Im Allgemeinen können
Formgedächtnislegierungen
in der Niedertemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt
werden, und wenn sie irgendeiner höheren Temperatur ausgesetzt
werden, werden sie sich zu einer Austenitphase transformieren, wobei
sie zu ihrer Form vor der Verformung zurückkehren. Materialien, die
diesen Formgedächtniseffekt
nur bei Erwärmung
zeigen, besitzen ein Einweg-Formgedachtnis. Diejenigen Materialien,
die auch ein Formgedächtnis
bei dem Wiederabkühlen zeigen,
besitzen ein Zweiweg-Formgedächtnisverhalten.
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Formgedächtnislegierungen
können
einen Einweg-Formgedächtniseffekt,
einen intrinsischen Zweiweg-Effekt oder einen extrinsischen Zweiweg-Formgedächtniseffekt
abhängig
von der Legierungszusammensetzung und dem Verarbeitungsverlauf zeigen.
Warmbehandelte Formgedächtnislegierungen
zeigen im Allgemeinen nur den Einweg-Formgedächtniseffekt. Eine ausreichende
Erwärmung
im Anschluss an eine Niedertemperaturverformung des Formgedächtnismaterials
wird einen Übergang
von Martensit nach Austenit einleiten, und das Material wird die
ursprüngliche,
warmbehandelte Form zurückerlangen.
Somit werden Einweg-Formgedächtniseffekte
nur bei Erwärmung
beobachtet.
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Intrinsische
und extrinsische Zweiweg-Formgedächtnismaterialien
zeichnen sich durch einen Formübergang
sowohl beim Erwärmen
aus der Mar tensitphase zu der Austenitphase als auch durch einen
zusätzlichen
Formübergang
beim Abkühlen
aus der Austenitphase zurück
zu der Martensitphase aus. Aktive Elemente, die einen intrinsischen
Einweg-Formgedächtniseffekt
zeigen, werden aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung
gefertigt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Elemente infolge
der oben angeführten
Phasentransformationen automatisch selbst zurückformen. Ein intrinsisches
Zweiweg-Formgedächtnisverhalten
muss in das Formgedächtnismaterial über eine
Verarbeitung induziert werden. Derartige Prozeduren umfassen eine
extreme Verformung des Materials während es sich in der Martensitphase
befindet, ein Erwärmen-Abkühlen unter
Einspannung oder Last oder eine Oberflächenmodifikation, wie etwa
Laser-Warmbehandeln, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald das Material
derart trainiert worden ist, dass es den Zweigweg-Formgedächtniseffekt
zeigt, ist die Formveränderung
zwischen den Nieder- und Hochtemperaturzuständen im Allgemeinen reversibel
und hält über eine
hohe Anzahl von thermischen Zyklen an. Im Gegensatz dazu sind aktive
Verbinderelemente, die die extrinsischen Zweiweg-Formgedächtniseffekte
zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung,
die einen Einweg-Effekt zeigt, mit einem anderen Element kombinieren,
das eine Rückstellkraft bereitstellt,
um die erste andere Plattenposition zu ihrer ursprünglichen
Position zurückzuführen.
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Die
Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform
erinnert, wenn sie erwärmt
wird, kann durch geringfügige Veränderungen
in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden.
In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen
beispielsweise kann sie von über
etwa 100°C
auf unter etwa –100°C verändert werden.
Der Formwiederherstellungsprozess tritt über einen Bereich von einigen Graden
auf, und der Start oder das Ende der Transformation kann auf innerhalb
eines Grades oder zwei abhängig
von der gewünschten
Anwendung und der Legierungszusammensetzung gesteuert werden.
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Geeignete
Formgedächtnislegierungsmaterialien
zum Fertigen der aktiven Elemente umfassen 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-Cadmium-Basis,
Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis,
Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen
auf Eisen-Palladium-Basis oder dergleichen oder eine Kombination,
die mindestens eine der vorstehenden Formgedächtnislegierungen umfasst.
Die Legierungen können
binärer,
ternärer
oder irgendeiner höheren
Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt,
z. B. eine Veränderung
in der Formorientierung, Veränderungen
in der Streckfestigkeit und/oder Biegemoduleigenschaften, Dämpfungskapazität, Superelastizität und dergleichen
zeigt.
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Die
Formgedächtnislegierungen,
die in dem aktiven Element verwendet werden, können irgendeine geometrische
Form aufweisen, aus der eine Veränderung
in der Form und/oder Steifigkeit verwendet werden kann, um die Umkonfiguration
des Werkzeuges zu fördern.
Diese Veränderung
in der Form und/oder Steifigkeit wird durch ein Aktivierungssignal verursacht.
Ein beispielhaftes Aktivierungssignal ist ein thermisches Aktivierungssignal.
Das thermische Aktivierungssignal kann an die Formgedächtnislegierungen
auf verschiedene Weisen angelegt werden. Es ist im Allgemeinen erwünscht, dass
das thermische Aktivierungssignal eine Ver änderung in der Temperatur der
Formgedächtnislegierung
bis zu einer Temperatur fördert,
die gleich oder größer als
ihre Austenitübergangstemperatur
ist. Geeignete Beispiele derartiger thermischer Aktivierungssignale,
die eine Veränderung
in der Temperatur fördern
können, sind
die Verwendung von Dampf, heißem Öl, einer elektrischen
Widerstandsheizung oder dergleichen oder eine Kombination, die mindestens
eines der vorstehenden Signale umfasst. Ein bevorzugtes thermisches
Aktivierungssignal ist eines, das von einer elektrischen Widerstandheizung
abgeleitet wird.
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Formgedächtnispolymere
(SMPs) können ebenfalls
in den umkonfigurierbaren Werkzeugen verwendet werden. SMPs beziehen
sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die
die Fähigkeit
zeigen, zu irgendeiner zuvor definierten Form zurückzukehren,
wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden,
während sie
unter sehr geringer Last stehen oder nicht von außen belastet
sind. Formgedächtnispolymere
zeigen auch einen riesigen Abfall im Modul um einen Faktor von etwa
30 bis etwa 100, abhängig
von ihrer Zusammensetzung, wenn sie einer Temperatur über der Glastemperatur
ihres unteren Temperatursegments ausgesetzt werden. Formgedächtnispolymere
sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren,
bei denen ihre Formorientierung als Funktion der Temperatur geändert wird.
Im Allgemeinen weisen SMP zwei Hauptsegmente auf, nämlich ein
hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder
permanente Form kann durch Schmelzen oder Verarbeiten des Polymers
bei einer höheren
Temperatur als der höchste
Wärmeübergang
gefolgt von einem Abkühlen
unter diese Wärmeübergangstemperatur
eingestellt werden. Der höchste
Wärmeübergang
ist üblicherweise
die Glasübergangstemperatur
(Tg) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form
kann eingestellt werden, indem das Material auf eine Temperatur
erwärmt
wird, die höher
ist als die Tg oder die Übergangstemperatur
des weichen Segments aber niedriger ist als die Tg oder der Schmelzpunkt
des harten Segments. Die temporäre Form
wird eingestellt, während
das Material bei der Übergangstemperatur
des weichen Segments verarbeitet wird, gefolgt von einem Abkühlen, um
die Form zu fixieren. Das Material kann zu der permanenten Form
zurückgeführt werden,
indem das Material über die Übergangstemperatur
des weichen Segments erwärmt
wird, während
es unter geringer Last steht oder unbelastet ist.
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Im
Allgemeinen sind SMPs Copolymere, die aus mindestens zwei unterschiedlichen
Einheiten bestehen, die derart beschrieben werden können, dass sie
unterschiedliche Segmente innerhalb des Copolymers definieren, wobei
jedes Segment unterschiedlich zu den Biegemoduleigenschaften und
Wärmeübergangstemperaturen
des Materials beiträgt.
Der Ausdruck ”Segment” bezieht
sich auf einen Block, einen Pfropf oder eine Sequenz der gleichen
oder von ähnlichen
Monomer- oder Oligomereinheiten, die mit einem unterschiedlichen
Segment copolymerisiert sind, um ein kontinuierliches, quervernetztes,
einander durchdringendes Netz aus diesen Segmenten zu bilden. Diese
Segmente können
Kombinationen von kristallinen oder amorphen Materialien sein und
können
daher allgemein als hartes Segment/harte Segmente oder weiches Segment/weiche
Segmente klassifiziert werden, wobei das harte Segment im Allgemeinen
eine höhere
Glasübergangstemperatur (Tg)
oder einen höheren
Schmelzpunkt als das weiche Segment aufweist. Jedes Segment trägt dann
zu den Gesamt-Biegemoduleigenschaften
des SMP und den Wärmeübergängen davon
bei. Wenn mehrere Segmente verwendet werden, können mehrere Wärmeübergangstemperaturen
beobachtet werden, wobei die Wärmeübergangstemperaturen
des Copolymers als gewichtete Mittelwerte der Wärmeübergangstemperaturen seiner
in ihm enthaltenen Segmente angenähert werden können. Die
zuvor definierte oder permanente Form des SMP kann durch Blasformen
des Polymers bei einer Temperatur höher als die höchste Wärmeübergangstemperatur
für das
Formgedächtnispolymer
oder seinem Schmelzpunkt gefolgt durch Abkühlen unter diese Wärmeübergangstemperatur
festgelegt werden.
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In
der Praxis werden in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die SMPs, die als das aktive Element
angewandt werden, zwischen einer von mindestens zwei Formorientierungen
geändert,
so dass mindestens eine Orientierung eine Abmessungsverringerung
relativ zu der anderen Orientierung/den anderen Orientierungen bereitstellen wird,
wenn ein geeignetes thermisches Signal geliefert wird, wobei diese
Größenreduktion
eine Entnahme aus der Form/aus der geformten Komponente unterstützen könnte. Um
eine permanente Form festzulegen, muss das Formgedächtnispolymer
bei etwa oder über
seinem Schmelzpunkt oder seiner höchsten Übergangstemperatur (auch ”letzte” Übergangstemperatur
genannt) liegen. Das aktive Element wird im Allgemeinen bei dieser
Temperatur durch Herstellung in einer Form geformt oder mit einer
aufgebrachten Kraft gefolgt durch Abkühlen, um die permanente Form
festzulegen, geformt.
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In
einer anderen Ausführungsform
werden die SMPs, die als aktive Element angewandt werden, thermisch
aktiviert, um einen riesigen Modulabfall zu erzeugen. Der dann hochflexible
SMP-Einsatz kann anschließend
leicht verformt werden, um die Entnahme aus dem geformten Teil oder
von Nicht-Flachrelief-Merkmalen des geformten Teils zu erleichtern. Diese
thermische Aktivierung kann alternativ in Kombination mit aufgebrachten
Kräften
verwendet werden, um ein reversibles Zurückformen des Werkzeugs auf
SMP-Basis vor der Formung von Komponenten zuzulassen.
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Die
Temperatur, um die permanente Form festzulegen, liegt im Allgemeinen
zwischen etwa 40°C
bis etwa 300°C.
Die Tg des SMP kann für
eine besondere Anwendung ausgewählt
werden, indem die Struktur und Zusammensetzung des Polymers modifiziert
werden. Übergangstemperaturen
von geeigneten SMPs liegen im Allgemeinen in einem Bereich von etwa –63°C bis über etwa
160°C. Das
Konstruieren der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst
kann die Auswahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen.
Eine bevorzugte Temperatur zur Wiederherstellung einer Form ist
gleich oder größer als
etwa –30°C, stärker bevorzugt
gleich oder größer als
etwa 20°C
und am stärksten
bevorzugt eine Temperatur gleich oder größer als etwa 70°C. Ebenfalls
eine bevorzugte Temperatur für
die Wiederherstellung der Form ist gleich oder kleiner als etwa
250°C, stärker bevorzugt
gleich oder kleiner als etwa 200°C
und am stärksten
bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 180°C.
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Geeignete
Formgedächtnispolymere
können thermoplastische,
einander durchdringende Netze, einander halb durchdringende Netze
oder gemischte Netze sein. Die Polymere können ein einzelnes Polymer
oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können geradkettige
oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten
oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten
zum Bilden eines Formgedächtnispolymers
umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole,
Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate,
Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole,
Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether,
Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglykolide,
Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester
und Copolymere davon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen
Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat,
Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat,
Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat,
Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat.
Beispiele von anderen geeigneten Polymeren umfassen Polystyrol,
Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes
Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen,
Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer),
Polycaprolacton-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat,
Copolymer aus Polynorbornyl und polyhedrischem, oligomerem Silsequioxan, Polyvinylchlorid,
Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymere oder
dergleichen, oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Polymere
umfasst.
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Wenn,
wie bei den Formgedächtnislegierungen,
ein Formgedächtnispolymer
als das aktive Element in dem umkonfigurierbaren Werkzeug verwendet
wird, können
eine Vielfalt von geometrischen Formen, wie sie oben aufgeführt sind,
benutzt werden. Zusätzlich
kann eine Vielfalt von Aktivierungssignalen verwendet werden. Das
bevorzugte Aktivierungssignal ist ein thermisches Aktivierungssignal,
das durch Erwärmen
bereitgestellt wird, wobei beispielhafte Mittel leitfähig, konvektierend,
strahlend und mit Widerstand behaftet oder Kombinationen davon sind.
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Wie
es oben angemerkt wurde, kann das aktive Element in dem umkonfigurierbaren
Werkzeug ein magnetorheologisches Fluid sein. Der Ausdruck magnetorheologisches
Fluid schließt
magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, Ferrofluide,
kolloidale magnetische Fluide und dergleichen ein. Magnetorheologische(MR-)Fluide
und Elastomere sind als ”aktive” Materialien
bekannt, deren rheologische Eigenschaften sich bei Anlegen eines
Magnetfeldes schnell verändern.
MR-Fluide sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln
mit Mikrometergröße in Öl oder anderen
Flüssigkeiten.
Wenn ein MR-Fluid einem Magnetfeld ausgesetzt wird, bilden die normalerweise
zufällig
ausgerichteten Partikel Ketten von Partikeln in der Richtung der
Magnetfeldlinien. Die Partikelketten erhöhen die augenscheinliche Viskosität (den Strömungswiderstand)
des Fluids. Die Steifigkeif der Struktur wird bewerkstelligt, indem
die Scher- und Kompressions/Zug-Module
des MR-Fluids verändert
werden, indem die Stärke
des angelegten Magnetfeldes variiert wird. Die MR-Fluide entwickeln
typischerweise Struktur, wenn sie einem Magnetfeld nur lediglich
einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden. Wird das MR-Fluid
nicht länger
dem Magnetfeld ausgesetzt, kehrt sich der Prozess um und das Fluid
kehrt in einen Zustand niedrigerer Viskosität zurück.
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Geeignete
magnetorheologische Fluide umfassen ferromagnetische oder paramagnetische
Partikel, die in einem Trägerfluid
verteilt sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenlegierungen,
wie etwa jene, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium,
Molybdän,
Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, die
Fe2O3 und Fe3O4 umfassen; Eisennitrid;
Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Kobalt
und Kobaltlegierungen; Chromdioxid; rostfreien Stahl, Siliziumstahl
oder dergleichen oder eine Kombination, die mindestens eines der
vorstehenden Partikel umfasst. Beispiele von geeigneten Partikeln
umfassen Reineisenpulver, Reduktionseisenpulver, Eisenoxidpulver/Reineisenpulver-Mischungen
und Eisenoxidpulver/Reduktioneisenpulver-Mischungen. Ein bevorzugtes
magnetisch ansprechendes Partikel ist Carbonyleisen, bevorzugt Reduktionscarbonyleisen.
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Die
Partikelgröße sollte
so gewählt
werden, dass die Partikel Multi-Domain-Charakteristiken zeigen,
wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Durchmessergrößen für die Partikel
können
gleich oder kleiner als etwa 1000 Mikrometer sein, wobei gleich
oder kleiner als etwa 500 Mikrometer bevorzugt ist und gleich oder
kleiner als etwa 100 Mikrometer stärker bevorzugt ist. Ebenfalls
bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von gleich oder größer als
etwa 0,1 Mikrometer, wobei gleich oder größer als etwa 0,5 stärker bevorzugt
ist und gleich oder größer als
etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt ist. Die Partikel sind bevorzugt
in einer Menge zwischen etwa 5,0 bis etwa 50 Volumenprozent der
Gesamt-MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
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Geeignete
Trägerfluide
umfassen organische Flüssigkeiten,
insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt,
Silikonöle,
Mineralöle;
Paraffinöle;
Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatorenöle; halogenierte
organische Flüssigkeiten,
wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine,
perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester;
Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische
Kohlenwasserstofföle,
die ungesättigte und
gesättigte
umfassen; und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden
Fluide umfassen.
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Die
Viskosität
der Trägerkomponente
kann gleich oder kleiner als etwa 100.000 Centipoise sein, wobei
gleich oder kleiner als etwa 10.000 Centipoise bevorzugt ist und
gleich oder kleiner als etwa 1.000 Centipoise stärker bevorzugt ist. Ebenso
bevorzugt ist eine Viskosität
von gleich oder größer als
etwa 1 Centipoise, wobei gleich oder größer als etwa 250 Centipoise
bevorzugt ist und gleich oder größer als etwa
500 Centipoise besonders bevorzugt ist.
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Es
können
auch wässrige
Trägerfluide
verwendet werden, insbesondere jene, die hydrophile Mineraltone,
wie Bentonit oder Hectorit, umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit
einer kleinen Menge an polaren, wassermischbaren, organischen Lösungsmitteln,
wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid,
Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethyl ether,
Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen. Die Menge
an polaren organischen Lösungsmitteln
ist gleich oder kleiner als etwa 5 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids und
bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 3%. Ebenso ist die Menge
an polaren organischen Lösungsmitteln
bevorzugt gleich oder größer als
etwa 0,1 Volumen-% und stärker
bevorzugt gleich oder größer als etwa
1 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH-Wert des wässrigen
Trägerfluids
ist bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 13 und bevorzugt gleich oder
kleiner als etwa 9. Ebenso ist der pH-Wert des wässrigen Trägerfluids gleich oder größer als
etwa 5 und bevorzugt gleich oder größer als etwa 8.
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Es
kann natürliches
oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die
Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist gleich oder kleiner
als etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids, bevorzugt gleich
oder kleiner als etwa 8 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt gleich oder
kleiner als etwa 6 Gewichtsprozent. Bevorzugt ist das Bentonit oder
Hectorit in einer Menge von gleich oder größer als etwa 0,1 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt
gleich oder größer als
etwa 1 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt gleich oder größer als
etwa 2 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
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Optionale
Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone, Organotone, Carboxylatseifen,
Dispergiermittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Extremdruck-Verschleißschutzadditive,
Antioxidanzien, thixotrope Mittel und herkömmliche Suspensionsmittel.
Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennapthenat, Eisenstearat,
Aluminium-di- und tri-stearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat
und Natriumstearat und Tenside, wie etwa Sulfonate, Phosphatester,
Stearinsäure,
Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole,
fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkopplungsmittel
und der gleichen. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol und
teilweise verestere Polyole, können
ebenfalls enthalten sein.
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Geeignete
MR-Elastomermaterialien umfassen eine elastische Polymermatrix,
die eine Suspension von ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln
umfasst, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen
umfassen, Polyalphaolefine, Copolymere von Polyalphaolefinen und
Naturkatuschuk. In manchen Situationen können Formulierungen, die als
MR-Elastomere beschrieben werden können, auch unter die Definition
von MR-Fluiden fallen und umgekehrt. Die MR-Elastomere weisen einen Elastizitätsmodul
auf, der von der Stärke
des angelegten Magnetfeldes reversibel abhängt.
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Das
umkonfigurierbare Werkzeug kann derart konfiguriert sein, dass es
ein Aktivierungssignal an die aktiven Elemente abgibt, wobei das
Aktivierungssignal ein magnetisches Signal umfasst. Das magnetische
Signal ist ein Magnetfeld. Das Magnetfeld kann durch einen Permanentmagneten,
einen Elektromagneten oder Kombinationen, die mindestens einen der
vorstehenden umfassen, erzeugt werden. Geeignete Magnetflussdichten
für die
aktiven Elemente, die aus MR-Fluiden oder Elastomeren bestehen,
liegen in einem Bereich von größer als
0 bis etwa 1 Tesla. Geeignete Magnetflussdichten für die magnetischen
Materialien, die in den Werkzeugen mit aktivem Element verwendet
werden, betragen etwa 0 bis etwa 1 Tesla.
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Wie
es oben angemerkt wurde, kann das aktive Element ein elektrorheologisches
Fluid sein. Elektrorheologische Fluide sind am häufigsten kolloidale Suspensionen
von feinen Partikeln in nichtleitenden Fluiden. Unter einem angelegten
elektrischen Feld bilden elektrorheologische Fluide faserartige Strukturen,
die parallel zu dem angelegten Feld liegen, und deren Viskosität kann um
einen Faktor bis zu 105 zunehmen. Die Verände rung
der Viskosität
ist im Allgemeinen proportional zu dem angelegten Potenzial. ER-Fluide
werden durch Suspendieren von Partikeln in einer Flüssigkeit
hergestellt, deren Dielektrizitätskonstante
oder Leitfähigkeit
fehlangepasst ist, um Dipol-Partikelwechselwirkungen bei Anwesenheit
eines elektrischen Wechselstrom-(AC-) oder Gleichstrom-(DC-)Feldes
zu schaffen.
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Das
aktive Element kann auch ein elektroaktives Polymer (EAP) sein.
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Das
Konstruktionsmerkmal von Vorrichtungen auf der Basis dieser Materialien
ist die Verwendung von nachgiebigen Elektroden, die es ermöglichen,
dass sich Polymerfilme in Richtungen in der Ebene in der Reaktion
auf angelegte elektrische Felder oder mechanische Spannungen ausdehnen
oder zusammenziehen. Wenn EAPs als das aktive Element verwendet
werden, können
sich Dehnungen von gleich oder größer als etwa 100%, Drücke von gleich
oder größer als
etwa 50 Kilogramm/Quadratzentimeter (kg/cm2)
in Reaktion auf eine angelegte Spannung entwickeln. Das gute elektromechanische Ansprechen
dieser Materialien, sowie andere Charakteristiken, wie etwa gute
Umgebungstoleranz und Langzeithaltbarkeit, machen sie für aktive
Elemente unter einer Vielfalt von Herstellungsbedingungen geeignet.
EAPs sind zur Verwendung als ein aktives Element in vielen Konfigurationen
umkonfigurierbarer Werkzeuge geeignet, die Stapel, Rollen, Rohre, Unimorphe,
Bimorphe, Membranen und inchwormartige Vorrichtungen.
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EAPs,
die in umkonfigurierbaren Werkzeugen verwendet werden, können auf
der Basis von einer oder mehreren Materialeigenschaften, wie etwa einer
hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit, einem niedrigen Elastizitätsmodul
(für große oder
kleine Verformungen), eine hohe Dielektrizitätskonstante und dergleichen,
gewählt
werden. In einer Ausführungsform wird
ein Polymer derart gewählt,
dass es einen Elastizitätsmodul
von höchstens
etwa 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist ein Polymer
derart gewählt,
dass es einen maximalen Betätigungsdruck
zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und vorzugsweise zwischen
etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform
ist das Polymer derart gewählt,
dass es eine Dielektrizitätskonstante
zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise zwischen etwa 2,5 und
12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche
beschränkt
sein. Idealerweise wären Materialien
mit höherer
Dielektrizitätskonstante
als die oben angegebenen Bereiche erwünscht, wenn die Materialien
sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante
als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufwiesen. In vielen
Fällen
können
elektroaktive Polymere als Dünnfilme
gefertigt und eingesetzt werden. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter
50 Mikrometer liegen.
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EAPs
können
sich mit hohen Dehnungen auslenken, deshalb sollten sich Elektroden,
die an den Polymeren angebracht sind, ebenfalls auslenken, ohne
die mechanische oder elektrische Leistungsfähigkeit preiszugeben. Im Allgemeinen
können Elektroden,
die für
die Verwendung geeignet sind, von jeder Form und jedem Material
sein, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, dem EAP eine geeignete
Spannung zuzuführen.
Die Spannung kann entweder konstant sein oder über die Zeit variieren. In einer
Ausführungsform
haften die Elektroden an einer Fläche des Polymers. Elektroden,
die an dem Polymer haften, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich
an die sich verändernde
Form des Polymers an. Entsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige
Elektroden einschließen,
die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie angebracht
sind, anpassen. Die Elektroden können
an nur einem Abschnitt des elektroaktiven Polymers angebracht sein
und ein aktives Gebiet gemäß ihrer
Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden, die zur
Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen
strukturierte Elektroden, die Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten
umfassen, texturierte Elektroden, die variierende Abmessungen aus
der Ebene heraus umfassen, leitfähige
Fette, wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen,
leitfähige
Materialien mit hohem Querschnittsverhältnis, wie etwa Kohlenstofffibrilen
und Kohlenstoffnanoröhren
und Mischungen von ionisch leitenden Materialien.
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Materialien,
die für
Elektroden verwendet werden, können
variieren. Geeignete Materialen, die in einer Elektrode verwendet
werden, können
Graphit, Ruß,
kolloidale Suspensionen, dünne
Metalle, einschließlich
Silber und Gold, silbergefüllte
und kohlenstoffgefüllte
Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere
umfassen. Es ist zu verstehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien
mit besonderen Polymeren gut arbeiten können, aber mit anderen nicht
genauso gut arbeiten können.
Beispielsweise arbeiten Kohlenstofffibrilen mit Acrylelastomerpolymeren
gut, wohingegen sie mit Silikonpolymeren nicht genauso gut arbeiten.
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Die
hierin verwendeten EAPs sind im Allgemeinen konjugierte Polymere.
Geeignete Beispiele von EAPs sind Polyanilin, substituierte Polyaniline, Polycarbazole,
substituierte Polycarbazole, Polyindole, Polypyrrole, substituierte
Polypyrrole, Polythiophene, substiuierte Polythiophene, Polyacetylene, Polyethylendioxythiophene,
Polyethylendioxypyrrole, Poly-p-phenylenvinylene oder dergleichen
oder Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden EAPs. Mischungen
oder Copolymere oder Verbundwerkstoffe der vorstehenden EAPs können ebenfalls
verwendet werden. Ähnliche
Mischungen oder Copolymere oder Verbundwerkstoffe eines EAP mit
einem EAP-Vorläufer
können
ebenfalls verwendet werden.
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Das
aktive Element, das in dem umkonfigurierbaren Werkzeug verwendet
wird, kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen
kann das piezoelektrische Material auch konfiguriert sein, um eine
schnelle Umkonfiguration bereitzustellen. So wie er hierin benutzt
wird, wird der Ausdruck ”piezoelektrisch” verwendet,
um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die
Form verändert),
wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder im Gegensatz eine elektrische
Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Ein piezoelektrisches
Material ist vorzugsweise an Streifen oder einem flexiblen Blech
angeordnet. Die Streifen können
ein Unimorph oder ein Bimorph sein. Die Streifen sind vorzugsweise
ein Bimorph, da Bimorphe im Allgemeinen eine stärkere Verschiebung als Unimorphe
zeigen.
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Im
Gegensatz zu der piezoelektrischen Unimorph-Vorrichtung umfasst
eine Bimorph-Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die
zwischen zwei piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Bimorphe
zeigen eine stärkere
Verschiebung als Unimorphe, da sich ein Keramikelement unter der
angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt.
Bimorphe können
Dehnungen bis zu etwa 20 zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie
Unimorphe, keine hohen Belastungen bezüglich der Gesamtabmessungen
der Unimorph-Struktur
aushalten.
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Geeignete
piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen,
organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien
können
alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und
großer
Dipolmomentgruppe/großen
Dipolmomentgruppen an der Hauptkette oder an den Seitenketten oder
an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen
Film verwendet werden. Beispiele von geeigneten Polymeren umfassen
bei spielsweise, sind aber nicht darauf beschränkt, Polynatrium-4-sytrolsulfonat
(”PSS”), Poly-S-119
(Polymer von Azochromophoren mit Polyvinylaminseitenketten) und deren
Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid
(”PVDF”), sein
Copolymer Vinylidenfluorid (”VDF”), Trifluorethylen
(TrFE) und deren Derivate, Polychlorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid
(”PVC”), Polyvinylidenchlorid
(”PVC2”) und deren
Derivate; Polyacrylnitrile (”PAN”) und deren
Derivate, Polycarbonsäuren, einschließlich Polymethacrylsäure (”PMA”) und deren
Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane (”PUE”) und deren
Derivate; Biopolymermoleküle
wie Poly-L-Lactidsäuren
und deren Derivate, und Membranproteine, wie auch Phosphatbiomoleküle; Polyaniline
und deren Derivate, und alle Derivate von Tetraminen; Polyimiden,
einschließlich KAPTON®-Molekülen und
Polyetherimid (”PEI”) und deren
Derivate; alle Membranpolymere; Poly(N-vinylpyrrolidon) (”PVP”)-Homopolymer und dessen
Derivate; und zufällige
PVP-Covinylacetat(”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.
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Weitere
piezoelektrische Materialien können Pt,
Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metalllegierungen und Mischungen
davon umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können beispielsweise
auch Metalloxid, wie etwa SiO2, Al2O3, ZrO2,
TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4,
ZnO und Mischungen davon, umfassen, sowie Verbindungen der Gruppe VIA
und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe2, ZnSe,
GaP, InP, ZnS und Mischungen davon.
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Wie
es oben angemerkt wurde, können
die vorstehend genannten aktiven Materialien in dem aktiven Element
des umkonfigurierbaren Werkzeugs verwendet werden. In einer Ausführungsform
kann das aktive Element als eine Beschichtung (Haut) auf einem Kern
angeordnet sein, um das umkonfigurierbare Werkzeug zu bilden. In
einer anderen Ausführungsform
umfasst, das umkonfigurierbare Werkzeug einen massiven Kern, der
ein aktives Element aufweist. Der massive Kern kann mit anderen
Materialien beschichtet sein, die dem geformten Teil nicht klebende
Eigenschaften oder bestimmte andere Konstruktionsmerkmale verleihen.
In einer nochmals anderen Ausführungsform
kann das aktive Material temporär
in ein hohles Gehäuse,
wie etwa eine Blase, entweder vor, während oder nach dem Formungsarbeitsgang
gepumpt werden. Das aktive Material kann vor, während und/oder nach dem Formungsarbeitsgang
aktiviert werden.
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Nun
mit Bezug auf die Figur kann das umkonfigurierbare Werkzeug 10 ein
Dorn sein, der einen Kern 12 und eine äußere ausdehnbare Haut 14 aufweist.
Die äußere ausdehnbare
Haut 14 kann eine Beschichtung sein. Der Dorn kann in einem
Formungsarbeitsgang verwendet werden. Die äußere ausdehnbare Haut 14 ist
das aktive Element und umfasst eine Formgedächtnislegierung. Der Kern 12 kann
massiv oder hohl sein und kann aus einem Metall, einer Keramik oder
einem Polymer hergestellt sein, das in der Form eines Stabrohmaterials,
Rohrrohmaterials, Schienenstabmaterials oder dergleichen vorliegt.
Während
des Formungsarbeitsgangs (nicht gezeigt) befindet sich die äußere ausdehnbare Haut 12 während der
Vorformungs- und Formungsarbeitsgänge in einer ausgedehnten Konfiguration
(erste Form), während
sie sich während
der Entnahme des Dorns von dem fertig gestellten Teil in einer zusammengezogenen
Konfiguration (zweite Form) befindet.
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In
einer Ausführungsform,
wenn die äußere ausdehnbare
Haut 14 eine Formgedächtnislegierung umfasst,
befindet sie sich in ihrem Hochtemperatur-Austenitzustand, wenn
sie in der ausgedehnten Konfiguration vorliegt. Die ausgedehnte
Konfiguration ist deshalb die gespeicherte Form der Formgedächtnislegierung,
die in der äußeren ausdehnbaren Haut 14 verwendet
wird. Nachdem der Formungsarbeitsgang abgeschlossen ist, wird die
Temperatur des umkonfigurierbaren Werkzeuges 10 abgesenkt, so
dass die ausdehnbare Haut 14 in ihren Martensitzustand
mit niedriger Temperatur und niedrigem Modul zurückkehrt. In einer Ausführungsform
kann die Temperatur des umkonfigurierbaren Werkzeuges 10 abgesenkt
werden, indem die geformte Komponente und die Formungswerkzeuge
gleichzeitig unter Umgebungsbedingungen abgekühlt werden. In einer anderen
Ausführungsform
kann das umkonfigurierbare Werkzeug 10 separat von der
geformten Komponente und anderen Formungswerkzeugen (d. h. der Form)
abgekühlt
werden, indem ein Kühlfluidstrom (z.
B. Wasser, Luft, flüssiger
Stickstoff oder dergleichen) dem umkonfigurierbaren Werkzeug 10 direkt zugeführt wird.
Während
des Abkühlens
des Dorns kann der Kern 10 als Vorspannfeder wirken, um
die äußere ausdehnbare
Haut in ihre zusammengezogene Konfiguration zu verformen, die eine
Entnahme des Dorns aus dem fertig gestellten Teil erlaubt.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die zusammengezogene Konfiguration (erste Form) der gespeicherte
Zustand bei höherer
Temperatur der Formgedächtnislegierung
in der äußeren ausdehnbaren
Haut 14. Der Dorn wird deshalb mechanisch zu der ausgedehnten
Konfiguration (zweite Form), die für den Formungsarbeitsgang benutzt
wird, verformt, aber sobald der Formungsarbeitsgang abgeschlossen
ist, kann der Dorn erwärmt
werden, um ihn zu seiner gespeicherten zusammengezogenen Konfiguration
zurückzuführen. Er
wird dann aus der geformten Komponente entnommen.
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Wie
es oben angemerkt wurde, erlaubt die Verwendung eines umkonfigurierbaren
Werkzeuges, das eine Formgedächtnislegierung
umfasst, dass das Werkzeug während
des Formungsarbeitsgangs eine größere Steifigkeit besitzt,
indem die Formgedächtnislegierung
in ihrem Austenitzustand gehalten wird. Dies sorgt vorteilhafterweise
für Formteile,
die engere Toleranzen aufweisen. Das Transformieren der Formgedächtnislegierung
zu ihrem Martensitzustand mit niedriger Temperatur und niedrigerem
Modul nach dem Formungsarbeitsgang führt zu einem weicheren Dorn,
der leicht aus der Form entnommen werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann das umkonfigurierbare Werkzeug, das eine Formgedächtnislegierung
umfasst, seine gespeicherte Form nur dann erzielen, nachdem geschmolzenes
Harz in die Form gespritzt oder gegossen worden ist oder eine beheizte
Bahn aus thermoplastischem Material zwischen Form und Dorn eingelegt
worden ist. Dies kann vorgenommen werden, um der geformten Komponente
spezielle Merkmale zu verleihen. Es kann auch vorgenommen werden,
um die thermoplastische Bahn oder eingespritztes Harzmaterial unter Druck
zu setzen, nachdem es in die Form eingebracht/gegossen wurde.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das umkonfigurierbare Werkzeug ein Dorn, der als sein aktives
Element ein Formgedächtnispolymer
aufweist. Der Dorn ist im Allgemeinen steif (d. h. hat einen Modul
von gleich oder größer als
etwa 105 Gigapascal (GPa)) während des
Formungsarbeitsgangs und ist flexibel (d. h. hat ein Modul von gleich
oder kleiner als etwa 105 Gigapascal (GPa))
während
der Entnahme aus der geformten Komponente, nachdem der Formungsarbeitsgang
abgeschlossen worden ist. Der Dorn kann massiv oder hohl sein und
kann eine Querschnittsfläche
besitzen, die irgendeine gewünschte
Geometrie aufweist. In einer Ausführungsform kann der Dorn eine
ungleichmäßige Querschnittsfläche besitzen,
und die Querschnittsfläche kann
Abweichungen in der Geometrie mit einschließen. Beispielsweise kann der
Dorn ein erstes Teilstück
und ein zweites Teilstück
umfassen, wobei das erste Teilstück
mit dem zweiten Quer schnitt verbunden ist, und wobei der erste Querschnitt
quadratisch ist und eine Querschnittsfläche von 200 Quadratzentimetern
aufweist, während
der zweite Querschnitt kreisförmig
ist und eine Querschnittsfläche
von 100 Quadratzentimetern aufweist.
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In
einer Ausführungsform
wird ein Dorn, der das Formgedächtnispolymer
umfasst, während
des Formungs- und Abkühlungsvorganges
steif sein. Nachdem die geformte Komponente eine gewünschte Steifigkeit
erlangt, kann der Dorn erwärmt
werden, wodurch er Steifigkeit verliert, was seine leichte Entnahme
aus der geformten Komponente ermöglicht.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann das umkonfigurierbare Werkzeug, das ein aktives Material umfasst,
als Ersatz für
eine ”Blase” während Formungsarbeitsgängen verwendet
werden. Wie es oben angemerkt wurde, können die umkonfigurierbaren
Werkzeuge vorteilhaft verwendet werden, wenn eine Öffnung in
einem zu formenden Teil eine kleinere Größe als ein Hohlraum aufweist,
der in dem gleichen Teil enthalten ist. In einem solchen Fall kann
ein unkonfigurierbares Werkzeug in seiner zusammengezogenen Konfiguration
vor dem Formungsarbeitsgang in die Form eingebracht werden. Anschließend wird
das umkonfigurierbare Werkzeug in seinen ausgedehnten Zustand aktiviert,
nachdem die Form geschlossen worden ist, um den gewünschten
Hohlraum zu schaffen. Nachdem der Formungsarbeitsgang abgeschlossen
ist, wird das umkonfigurierbare Werkzeug noch einmal zu seiner zusammengezogenen
Konfiguration reduziert und aus der geformten Komponente entnommen.
Die Verwendung eines umkonfigurierbaren Werkzeugs auf diese Weise
erlaubt die Einhaltung von engen Toleranzen in geformten Komponenten.
Sie erlaubt auch eine bessere Dickensteuerung und ein besseres Oberflächenfinish
in geformten Komponenten als jenen, die unter Verwendung traditioneller
Blasen geformt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
können Metallstreifen,
die eine Formgedächtnislegierung umfassen,
vor einem Formungsarbeitsgang an einer traditionellen Blase befestigt
werden. Die Verwendung derartiger Metallstreifen kann die Entwicklung einer
gewünschten
Form erleichtern, wenn die Blase erwärmt wird. Während des Formungsarbeitsgangs funktionieren
die Metallstreifen so, dass sie die Blase zu einer gewünschten
Form verzerren, wenn sie über ihre Übergangstemperatur
erwärmt
werden. Wenn die Blase abgekühlt
wird, wird die Steifigkeit der Metallstreifen herabgesetzt. Diejenigen
Abschnitte der Blase, die keine Formgedächtnislegierung umfassen, sind
im Allgemeinen so konstruiert, dass sie als Vorspannfedern fungieren,
wodurch die Blase zu ihrer ursprünglichen
Form zurückgeführt wird,
und indem dies erfolgt, die Metallstreifen ebenso in ihre ursprüngliche
Form verformt werden.
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In
einer Ausführungsform
kann das umkonfigurierbare Werkzeug aus einem SMP hergestellt werden,
so dass die gespeicherte Form des umkonfigurierbaren Werkzeugs die
gewünschte
Form des zu formenden Teils ist. In diesem Fall beginnt der Formungsprozess
mit dem umkonfigurierbaren Werkzeug in seiner gewünschten
Form und unter der Übergangstemperatur
des SMP. Das Teil wird gegossen und geformt. Nach der Erstarrung
des Teils wird dann das umkonfigurierbare Werkzeug auf über die Glasübergangstemperatur
Tg der Niedertemperaturkomponente des SMP erwärmt, wodurch die Flexibilität des umkonfigurierbaren
Werkzeuges drastisch erhöht
wird und zugelassen wird, dass es aus der geformten Komponente herausgezogen
werden kann.
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Die
erhöhte
Flexibilität
des umkonfigurierbaren Werkzeugs bei Erwärmung über die Glastemperatur Tg der
Niedertemperaturkomponente des SMP erlaubt es, dass das Werkzeug
vorteilhafterweise derart konstruiert und hergestellt werden kann,
dass es in einer Vielfalt von Konfigurationen verwendet werden kann.
Beispielsweise kann es aus hohlen Teilen mit inneren Hohlräumen und
unregelmäßiger Form
und durch Öffnungen,
die wesentlich kleiner sind als jene der Querschnitte der Hohlräume, zu
deren Schaffung sie verwendet wurden, herausgezogen werden. Es ist
erwünscht,
das umkonfigurierbare Werkzeug bei einer Temperatur über der
Glasübergangstemperatur
Tg der Niedertemperaturkomponente des SMP zu halten, nachdem es
aus der geformten Komponente herausgezogen worden ist. Dies erlaubt
es, dass das umkonfigurierbare Werkzeug in seine ursprüngliche
erwünschte
Form zurückgeführt werden
kann. Sobald es sich in dieser Form befindet, könnte es erneut für den nächsten Formungsarbeitsgang
abgekühlt
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform,
die mit der Verwendung von Formgedächtnispolymeren in Beziehung
steht, weist das hohle umkonfigurierbare Werkzeug eine gespeicherte
erste Form auf, die mindestens eine Abmessung besitzt, die kleiner
ist als die gleiche Abmessung in einer zweiten Form. Die zweite
Form ist die, die für
den Hohlraum einer Reihe von geformten Komponenten erwünscht ist.
Um die gewünschte
Form in dem hohlen umkonfigurierbaren Werkzeug für das Formen spezifischer Teile
festzulegen, wird das umkonfigurierbare Werkzeug in eine Form mit
dieser gewünschten
Form eingesetzt. Das hohle umkonfigurierbare Werkzeug wird dann über die
Glasübergangstemperatur
ihres Niedertemperatursegments erwärmt, wobei dies dessen Modul drastisch
abfallen lässt,
und dann wird es auf seine gewünschte
zweite Form aufgepumpt. Das umkonfigurierbare Werkzeug in seiner
zweiten Form wird als das neue umkonfigurierbare Werkzeug bezeichnet. Das
Auffüllen
kann mit einem Fluid, wie etwa Luft, Wasser, Stickstoff, Dampf oder
dergleichen, bewerkstelligt werden. Nach dem Füllen wird das umkonfigurierbare
Werkzeug abgekühlt,
wodurch dessen Elastizitätsmodul
erhöht
wird und die Steifigkeit in der gewünschten zweiten Form erlangt
wird. Das umkonfigurierbare Werkzeug wird dann in einer zweiten Form
verwendet, um eine Anzahl von geformten Komponenten zu schaffen,
die identische geometrische Merkmale aufweisen. Nachdem der Formungsarbeitsgang
abgeschlossen worden ist, kann das aktive Element des umkonfigurierbaren
Werkzeugs wieder aktiviert werden, um das Werkzeug zu seiner ersten
Form zurückzuführen.
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In
einer anderen Ausführungsform,
die die Verwendung eines elektrorheologischen Fluides oder eines
magnetorheologischen Fluides umfasst, kann ein hohles umkonfigurierbares
Werkzeug, das aus einem flexiblen Material hergestellt ist, vor
dem Gießen des
geschmolzenen Polymerharzes, Metalls oder der Keramik in die Form,
in diese eingesetzt werden. Beispiele von derartigen hohlen umkonfigurierbaren Werkzeugen
sind hohle Dome oder Blasen. Entweder vor oder während des Gießens wird
ein magnetorheologisches oder elektrorheologisches Fluid in das
hohle umkonfigurierbare Werkzeug gepumpt oder gegossen. Luftblasen
und Lufttaschen werden aus dem Werkzeug entfernt. Ein geeignetes
elektrisches und/oder magnetisches Feld kann das umkonfigurierbare
Werkzeug entweder bevor, während
oder unmittelbar nachdem das Gießen der Schmelze erfolgt ist,
angelegt werden. Das Anlegen des elektrischen und/oder magnetischen
Feldes an das umkonfigurierbare Werkzeug lässt es zu, dass dieses erstarrt
und die Schmelze um sich herum abstützt. Im Anschluss an die Wegnahme
des elektrischen und/oder des magnetischen Feldes nimmt die Viskosität des magnetorheologischen
und/oder des elektrorheologischen Fluides ab, und es wird aus dem umkonfigurierbaren
Werkzeug entfernt. Das hohle umkonfigurierbare Werkzeug kann dann
entnommen werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
können EAPs,
Piezokeramiken und magnetorheologische Elastomere in den umkonfigurierbaren
Werkzeugen verwendet werden. Die EAPs, Piezokeramiken und magnetorheologischen Elastomere
können
alle durch das Anlegen von elektrischen oder magnetischen Feldern
aktiviert werden. Alle drei können
reversible messbare Veränderungen
in der Geometrie und/oder Abmessungen in Reaktion auf das Anlegen des
geeigneten Stimulus zeigen. Diese Veränderungen in der Geometrie
und/oder den Abmessungen können
auf eine ähnliche
Weise wie die oben für
die Formgedächtnislegierungen
beschriebene als die Freigabeelemente von reversiblen umkonfigurierbaren
Werkzeugen verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform
kann eine Elastomerform zum Herstellen von Gegenständen ein
aktives Material enthalten. Nach dem Gießen der Schmelze in die Form
kann das aktive Material unter Verwendung eines äußeren Stimulus aktiviert werden,
um dem Gegenstand bestimmte spezielle Effekte, wie etwa Vertiefungen
oder dergleichen, zu verleihen. Der äußere Stimulus kann eine Veränderung
in der Orientierung der aktiven Materialien, die in der Elastomerform
enthalten sind, fördern,
um die speziellen Effekte zu verleihen.
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Obgleich
die Offenbarung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden ist,
werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Veränderungen
vorgenommen werden können
und Elemente davon durch Äquivalente
ersetzt werden können,
ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen
werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material
an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von derem wesentlichen
Umfang abzuweichen. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Offenbarung
nicht auf die besondere Ausführungsform
beschränkt
ist, die als die beste Ausführungsart
in Betracht gezogen wird, um diese Offenbarung in die Praxis umzusetzen,
sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird,
die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.