DE112005000572T5

DE112005000572T5 - Aktive und umkonfigurierbare Werkzeuge

Info

Publication number: DE112005000572T5
Application number: DE112005000572T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: DE112005000572B4; US20050211870A1; WO2005089189A2; WO2005089189A3

Abstract

Umkonfigurierbares Werkzeug zur Verwendung in einer Form, umfassend:
ein aktives Element, das ein aktives Material aufweist, wobei das aktive Element bei Aktivierung dazu dient, ein Einsetzen oder eine Entnahme des umkonfigurierbaren Werkzeugs aus einer Öffnung in der Form oder einem geformten Teil zuzulassen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Application, Seriennummer 60/552,677, die am 12. März 2004 eingereicht wurde, und der U.S. Provisional Application, Seriennummer 60/654,985, die am 22. Februar 2005 eingereicht wurde, deren gesamter Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig miteingeschlossen ist.
HINTERGRUND
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 Offenbarungen Zusammensetzungen von Materialien, die für die kostengünstige Fertigung von Formen, Dornen oder dergleichen geeignet sind. Es ist zu erwarten, dass diese Formen und/oder Dorne am häufigsten für die Fertigung von nichtmetallischen, Kunststoff- oder Verbundstrukturen verwendet werden.

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.

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 seines guten Passens 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.

Die vorstehend erwähnten Probleme mit der Werkzeugausstattung sind im Allgemeinen bei der Fertigung von Komponenten, die entweder hohl sind oder Hohlräume aufweisen, wodurch die Verwendung von Dornen oder dergleichen erforderlich ist, akut. Üblicherweise verwendete Typen von Dornen umfassen: mit Nylon verkleidete Styroporkerne, massive Metalldorne, weiche aufblasbare Blasen, hohle Silikondorne, thermoplastische Dorne, maschinell bearbeiteter Schaum ab Werk und wasserlösliche Substanzen, wie etwa eutektische Salze. Bei der Verwendung von derartigen Systemen sind das Ausformen und die Materialkosten beträchtliche Probleme. Infolgedessen werden die meisten Dorne aus massiven Materialstücken, wie etwa Aluminium, gefertigt oder in eine feste Form gegossen und können nicht umkonfiguriert werden.

Dementsprechend wäre die Verfügbarkeit einer relativ kostengünstigen Werkzeugausstattung, die Formwerkzeugeinsätze und Dorne umfasst, welche umkonfigurierbar ist und leicht und billig gefertigt werden kann, für die Luftfahrt-, Raumfahrt- und Autoindustrie bei der Fertigung von Verbundstrukturen von Wert.

ZUSAMMENFASSUNG

Hierin ist ein umkonfigurierbares Werkzeug zur Verwendung in einer Form offenbart, das ein aktives Element umfasst, das ein aktives Material aufweist, wobei das aktive Element bei Aktivierung dazu dient, ein Einsetzen oder eine Entnahme des umkonfigurierbaren Werkzeuges aus einer Öffnung in der Form oder einem geformten Teil zuzulassen.

Hierin ist auch ein Verfahren zur Verwendung eines umkonfigurierbaren Werkzeuges während eines Formungsarbeitsganges offenbart, das umfasst, dass ein geschmolzenes Polymerharz, Metall, Keramik oder eine Kombination, die ein geschmolzenes Polymerharz, Metall oder Keramik umfasst, in eine Form gegossen wird, die ein umkonfigurierbares Werkzeug umfasst, wobei das umkonfigurierbare Werkzeug ein aktives Element aufweist, das bei der Anlage eines äußeren Stimulus aktiviert werden; kann; und das aktive Element aktiviert wird.

Hierin ist auch ein Verfahren offenbart, das umfasst, dass ein hohles umkonfigurierbares Werkzeug, das ein aktives Element umfasst und eine erste Form und/oder einen Satz von Abmessungen aufweist, in eine erste Form eingesetzt wird; das aktive Element aktiviert wird; das umkonfigurierbare Werkzeug aufgeblasen wird; das aktive Element deaktiviert wird, so dass es sich in einer zweiten Form und/der einem zweiten Satz von Abmessungen in dem umkonfigurierbaren Werkzeug verriegelt, um ein neues umkonfigurierbares Werkzeug zu bilden; der Druck von dem neuen umkonfigurierbaren Werkzeug weggenommen wird, und das neue umkonfigurierbare Werkzeug aus der ersten Form entnommen wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Figur ist eine beispielhafte Darstellung eines umkonfigurierbaren Werkzeugs 10, das einen Kern 12 und eine Beschichtung 14 umfasst.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Offenbarung richtet sich an die hohen Herstellungskosten von Verbundstrukturen, 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
Hierin ist auch ein Verfahren offenbart, das umfasst, das 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; geschmolzenes Polymerharz, Metall, Keramik oder eine Kombination, die ein geschmolzenes Polymerharz, Metall oder Keramik umfasst, in die Form auf eine Weise gegossen wird, die bewirkt, dass der Dorn umgeben wird; und in bestimmten Ausführungsformen das aktive Material, nachdem das Formen des Teils abgeschlossen worden ist, aktiviert wird, 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.
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.
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 auf 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.
Ein umkonfigurierbares Werkzeug bezieht sich im Allgemeinen auf umkonfigurierbare Formeinsätze, wie beispielsweise Dorne 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. In einer anderen Ausführungsform werden die umkonfigurierbaren Werkzeuge verwendet, wobei das geformte Produkt eine ausreichende unregelmäßige Form aufweist, wie etwa jene mit Nicht-Flachrelief-Oberflächenmerkmalen (z.B. Oberflächenmerkmalen mit Unterschnitt), die sonst ohne die Verwendung des umkonfigurierbaren Werkzeuges zu einem Festsitzen des Formwerkzeugs führen würden.
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.
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.
In einer Ausführungsform ist deshalb ein umkonfigurierbares Werkzeug eines, das ein aktives Element umfasst, 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.
In einer anderen Ausführungsform ist ein umkonfigurierbares Werkzeug eines, das ein aktives Element umfasst, 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.
Somit umfasst ein umkonfigurierbares Werkzeug zur Verwendung in einer Form ein aktives Element, das ein aktives Material aufweist, 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. 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 eingesetzt und/oder aus dem es vor der Aktivierung nicht entnommen hätte werden könnte.
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.
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.
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.
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).
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 oder Elternphase transformieren, wobei sie zu ihrer Form vor der Verformung zurückkehren. Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt nur bei Erwärmung zeigen, werden als ein Einweg-Formgedächtnis besitzend bezeichnet. Diejenigen Materialien, die auch ein Formgedächtnis bei dem Wiederabkühlen zeigen, werden als ein Zweiweg-Formgedächtnisverhalten besitzend bezeichnet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Steifigkeit der Struktur wird bewerkstelligt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln 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.
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.
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.
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.
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.
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 5,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids und bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 3,0 %. 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 1,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 13 und bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 9,0. Ebenso ist der pH des wässrigen Trägerfluids gleich oder größer als etwa 5,0 und bevorzugt gleich oder größer als etwa 8,0.
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 8,0 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 6,0 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 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt gleich oder größer als etwa 2,0 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
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.
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.
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.
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.
Das aktive Element kann auch ein elektroaktives Polymer (EAP) sein.
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.
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 angegebene 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Dorne 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.
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.
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 den 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.
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 deren 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.
Zusammenfassung
Hierin ist ein umkonfigurierbares Werkzeug zur Verwendung in einer Form offenbart, das ein aktives Element umfasst, das ein aktives Material aufweist, wobei das aktive Element bei Aktivierung dazu dient, ein Einsetzen oder eine Entnahme des umkonfigurierbaren Werkzeugs aus einer Öffnung in der Form oder einem geformten Teil zuzulassen. Hierin ist auch ein Verfahren zur Verwendung eines umkonfigurierbaren Werkzeugs während eines Formungsarbeitsganges offenbart, das umfasst, dass ein geschmolzenes Polymerharz, Metall, Keramik oder eine Kombination, die ein geschmolzenes Polymerharz, Metall oder Keramik umfasst, in eine Form gegossen wird, die ein umkonfigurierbares Werkzeug umfasst, wobei das umkonfigurierbare Werkzeug ein aktives Element aufweist, das bei Anlegen eines äußeren Stimulus aktiviert wird; und das aktive Element aktiviert wird.

Claims

Umkonfigurierbares Werkzeug zur Verwendung in einer Form, umfassend: ein aktives Element, das ein aktives Material aufweist, wobei das aktive Element bei Aktivierung dazu dient, ein Einsetzen oder eine Entnahme des umkonfigurierbaren Werkzeugs aus einer Öffnung in der Form oder einem geformten Teil zuzulassen.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein Piezoelektrikum, eine Piezokeramik, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetostriktives Material, ein elektrorheologisches Fluid, ein magnetorheologisches Fluid, ein magnetorheologisches Elastomer oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden aktiven Materialien umfasst, ist, und wobei die Aktivierung des aktiven Materials durch Elektrizität, Magnetismus, Wärmeenergie, Strahlung, chemische Energie oder eine Kombination, die mindestens einen der vorstehenden Stimuli umfasst, gefördert wird.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 1, das eine Form, einen Dorn, eine Blase, ein Formwerkzeug oder einen Formeinsatz oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst, aufweist.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das aktive Element eine auf einem Kern angeordnete Beschichtung ist.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 4, wobei der Kern massiv ist, und wobei der Kern ein Stabrohmaterial, ein Schienenrohmaterial oder eine Kombination davon umfasst.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 4, wobei der Kern hohl ist, und wobei der Kern ein Rohrrohmaterial umfasst.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das aktive Element in einem flexiblen Gehäuse angeordnet ist.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 7, wobei das flexible Gehäuse ein thermoplastisches Polymerharz, ein aushärtendes Polymerharz oder eine Kombination davon umfasst.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 1, wobei die Aktivierung eine Veränderung von einer ersten Form zu einer zweiten Form, eine Veränderung in mindestens einer Abmessung oder eine Veränderung von einem ersten Elastizitätsmodul zu einem zweiten Elastizitätsmodul vereinfacht.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 9, wobei der erste Elastizitätsmodul größer als der zweite Elastizitätsmodul ist.
Umkonfigurierbares Werkzeug nach Anspruch 9, wobei der zweite Elastizitätsmodul größer als der erste Elastizitätsmodul ist.
Verfahren zur Verwendung eines umkonfigurierbaren Werkzeugs während eines Formungsarbeitsganges, das umfasst, dass: ein geschmolzenes Polymerharz, Metall, Keramik oder eine Kombination, die ein geschmolzenes Polymerharz, Metall oder Keramik umfasst, in eine Form gegossen wird, die ein umkonfigurierbares Werkzeug umfasst, wobei das umkonfigurierbare Werkzeug ein aktives Element aufweist, das bei Anlegen eines äußeren Stimulus aktiviert wird; und das aktive Element aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aktivieren des aktiven Elements verwendet wird, um der geformten Komponente gewünschte Merkmale zu verleihen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aktivieren des aktiven Elements verwendet wird, um das Entfernen des umkonfigurierbaren Werkzeugs aus der Form zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein Piezoelektrikum, eine Piezokeramik, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetostriktives Material, ein elektrorheologisches Fluid, ein magnetorheologisches Fluid, ein magnetorheologisches Elastomer oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden aktiven Materialien umfasst, ist, und wobei die Aktivierung des aktiven Materials durch Elektrizität, Magnetismus, Wärmeenergie, Strahlung, chemische Energie oder eine Kombination, die mindestens einen der vorstehenden Stimuli umfasst, gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aktivieren des aktiven Elements entweder vor, während oder nach dem Gießen des geschmolzenen Polymerharzes, Metalls, Keramik oder einer Kombination, die das geschmolzene Polymerharz, Metall oder Keramik umfasst, in die Form stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aktivieren eine Veränderung in der Steifigkeit, eine Veränderung in der Form und/oder eine Veränderung in den Abmessungen des umkonfigurierbaren Werkzeugs fördert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aktivieren die Steifigkeit des umkonfigurierbaren Werkzeugs erhöht.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst, dass das umkonfigurierbare Werkzeug deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst, dass das umkonfigurierbare Werkzeug aus einem geformten Teil entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Deaktivieren die Steifigkeit des umkonfigurierbaren Werkzeugs verringert.
Verfahren, das umfasst, dass: ein hohles umkonfigurierbares Werkzeug, das ein aktives Element aufweist und eine erste Form und/oder einen ersten Satz von Abmessungen besitzt, in eine erste Form eingesetzt wird; das aktive Element aktiviert wird; das umkonfigurierbare Werkzeug aufgebläht wird; das aktive Element deaktiviert wird, um eine zweite Form und/oder einen zweiten Satz von Abmessungen in dem umkonfigurierbaren Werkzeug zu verriegeln und somit ein neues umkonfigurierbares Werkzeug zu bilden; der Druck von dem neuen umkonfigurierbaren Werkzeug weggenommen wird; und das neue umkonfigurierbare Werkzeug aus der ersten Form entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner umfasst, dass das neue umkonfigurierbare Werkzeug in einer zweiten Form verwendet wird, um einen Gegenstand mit einer gewünschten Form zu formen.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner umfasst, dass das aktive Element aktiviert wird, um das neue umkonfigurierbare Werkzeug zu einer ersten Form und/oder einem ersten Satz von Abmessungen zurückzuführen.