DE112006000238T5

DE112006000238T5 - Umkonfigurierbare Spannvorrichtung und Verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE112006000238T5
Application number: DE112006000238T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Douglas M. Commerce Township Linn; Nilesh D. Ann Arbor Mankame; Roland J. Macomb Menassa; Ivan G. Rochester Hills Sears; Robin Bloomfield Stevenson; Christopher P. Newbury Park Henry; Nancy L. Northville Johnson; Charles W. Birmingham Wampler II; Mark W. Troy Verbrugge; Jihui Lakeshore Yang; Yang T. Rochester Hills Cheng; Michael J. Marysville Lukitsch; James W. Rochester Hills Wells; Richard J. Lake Orion Skurkis
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: DE112006000238B4; WO2006078742A2; US7480975B2; WO2006078742A3; US20060157908A1; CN101258774A

Abstract

Spannvorrichtung (10), umfassend:
ein Basiselement (12);
ein umkonfigurierbares Anlagestück (14), das auf dem Basiselement (12) angeordnet ist, wobei das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich selektiv an eine Oberflächenkontur eines Werkstücks (16) anzupassen; und
eine Aktivierungsvorrichtung (24) in Wirkverbindung mit dem Formgedächtnismaterial.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein flexibles Fertigungssystem und im Besonderen eine umkonfigurierbare Spannvorrichtung oder Haltevorrichtung zum Klemmen und/oder Bereitstellen einer Unterstützung für eine Vielfalt von unterschiedlichen Werkstückkonfigurationen.
Das Aufkommen von Fertigungsstraßen hat eine schnelle Massenproduktion von Produkten mit verminderten Produktkosten ermöglicht. Fertigungsstraßen umfassen typischerweise mehrere Arbeitsstationen und Bauteil-, Material- oder Unterbaugruppen-Aufgabestellen. Manchmal sind die Werkstücke ähnlich oder haben verwandte Teileformen. Ein anderes Mal haben die Werkstücke kann verwandte Konstruktion, erfordern aber ähnliche Fertigungsarbeitsgänge. Bei diesen verschiedenen Anwendungen muss die Umkonfiguration der Spannvorrichtung oder der Wechsel von einer Teilekonstruktion zu einer anderen schnell genug sein, um die Produktivitätsanforderungen von gegenwärtigen Fertigungssystemen zu erfüllen.
Bisherige Bemühungen bei der Konstruktion und Entwicklung flexibler Aufspannung für Szenarien entweder der Fertigung kleiner Chargen oder der Massenproduktion können im Allgemeinen die Verwendung modularer Spanneinrichtungen und anpassbarer Spanneinrichtungen umfassen. Ein modulares Einspannen umfasst im Allgemeinen Spanneinrichtungen, die aus einem Standardkatalog von Elementen zusammengesetzt sind, wie etwa V-Blöcke, Kniehebelklemmen, Anlageblöcke und dergleichen. Deren Flexibilität liegt in der Fähigkeit, entweder von Hand oder durch eine Robotervorrichtung umkonfiguriert zu werden. Modulare Spanneinrichtungen haben jedoch nicht in sich die Fähigkeit, sich an unterschiedliche Größen und Formen von Teilen innerhalb einer Teilefamilie anzupassen. zusätzlich ist die zur Umkonfiguration notwendige Zeit lang. Infolgedessen sind modulare Spanneinrichtungen eher für eine Umgebung einer Karosseriewerkstatt als zur Massenproduktion geeignet.
Das Aufkommen von flexiblen Fertigungssystemen (FMS von Flexible Manufacturing Systems) in den frühen 1960er Jahren lieferte den Anstoss für die Arbeit an einer anpassbaren Einspannung. Eine anpassbare Spanneinrichtung ist als eine definiert, die derart konfiguriert werden kann, dass sie Teile mit variierender Form und Größe aufnimmt. Die Technologie anpassbarer Spanneinrichtungen umfasst im Allgemeinen Einkapselungs- oder mechanische Techniken. Beispiele von Einkapselungsspanneinrichtungen sind in der Luftfahrtindustrie zu finden, wobei Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt dazu verwenden werden, Turbinenschaufeln zu umschließen und gut definierte Oberflächen zur Teilepositionierung und zur Klemmung für Schleifarbeitsgänge herzustellen. Obgleich sie ein ausgezeichnetes Mittel zur Ermöglichung des Haltens von komplexen Teilen ist, ist Einkapselung ein teurer und zeitraubender Prozess.
Mechanische Spanneinrichtungen, von denen in der Literatur berichtet wurde, umfassen die Verwendung von Spannzwingen, programmierbaren, anpassbaren Klemmen, einen programmierbaren/Mehrplatten-Schraubstock und eine einstellbare, integrale Spannpalette. Von den vieren scheint das Konzept der einstellbaren, integralen Spannpalette dasjenige zu sein, das am besten in der Lage ist, eine Gussteilefamilie aufzunehmen.
Bis heute sind jedoch keine Machbarkeitsstudien hinsichtlich der Anwendbarkeit von irgendeiner dieser Techniken für maschinelle Bearbeitungsgänge in der Produktion durchgeführt worden.
Ein problematischer Bereich in flexiblen Fertigungssystemen ist ihr Einsatz in Karosseriewerkstätten. Klemmen werden typischerweise angewandt, um die verschiedenen Blechwerkstücke (z.B. Karosserieflächenelemente) während der Montage zu klemmen, und das Klemmen kann die freiliegende Oberfläche möglicherweise zerkratzen und/oder das Werkstück oder die Oberflächenbeschichtung örtlich verformen, wodurch dessen ästhetische Qualität beeinträchtigt wird. Obgleich idealerweise das Klemmen an Flanschen oder Flächen durchgeführt werden könnte, die unsichtbar sind oder für den Endbenutzer ohne Bedeutung sind, erfolgt ein gewisses Klemmen unvermeidlich an Oberflächen, deren Qualität ästhetisch von Bedeutung ist.
Gegenwärtige Klemmen, die in Fertigungsstraßen benutzt werden, umfassen im Allgemeinen einen Metallklemmblock (z.B. aus Werkzeugstahl), der genau zu den Konturen des Werkstücks passt, und einen Anpassungsdruckfuß. Im Betrieb unterstützt der Klemmblock mit einer konturierten Oberfläche die äußere Oberfläche des Werkstücks, während der Druckfuß mit der inneren (nicht freiliegenden) Oberfläche in Kontakt steht. Infolgedessen ist die Kontur jedes Klemmblocks im Allgemeinen für eine begrenzte Anzahl von Werkstücken spezifisch. In dedizierten Werken werden die Konturen des Klemmblocks im Allgemeinen durch numerisch gesteuerte (NC) Bearbeitung unter Verwendung von Daten hergestellt, die von dem einzuspannenden Werkstück erzeugt werden. Es tritt ein Problem auf, wenn mehrere Modelle mit signifikant unterschiedlichen Werkstückkonfigurationen an der gleichen Werkzeuganordnung produziert werden sollen.
Dann sind Mehrfach-Klemmblöcke mit unterschiedlichen Konturen erforderlich, um die Vielfalt von Werkstückkonfigurationen aufzunehmen.
Klemmen mit einem nachgiebigen Anlagestück und einem Anpassungsdruckfuß werden ebenfalls in Fertigungsstraßen zum Einspannen von Werkstücken mit ästhetisch wichtigen Oberflächen verwendet. Im Betrieb unterstützt der Klemmblock mit einer konturierten Oberfläche die äußere Oberfläche des Werkstücks, während der Druckfuß mit der inneren (nicht freiliegenden) Oberfläche in Kontakt steht. Die Nachgiebigkeit des Klemmblocks stellt sicher, dass die Oberfläche nicht eingedrückt wird, und die Steifigkeit des Druckfußes stellt sicher, dass die Lage des Teils vollständig bekannt ist (bis innerhalb die Toleranz, die durch die Verformung des Teils unter den Klemmlasten auferlegt wird), d.h. das Teil schwimmt nicht im Hinblick auf den Klemmblock. Mit diesem Ansatz können geringfügige Unterschiede zwischen der Form des Werkstücks und der Klemmblockgeometrie ausgeglichen werden, ohne eine lokale Verformung einzubringen. Infolgedessen ist die Kontur jedes Klemmblocks im Allgemeinen für eine begrenzte Anzahl von Werkstücken spezifisch. In dedizierten Werken werden die Konturen des Klemmblocks im Allgemeinen durch numerisch gesteuerte (NC) Bearbeitung unter Verwendung von Daten von dem einzuspannenden Werkstück hergestellt. Es tritt ein Problem auf, wenn mehrere Modelle mit signifikant unterschiedlichen Werkstückkonfigurationen produziert werden. Dann sind Mehrfach-Klemmblöcke mit unterschiedlichen Konturen erforderlich, um die Vielzahl von Werkstückkonfigurationen aufzunehmen.
Dementsprechend verbleibt ein Bedarf für eine umkonfigurierbare Spannvorrichtung, die ein geeignetes Unterstützungs- und/oder Klemmmittel für eine Vielfalt von Werkstückkonfigurationen bereitstellen kann.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Hierin sind Spannvorrichtungen, Computerprogrammprodukte sowie Verfahren zur Verwendung, Steuerung und Anpassung der Spannvorrichtungen offenbart. Die Spannvorrichtung umfasst im Allgemeinen ein Basiselement, ein umkonfigurierbares Anlagestück, das auf dem Basiselement angeordnet ist, wobei das umkonfigurierbare Anlagestück ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich selektiv an eine Oberflächenkontur eines Werkstücks anzupassen, und eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem Formgedächtnismaterial.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale werden durch die folgenden Figuren und die ausführliche Beschreibung beispielhaft ausgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Figuren, die beispielhafte Ausführungsformen sind, und in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind, ist:
1 eine Querschnittsansicht einer Spannvorrichtung vor dem Festlegen der Konfiguration des umkonfigurierbaren Anlagestücks;
2 eine Querschnittsansicht der Spannvorrichtung von 1 während des Festlegens der Konfiguration des umkonfigurierbaren Anlagestücks, um sich an eine Oberfläche eines Werkstücks anzupassen;
3 eine Querschnittsansicht der Spannvorrichtung von 1 nach der Entnahme des Werkstücks nach dem Festlegen der Konfiguration des umkonfigurierbaren Anlagestücks;
4 eine Querschnittsansicht der Spannvorrichtung von 1 nach dem Zurücksetzen des umkonfigurierbaren Anlagestücks in seine ursprüngliche Konfiguration;
5 eine Querschnittsansicht einer Spannvorrichtung mit einem umkonfigurierbaren Verbund-Anlagestück;
6 eine Querschnittsansicht einer Spannvorrichtung, die zum Greifen und/oder Klemmen eines Werkstücks geeignet ist, wobei die jeweiligen umkonfigurierbaren Anlagestück eingestellt sind, um sich an die Oberfläche des Werkstücks anzupassen;
7 eine Querschnittsansicht der Spannvorrichtung von 6 nach dem Lösen des Werkstücks;
8 eine Querschnittsansicht einer Spannvorrichtung, die eine thermoelektrische Einheit anwendet, gemäß einer Ausführungsform;
9 eine Querschnittsansicht einer Spannvorrichtung, die eine thermoelektrische Einheit anwendet, gemäß einer anderen Ausführungsform; und
10 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Steuerverfahrens für ein Spannvorrichtungssystem.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin sind umkonfigurierbare Spannvorrichtungen offenbart, um eine Unterstützung und/oder Befestigung einer Vielfalt von unähnlichen Werkstücken bereitzustellen, wie es für ein flexibles Fertigungssystem erwünscht sein kann. Geeignete Werkstücke zum Laden auf die Spannvorrichtung sind diejenigen, die ausreichend steif sind, um sich unter dem Gewicht des Werkstücks oder durch irgendeine Klemmkraft (die so hoch sein kann wie etwa 3,4 MPa (etwa 500 Pfund, verteilt über grob 1 Quadratzoll)) zu biegen oder zu verzerren, wenn die Spannvorrichtung verwendet wird. Obwohl Bezug auf deren Verwendung beim Einspannen von Karosserieflachelementen für Kraftfahrzeuge (z.B. Pkw, Lkw, Motorräder, Boote, Flugzeuge und dergleichen) genommen wird, ist zu verstehen, dass die umkonfigurierbaren Spannvorrichtungen für eine Vielfalt von Endgebrauchsanwendungen angewandt werden könnten, bei denen es erwünscht sein kann, unähnliche Werkstücke unter Verwendung der gleichen Werkzeuganordnung zu unterstützen und/oder zu klemmen, ohne eine manuelle Einstellung oder Umprogrammierung zu benötigen. Beispielsweise können die umkonfigurierbaren Spannvorrichtungen zum Befestigen dünnwandiger und/oder dickwandiger Objekte, konturierter und/oder planarer Objekte an äußeren Oberflächen sowie an verdeckten Oberflächen und dergleichen angewendet werden.
Fachleute werden in Anbetracht dieser Offenbarung erkennen, dass die hierin offenbarten umkonfigurierbaren Spannvorrichtungen vorteilhaft an freiliegenden Oberflächen von Karosserieflachelementen verwendet werden können, ohne Riefen zu bilden, zu zerkratzen und/oder lokale Verformungen hervorzurufen, wie dies für die Montage von Teilen mit Oberflächen der Klasse A erforderlich sein kann. Oberflächen Klasse A sind im Allgemeinen Außenflächen, die für einen Endbenutzer sichtbar sind (z.B. eine Tür, ein Kotflügel, eine Motorhaube, ein Kofferraumdeckel, ein Rumpf, eine Innenverkleidung und dergleichen). Im Gegensatz dazu sind Oberflächen der Klasse B und C im Allgemeinen Oberflächen, die normalerweise vom Endbenutzer nicht zu sehen sind und geringere Anforderungen im Hinblick auf Berührung und Oberflächenfehler haben.
Nun unter Bezugnahme auf die 1–9 sind Querschnittsansichten von beispielhaften umkonfigurierbaren Spannvorrichtungen, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet sind, in variierenden Typen und/oder Stationen der Einspannung gezeigt. Die umkonfigurierbare Spannvorrichtung 10 kann abhängig von der gewünschten Anwendung als eine Unterstützungsvorrichtung (z.B. wie es in den 1–5 und 8–9 gezeigt ist) oder als eine Klemmvorrichtung (z.B. wie es in den 6–7 gezeigt ist) verwendet werden. Als solcher umfasst der Ausdruck "Spannvorrichtung" Vorrichtungen, die für Klemmanwendungen sowie für Unterstützungsanwendungen vorgesehen sind.
Ebenso bezeichnen die Ausdrücke "erster", "zweiter" und dergleichen nicht irgendeine Rangordnung oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke "der" "die", "das" "ein" "eine" und "einer" bezeichnen nicht eine Beschränkung einer Quantität, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von zumindest einem der genannten Gegenstände. Darüber hinaus sind alle Bereiche, die die gleiche Quantität oder physikalische Eigenschaft zitieren, einschließlich der genannten Endpunkte und sind unabhängig kombinierbar.
Die umkonfigurierbare Spannvorrichtung 10 zum Klemmen und/oder Unterstützen von Werkstücken 16 umfasst im Allgemeinen ein Basiselement 12, auf dem ein umkonfigurierbares Anlagestück 14 angeordnet ist.
Die Spannvorrichtung 10 kann in einem Raum befestigt sein, etwa durch eine feste Werkzeuganordnung, oder kann zur Verwendung mit einer programmierbaren Mehrachsen-Werkzeugvorrichtung (z.B. Robotern und dergleichen) angepasst sein. Bei Unterstützungsanwendungen (d.h. 1-5 und 8–9) umfasst die Spannvorrichtung 10 ein (d.h. zumindest ein) umkonfigurierbares Anlagestück 14, das während der Verarbeitung benutzt werden kann, um das Werkstück zu unterstützen. Alternativ wird bei Klemmanwendungen (6–7) ein (d.h. zumindest ein) Paar gegenüberliegender Anlagestücke (z.B. eines für einen Klemmblock und eines für einen gegenüberliegenden Druckfuß) angewandt, wobei ein Anlagestück oder beide Anlagestücke auf die Weise umkonfigurierbar ist/sind, die nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Beispielsweise kann eine Spannvorrichtung zum Klemmen eines Werkstücks 16 angewandt werden, bei dem nur das Anlagestück, das mit der Oberfläche der Klasse A des Werkstücks in Kontakt gelangt, umkonfigurierbar ist, während das gegenüberliegende Anlagestück, das mit einer Oberfläche, die nicht der Klasse A angehört, in Kontakt steht, es nicht ist. In anderen Klemmanwendungsausführungsformen, wie etwa jene, die in den 6–7 gezeigt sind, kann es erwünscht sein, dass beide Anlagestücke umkonfigurierbar sind.
Nachstehend kann der Zweckmäßigkeit halber, wenn Bezug auf ein umkonfigurierbares Anlagestück 14 genommen wird, das beschriebene umkonfigurierbare Anlagestück 14 das umkonfigurierbare Anlagestück 14 sein, das für eine unterstützende Spannvorrichtung 10 verwendet wird, und/oder es kann eines oder beides sein (abhängig von der Anwendung) von den gegenüberliegenden umkonfigurierbaren Anlagestücken 14, die für eine klemmende Spannvorrichtung 10 verwendet werden.
Das Basiselement 12 kann optional mehrere umkonfigurierbare Anlagestücke 14 aufweisen, die auf diesem angeordnet sind. Es kann eines oder mehr als eines der mehreren umkonfigurierbaren Anlagestücke 14 dazu verwendet werden, ein einzelnes Werkstück 16 gleichzeitig einzuspannen. In einer Ausführungsform ist jedes der umkonfigurierbaren Anlagestücke 14 indexiert (d.h. jedes der mehreren umkonfigurierbaren Anlagestücke 14 kann für einen spezifischen Bereich von Formen des Werkstücks 16 konfiguriert sein), und das Basiselement 12 kann gedreht oder bewegt werden, um das geeignet indexierte umkonfigurierbare Anlagestück 14 in eine Position zu bringen, um das Werkstück einzuspannen. Das Training der umkonfigurierbaren Anlagestücke kann abhängig von der gewünschten Konfiguration und/oder Anwendung im Betrieb oder außerhalb des Betriebs erfolgen.
Optional umfasst die Spannvorrichtung 10 ferner einen Passstift 15, der auf dem Basiselement 12 innerhalb und/oder benachbart zu dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 angeordnet ist. Der Passstift 15 verbleibt erwünschtermaßen in einer festen Position in Bezug auf das Basiselement 12. Der Passstift 15 kann dazu verwendet werden, Informationen hinsichtlich der Lage des Werkstücks 16 während des Betriebs der Spannvorrichtung 10 zu liefern. Obgleich der Passstift an nur einem von zwei gegenüberliegenden umkonfigurierbaren Anlagestücken verwendet werden kann, kann er auch an beiden verwendet werden. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Positionierfunktion kann der Stift auch als Bewegungsendanschlag für einen Klemmarm dienen, der verhindert, dass das SM-Material über seine Fähigkeit zur Wiederherstellung hinaus verformt wird.
Das Basiselement 12 kann aus irgendeinem Material aufgebaut sein, auf dem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 angeordnet sein kann und das zumindest einem Teil des Gewichts des Werkstücks 16 standhalten kann. Beispielsweise kann das Basiselement aus einem Metall, einer Legierung, Keramik oder dergleichen gebildet sein.
Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 umfasst ein Formgedächtnismaterial, das geeignet ist, sich in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal selektiv an eine Oberflächenkontur des darauf angeordneten Werkstücks 16 anzupassen. Vorteilhafterweise kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 zu seiner ursprünglichen Form wiederhergestellt werden, wie es erwünscht sein kann, sowie umkonfiguriert werden, um eine unterschiedliche Oberflächenkontur eines Werkstücks 16 aufzunehmen, wodurch eine Vielseitigkeit für die Spannvorrichtung 10 bereitgestellt wird und die im Stand der Technik angemerkten Probleme überwunden werden. Optional kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 thermisch von der Werkzeuganordnung (d.h. dem Basiselement 12), auf dem es montiert ist, und/oder einer Trainingsoberfläche oder einem Werkstück (z.B. 16) isoliert sein, um den abschreckenden Einfluss irgendeiner zugeordneten thermischen Masse zu vermeiden. Eine Alternative zum Isolieren des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 von der Trainingsoberfläche (d.h. an die sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 anpassen wird) ist es, die Trainingsoberfläche während des Trainingsschrittes (d.h. der Festlegung oder Anpassung der Form) auf der Trainings- oder Anpassungstemperatur (T_t) zu halten, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 kann irgendeine Gestalt, Form oder Größe aufweisen, vorausgesetzt, dass es sich selektiv an die Oberflächenkontur des Werkstücks 16 anpassen kann. Beispielsweise kann das umkonfigurierbare Anlagestück ein dichter Feststoff (z.B. kasten- oder scheibenförmig), perforiert oder porös, hohl (z.B. um eine Kammer zu bilden), körnig oder dergleichen sein.
Da das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ausgebildet sein kann, um sich im Wesentlichen an jede Oberflächenkontur eines Werkstücks 16 anzu passen, kann die Spannvorrichtung 10 für eine Vielfalt von unterschiedlichen Werkstücken 16 angewandt werden, wodurch ein signifikanter kommerzieller Vorteil in beispielsweise einem flexiblen Fertigungssystem dargestellt ist, das traditionell Mehrfach-Klemmen und Klemm-/Unterstützungselement-Anlagestücke anwendete, die für einzelne Werkstücke 16 spezifisch waren. Beispielsweise können signifikante Einsparungen erhalten werden, indem die Konstruktion, Entwicklung, Fertigung und der Vertrieb von Spannvorrichtungen für jeden Produkttyp (z.B. unähnliche Karosserieflachelemente) vermindert werden.
Formgedächtnismaterialien beziehen sich im Allgemeinen auf Materialien oder Zusammensetzungen, die die Fähigkeit haben, sich an ihre ursprüngliche Form zu erinnern, die anschließend wiederaufgerufen werden kann, indem ein äußerer Stimulus (d.h. ein Aktivierungssignal) angelegt wird. Als solche kann eine Verformung des Formgedächtnismaterials von seiner ursprünglichen Form eine temporäre Bedingung sein, die verwendet werden kann, um eine Vielfalt von Werkstücken 16 mit unterschiedlichen Oberflächenkonturen einzuspannen. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen Formgedächtnislegierungen (SMA), Formgedächtnispolymere (SMP), Formgedächtniskeramiken (SMC), Baroplastik, Verbundstoffe aus den vorhergehenden Formgedächtnismaterialien mit Nichtformgedächtnismaterialien und Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden Formgedächtnismaterialien. Der Zweckmäßigkeit halber und beispielhaft wird hierin Bezug auf Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere genommen. Die Formgedächtniskeramiken, Baroplastik und dergleichen können auf eine ähnliche Weise angewandt werden, wie es Fachleute in Anbetracht dieser Offenbarung feststellen werden. Beispielsweise bewirkt mit baroplastischen Materialien eine druckinduzierte Mischung von Nanophasen-Bereichen von Komponenten mit hoher und niedriger Glasübergangstemperatur (Tg) die Formänderung.
Baroplastik kann bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung verarbeitet werden. SMC sind ähnlich wie SMA, können aber viel höhere Betriebstemperaturen tolerieren als andere Formgedächtnismaterialien. Ein Beispiel eines SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit zumindest zwei unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die am üblichsten benutzten dieser Phasen sind die so genannten Martensit- und Austenit-Phasen. In der folgenden Diskussion bezieht sich die Martensit-Phase im Allgemeinen auf die stärker verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenit-Phase im Allgemeinen auf die steifere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensit-Phase befindet und erwärmt wird, beginnt sie sich in die Austenit-Phase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen startet, wird häufig als Austenit-Starttemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird die Austenit-Endtemperatur (A_f) genannt. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenit-Phase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie sich in die Martensit-Phase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen startet, wird als die Martensit-Starttemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit zu transformieren, wird die Martensit-Endtemperatur (M_f) genannt. Es ist anzumerken, dass die oben erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die von der SMA-Probe erfahren wird. Genauer nehmen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung zu. Im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften erfolgt die Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unter der Austenit-Übergangstemperatur (bei oder unter A_s). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenit-Übergangstemperatur bewirkt, dass die verformte Probe aus Formgedächtnismaterial in ihre permanente Form zurückkehrt. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größe, die ausreicht, um Transformationen zwischen den Martensit- und Austenit-Phasen hervorzurufen.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen, beispielsweise kann sie von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess kann über einen Bereich von nur einigen wenigen Graden erfolgen oder eine allmählichere Wiederherstellung zeigen. Der Start oder das Ende der Transformation kann auf innerhalb eines Grades oder zwei abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren über den Temperaturbereich, der ihre Transformation überspannt, stark, wobei typischerweise ein Formgedächtniseffekt, ein superelastischer Effekt und eine hohe Dämpfungskapazität bereitgestellt werden. Beispielsweise wird in der Martensit-Phase ein niedrigerer Elastizitätsmodul als in der Austenit-Phase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensit-Phase können große Verformungen durch Wiederausrichtung der Kristallstrukturanordnung mit der angelegten Spannung, z.B. Druck von einem Anpassungsdruckfuß, erfahren. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird das Material diese Form beibehalten, nachdem die Spannung weggenommen ist.
Geeignete Formgedächtnis-Legierungsmaterialien zur Herstellung des Klemm/Unterstützungselement-Anlagestücks umfassen, sollen aber nicht darauf eingeschränkt sein, Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierun gen 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 und dergleichen. Die Legierungen können von binärer, ternärer oder irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z.B. eine Anderung der Form, Orientierung, Streckgrenze, Biegemodul, Dämpfungsfähigkeit, Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem das Bauteil arbeiten wird.
Es wird nun Bezug auf ein umkonfigurierbares Anlagestück 14 genommen, das aus einer SMA gebildet ist. Zum Trainieren/Festlegen der Form, um die Kontur des Werkstücks 16 aufzunehmen, wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 gegen das Werkstück 16 mit einer Kraft (F₁) gepresst, die bewirkt, dass die Spannungen in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 eine erste Streckgrenze der Martensit-Phase überschreiten. Es ist zu verstehen, dass das Trainieren oder Festlegen der Form des umkonfigurierbaren Anlagestücks unter Verwendung eines so genannten "Bezugsformgegenstandes" mit einer dem Werkstück im Wesentlichen ähnlichen Form vorgenommen wird. Dieser Bezugsformgegenstand kann eine programmierbare Vorrichtung sein, die viele unterschiedliche Oberflächenkonturen erzeugen kann (z.B. ein Nagelbett, wobei die Position jedes Nagels programmierbar ist).
Die SMA kann in der Form eines Schaums oder einer anderen Struktur vorliegen, wie es für die besondere Anwendung erwünscht sein kann, z.B. Federn, Bänder, Laminate oder dergleichen, und soll nicht auf irgendeine besondere Form oder Gestalt begrenzt sein. Die SMA in der Martensit-Phase erfährt eine große, anscheinend plastische Verformung bei einer nahezu konstanten Spannung. Dies lässt zu, dass sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 frei verformt, um sich an die Konturen des Werkstücks 16 anzupassen, wie es in 2 gezeigt ist. Wenn die Trainingskraft (d.h. Festlegungskraft) weggenommen wird, wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 den größten Teil, wenn nicht die gesamte Verformung beibehalten, die während des Trainingsschritts erzeugt wird, wie es in 3 dargestellt ist. Ein kleiner Teil der induzierten Verformung kann aufgrund elastischer Wiederherstellung verloren gehen.
Obwohl Bezug auf ein umkonfigurierbares Anlagestück 14 genommen worden ist, das aus einer SMA in der Martensit-Phase gebildet ist, ist zu verstehen, dass ein Training mit einem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 vorgenommen werden könnte, das aus der SMA in der Austenit-Phase gebildet ist. Auf diese Weise verhält sich die SMA ähnlich wie ein kautschukartiges Material mit hoher Steifigkeit. Die SMA verformt sich während des Trainingsschritts infolge einer spannungsinduzierten Transformation von Austenit nach Martensit plastisch, um sich an die Oberfläche des Werkstücks 16 anzupassen. Anders als die martensitische SMA, die in dem vorhergehenden Absatz beschrieben wurde, behält jedoch das umkonfigurierbare Anlagestück 14 aus austenitischer SMA die Verformung nicht bei, die in dieser induziert wird, nachdem die Trainingskraft weggenommen wird. Dieses umkonfigurierbare Anlagestück 14 muss somit für jedes Werkstück 16 mit einer unterschiedlichen Form trainiert werden.
Eine oder mehrere Spannvorrichtungen 10 mit einem konturierten (trainierten) umkonfigurierbaren Anlagestück 14 werden dann dazu verwendet, das Werkstück 16 auf eine Weise einzuspannen, die die Reaktionskraft über eine große Fläche verteilt und somit die Möglichkeit einer Beschädigung der Oberfläche des Werkstücks 16 minimiert. Die Spannkraft (F₂), die entweder eine Unterstützungskraft oder eine Klemmkraft ist, während der regelmäßigen Verwendung des/der umkonfigurierbaren Anlagestück(s) 14 sollte im Allgemeinen kleiner sein als F₁, so dass die durch F₂ induzierten Spannungen nicht die erste Streckgrenze der Martensit-Phase übersteigen. Spannkräfte während der regelmäßigen Verwendung, die signifikant höher als die Trainingskräfte sind, sind ebenfalls möglich, wenn der Trainingsschritt bis zu einem Punkt fortgesetzt wird, an dem die Spannung in dem/den umkonfigurierbaren Anlagestück(n) 14 über die erste Streckgrenze, aber nicht über die zweite Streckgrenze der Martensit-Phasen-SMA hinaus zunimmt. Es ist jedoch anzumerken, dass der letztere Ansatz eine genauere Steuerung sowohl während des Trainingsschrittes als auch während der regelmäßigen Verwendung erfordert, um sicherzustellen, dass die Übereinstimmung zwischen dem/den umkonfigurierbaren Anlagestück(en) 14 und der Unterstützungsoberfläche an dem Werkstück 16 nicht beeinträchtigt wird.
Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 könnte optional einen Rücksetzschritt erfahren, bevor es dann zum Einspannen eines Werkstücks 16 in einer Lage mit einer unterschiedlichen Oberflächengeometrie umkonfiguriert wird. In dem Rücksetzschritt wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 entlastet und auf eine Temperatur über der Austenit-Endtemperatur der SMA erwärmt und dann zurück auf die Umgebungs- oder Arbeitstemperatur, wie es erwünscht ist, abgekühlt. Ein Erwärmen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 auf eine Temperatur über der Austenit-Endtemperatur erzeugt eine Transformation von der Martensit- Phase in die Austenit-Phase, die durch eine vollständige Wiederherstellung der anscheinend plastischen Verformung begleitet wird, die während des Trainingsschritts induziert wird (siehe 4), vorausgesetzt, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 entlastet ist, wobei die Wiederherstellung nicht in irgendeiner Weise eingeschränkt ist und genügend Zeit für den Prozess gegeben wird. Diese Wiederherstellung stellt das umkonfigurierbare Anlagestück 14 zu seiner ursprünglichen (d.h. nicht verformten) Konfiguration zurück, die beibehalten wird, selbst nachdem es abgekühlt ist. Der Trainingsprozess wird dann für die Oberflächengeometrie des neuen Werkstücks 16 wiederholt. Alternativ kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 für eine neue Oberflächenkontur direkt trainiert werden, im Gegensatz zum Zurücksetzen zu der/den ursprünglichen Form(en).
Wie es zuvor erwähnt wurde, sind andere geeignete Formgedächtnismaterialien zur Verwendung in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 Formgedächtnispolymere (SMP). "Formgedächtnispolymer" bezieht sich im Allgemeinen auf ein Polymermaterial, das nach Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft, wie etwa eines Elastizitätsmoduls, einer Form, einer Abmessung, einer Formorientierung oder einer Kombination mit zumindest einer der vorstehenden Eigenschaften zeigt. Formgedächtnispolymere können auf Temperatur ansprechend (d.h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal hervorgerufen), auf Licht ansprechend (d.h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein auf Licht beruhendes Aktivierungssignal hervorgerufen), auf Feuchtigkeit ansprechend (d.h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal, wie etwa Feuchte, Wasserdampf oder Wasser hervorgerufen) oder eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden sein.
Im Allgemeinen sind SMP phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei unterschiedliche Einheiten umfassen, die derart beschrieben werden können, dass sie unterschiedliche Segmente des SMP definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Segment" auf einen Block, Pfropf oder eine Folge der gleichen oder ähnlichen Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann kristallin oder amorph sein und wird einen entsprechenden Schmelzpunkt bzw. eine entsprechende Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen. Der Ausdruck "thermische Übergangstemperatur" wird hierin der Zweckmäßigkeit halber verwendet, um sich gattungsgemäß auf entweder eine Tg oder einen Schmelzpunkt zu beziehen, abhängig davon, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMP mit (n) Segmenten sagt man, dass das SMP ein hartes Segment und (n-1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere thermische Übergangstemperatur als irgendein weiches Segment aufweist. Somit weist das SMP (n) thermische Übergangstemperaturen auf. Die thermische Übergangstemperatur des harten Segments wird die "letzte Übergangstemperatur" genannt, und die niedrigste thermische Übergangstemperatur des so genannten "weichesten" Segments wird die "erste Übergangstemperatur" genannt. Es ist wichtig anzumerken, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die sich durch die gleiche thermische Übergangstemperatur auszeichnen, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, dann davon gesprochen wird, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur hinaus erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann festgelegt oder gespeichert werden, indem das SMP anschließend unter diese Temperatur abgekühlt wird. So wie sie hierin verwendet werden, sind die Ausdrücke "ursprüngliche Form", "zuvor definierte Form" und "permanente Form" Synonyme und sollen austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur, die höher ist als die thermische Übergangstemperatur irgendeines weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, eine äußere Spannung oder Last aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und dann unter die besondere thermische Übergangstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Last beibehalten wird.
Die permanente Form kann wiederhergestellt werden, indem das Material bei weggenommener Spannung oder Last über die besondere thermische Übergangstemperatur des weichen Segments jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird. Somit sollte klar sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weichen Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen darzustellen, und es mit mehreren harten Segmenten möglich ist, mehrere permanente Formen darzustellen. Ähnlich wird eine Kombination mehrerer SMP unter Verwendung eines geschichteten oder Verbundansatzes Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen darstellen.
Für SMP mit nur zwei Segmenten wird die temporäre Form des Formgedächtnispolymers bei der ersten Übergangstemperatur festgelegt, gefolgt durch ein Abkühlen des SMP, während es unter Last ist, um es in der temporären Form zu verriegeln. Die temporäre Form wird aufrechterhalten, solange das SMP unter der ersten Übergangstemperatur bleibt. Die permanente Form wird wiedererlangt, wenn das SMP wieder über die erste Übergangstemperatur bei weggenommener Last gebracht wird. Ein Wie derholen der Erwärmungs-, Formungs- und Abkühlschritte kann die temporäre Form wiederholt zurücksetzen.
Die meisten SMP zeigen einen "Einweg"-Effekt, wobei das SMP eine permanente Form zeigt. Nach dem Erwärmen des Formgedächtnispolymers über die thermische Übergangstemperatur eines weichen Segments ohne eine Spannung oder Last, wird die permanente Form erreicht, und die Form wird nicht ohne die Verwendung äußerer Kräfte in die temporäre Form zurückkehren.
Als eine Alternative können manche Formgedächtnispolymerzusammensetzungen vorbereitet werden, um einen "Zweiwege"-Effekt zu zeigen, bei dem das SMP zwei permanente Formen zeigt. Diese Systeme umfassen zumindest zwei Polymerkomponenten. Beispielsweise könnte eine Komponente ein erstes vernetztes Polymer sein, während die andere Komponente ein unterschiedliches vernetztes Polymer ist. Die Komponenten könnten durch Schichttechniken kombiniert sein oder einander durchdringende Netze sein, wobei die beiden Polymerkomponenten vernetzt sind, aber nicht miteinander. Durch Ändern der Temperatur ändert das Formgedächtnispolymer seine Form in der Richtung einer ersten permanenten Form oder einer zweiten permanenten Form. Jede der permanenten Formen gehört zu einer Komponente des SMP. Die Temperaturabhängigkeit der gesamten Form wird durch die Tatsache hervorgerufen, dass die mechanischen Eigenschaften einer Komponente ("Komponente A") beinahe unabhängig von der Temperatur in dem interessierenden Temperaturintervall sind. Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente ("Komponente B") sind in dem interessierenden Temperaturintervall temperaturabhängig. In einer Ausführungsform wird die Komponente B bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich mit der Komponente A fester, während die Komponente A bei höheren Temperaturen fester wird und die tatsächliche Form bestimmt. Eine Zweiwege-Gedächtnisvorrichtung kann vorbereitet werden, indem die permanente Form der Komponente A festgelegt wird ("erste permanente Form"), die Vorrichtung in die permanente Form der Komponente B verformt wird ("zweite permanente Form"), und die permanente Form der Komponente B fixiert wird, während eine Spannung aufgebracht wird.
Fachleute sollten erkennen, dass es möglich ist, SMP in vielen unterschiedlichen Formen und Gestalten zu konfigurieren. Das Konstruieren der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Auswahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Beispielsweise kann die letzte Übergangstemperatur abhängig von der besonderen Anwendung etwa 0°C bis etwa 300°C oder darüber betragen. Eine Temperatur zur Formwiederherstellung (d.h. die thermische Übergangstemperatur eines weichen Segments) kann größer als oder gleich etwa –30°C sein. Eine andere Temperatur zur Formwiederherstellung kann größer als oder gleich etwa 40°C sein. Eine andere Temperatur zur Formwiederherstellung kann größer als oder gleich etwa 100°C sein. Eine andere Temperatur zur Formwiederherstellung kann kleiner als oder gleich etwa 250°C sein. Noch eine andere Temperatur zur Formwiederherstellung kann kleiner als oder gleich etwa 200°C sein. Schließlich kann eine andere Temperatur zur Formwiederherstellung kleiner als oder gleich etwa 150°C sein.
Optional kann das SMP ausgewählt werden, um eine durch Spannung induzierte Streckung bereitzustellen, die direkt verwendet werden kann (d.h. ohne das SMP über seine thermische Übergangstemperatur zu erwärmen, um es zu "erweichen"), um das Anlagestück dazu zu bringen, sich an eine gegebene Oberfläche anzupassen. Die maximale Dehnung, der das SMP in diesem Fall standhalten kann, kann in den meisten Aus führungsformen mit dem Fall vergleichbar sein, in dem das SMP über seine thermische Übergangstemperatur hinaus erwärmt wird.
Obwohl Bezug auf auf Temperatur ansprechende SMP genommen worden ist und weiter genommen wird, werden Fachleute in Anbetracht dieser Offenbarung erkennen, dass auf Licht ansprechende, auf Feuchtigkeit ansprechende SMP und SMP, die durch andere Verfahren aktiviert werden, leicht zusätzlich zu oder anstelle von auf Temperatur ansprechenden SMP verwendet werden können. Anstatt Wärme zu verwenden, kann beispielsweise eine temporäre Form in einem auf Licht ansprechenden SMP festgelegt werden, indem das auf Licht ansprechende SMP mit Licht mit einer spezifischen Wellenlänge (während es unter Last ist) bestrahlt wird, was bewirkt, dass spezifische Vernetzungen gebildet werden, und dann die Strahlung unterbrochen wird, während es noch unter Last ist. Um in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, kann das auf Licht ansprechende SMP mit Licht der gleichen oder einer unterschiedlichen spezifischen Wellenlänge (bei weggenommener Last) bestrahlt werden, was bewirkt, dass die spezifischen Vernetzungen aufgebrochen werden. Ähnlich kann eine temporäre Form in einem auf Feuchtigkeit ansprechenden SMP festgelegt werden, indem spezifische funktionelle Gruppen oder Reste Feuchtigkeit (z.B. Feuchte, Wasser, Wasserdampf oder dergleichen) ausgesetzt werden, was dazu dient, eine spezifische Menge Feuchtigkeit zu absorbieren, eine Last oder Spannung auf das auf Feuchtigkeit ansprechende SMP aufgebracht wird und dann die spezifische Menge von Feuchtigkeit weggenommen wird, während es noch unter Last ist. Um es in seine ursprüngliche Form zurückzuführen, kann das auf Feuchtigkeit ansprechende SMP Feuchtigkeit (bei weggenommener Last) ausgesetzt werden.
Geeignete Formgedächtnispolymere können, ungeachtet von dem besonderen Typ von SMP, thermoplastische, warmhärtende-thermoplastische Copolymere, einander durchdringende Netze, einander halb durchdringende Netze oder vermischte Netze sein. Die "Einheiten" oder "Segmente" des SMP können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyimide, 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 geeigneter Polyacrylate beinhalten Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly(isobutylmethacrylat), Poly(hexylmethacrylat), Poly(isodecylmethacrylat), Poly(laurylmethacrylat), Poly(phenylmethacrylat), Poly(methylacrylat), Poly(isopropylacrylat), Poly(isobutylacrylat) und Poly(octadecylacrylat). Beispiele anderer geeigneter Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybuhylen, Polyoctadecylvinylether, Polyethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolacton-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, Copolymer aus Norbornen und polyhedralem oligomerem Silsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan enthaltende Blockcopolymere, Styrol-Butadien-Blockcopolymere und dergleichen. Das Polymer/die Polymere, die dazu verwendet werden, die verschiedenen Segmente in den oben beschriebenen SMP zu bilden, sind entweder im Handel erhältlich oder können unter Verwendung von routinemäßiger Chemie synthetisiert werden. Fachleute können die Polymere unter Verwendung bekannter Chemie und Verarbeitungstechniken ohne übermäßiges Experimentieren leicht herstellen.
Wie es Fachleute feststellen werden, kann das Durchführen einer Polymerisation von unterschiedlichen Segmenten unter Verwendung eines Blähmittels einen Formgedächtnisschaum bilden, wie es beispielsweise für manche Anwendungen erwünscht sein kann. Das Blähmittel kann vom Zersetzungstyp (entwickelt bei chemischer Zersetzung ein Gas) oder ein Verdampfungstyp (das ohne chemische Reaktion verdampft) sein. Beispielhafte Blähmittel des Zersetzungstyps umfassen, sollen aber nicht darauf beschrankt sein, Natriumbicarbonat, Azidverbindungen, Ammoniumcarbonat, Ammoniumnitrid, Leichtmetalle, die bei Reaktion mit Wasser Wasserstoff entwickeln, Azodicarbonamid, N,N'-Dinitrosopentamethylentetramin und dergleichen. Beispielhafte Blähmittel vom Verdampfungstyp umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Trichlormonofluormethan, Trichlortrifluorethan, Methylenchlorid, komprimierten Stickstoff und dergleichen.
Es wird nun auf umkonfigurierbare Anlagestücke 14 Bezug genommen, die aus einem auf Wärme ansprechenden SMP gebildet sind, das irgendeine Form annehmen kann (z.B. Schaum, Laminat, Feststoff, Verbund und dergleichen). Das umkonfigurierbare Anlagestück 14, das aus dem SMP hergestellt ist, liegt bei den Betriebstemperaturen der Spannvorrichtung 10, die unter der niedrigsten thermischen Übergangstemperatur des SMP liegt, in seiner steifen, glasartigen Form vor. In dem Trainingsschritt wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf eine Temperatur über der thermischen Übergangstemperatur erwärmt, was bewirkt, dass das SMP in eine polymere Form mit einer niedrigeren Steifigkeit (d.h. verringerten Biegemoduleigenschaften) übergeht. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird dann gegen das Werkstück 16 mit einer Kraft (F₁) gepresst, um es dazu zu bringen, sich derart zu verformen, dass es sich ausreichend an die konturierte Fläche des Werkstücks 16 anpasst, wie es in den 2 und 6 gezeigt ist.
Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird dann unter die thermische Übergangstemperatur abgekühlt, während es noch unter Last ist (d.h. während die Konfiguration gehalten wird, die am Ende des vorhergehenden Schrittes erzielt wird), um das SMP zurück in seine steife, glasartige Form zu bringen. Wie es in den 3 und 7 dargestellt ist, behält das umkonfigurierbare Anlagestück 14 die Konfiguration, die während des Trainingsschrittes "gelehrt" wurde, selbst nachdem es herunter auf die reguläre Arbeitstemperatur abgekühlt ist, und ist zur Verwendung zum Einspannen zusätzlicher Werkstücke 16 geeignet. Da die Steifigkeit des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 aus dem SMP höher ist, wenn das SMP in seiner glasartigen Form vorliegt, als wenn es in seiner weichen, polymeren Form vorliegt, kann die Klemmkraft, der durch das umkonfigurierbare Anlagestück 14 Widerstand entgegengebracht wird, größer als die Trainingskraft sein.
Nachdem eine Spannaufgabe (d.h. Unterstützen und/oder Klemmen) abgeschlossen ist, kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wieder auf eine Temperatur über der thermischen Übergangstemperatur erwärmt und gegen ein Werkstück 16 für die nächste Aufgabe gepresst werden, solange die Werkstücke ähnliche Oberflächenkonturen aufweisen, d.h. das/die umkonfigurierbare(n) Anlagestück(e) 14 können direkt zu dem in dem in den 2 und 6 gezeigten Trainingsschritt fortfahren. Es kann jedoch in einigen Fällen notwendig sein, das umkonfigurierbare Anlagestück 14 in seine ursprüngliche Konfiguration zurückzusetzen, gefolgt von einem Trainingsschritt, bevor es dazu verwendet werden kann, ein Werk stück 16 an einer Stelle mit einer unterschiedlichen Oberflächengeometrie zu unterstützen. In dem optionalen Rücksetzschritt wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 entlastet und auf über die thermische Übergangstemperatur erwärmt. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird unbelastet auf dieser Temperatur (d.h. mit den SMP in der weichen, polymeren Form) gehalten, bis das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wieder seine ursprüngliche Konfiguration erlangt. Da das umkonfigurierbare Anlagestück 14 aus SMP eine niedrige Steifigkeit aufweist, kann die Formwiederherstellung durch äußere Mittel unterstützt werden, wie etwa durch Umorientieren des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, um eine Schwerkraftbelastung zu verwenden. Andere Mittel zur Formwiederherstellungsunterstützung können die Verwendung von Druckluft, Eintauchen in ein Fluid, die Verwendung eines anderen Materials, das dem SMP gegenüberliegt, innerhalb eines Verbunds (wie es nachstehend beschrieben wird) und dergleichen umfassen. Wenn die Formwiederherstellung abgeschlossen und/oder im Wesentlichen abgeschlossen ist, ist das umkonfigurierbare Anlagestück 14 für eine neue Spannaufgabe trainiert.
Verbundstoffe aus einem Formgedächtnismaterial und einem zusätzlichen Material können ebenfalls in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 angewendet werden. Wie es oben festgestellt wurde, soll der Verbund nicht auf irgendeine spezifische Kombination von Materialien begrenzt sein. Das zusätzliche Material kann ein Nichtformgedächtnismaterial und/oder ein zusätzliches Formgedächtnismaterial sein. Das zusätzliche Formgedächtnismaterial kann aus derselben Klasse sein (z.B. unterschiedliche Formgedächtnispolymere) oder aus einer unterschiedlichen Klasse (z.B. ein Formgedächtnispolymer und eine Formgedächtnislegierung).
Wenn in einer Ausführungsform der Verbund ein Formgedächtnispolymer und ein Nichtformgedächtnismetall oder eine Nichtformgedächtnismetall legierung umfasst, kann das Nichtformgedächtnismaterial konfiguriert sein, um einen Unterstützungsmechanismus für ein SMP bereitzustellen und somit die Formänderung zu erleichtern. Als ein Beispiel kann ein solches einen Verbund enthaltendes umkonfigurierbares Anlagestück 14 ein Element 18 umfassen, das in einer SMP-Matrix 20 verteilt ist. Das Element 18 ist in 5 als eine Feder gezeigt, kann aber irgendeine Form annehmen (z.B. ein Streifen, ein Gitter, eine Bienenwabe und dergleichen). Das Element 18 stellt einen Rückführmechanismus zum Wiederherstellen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 in seine ursprüngliche Form oder in die Form einer Last, unter der das umkonfigurierbare Anlagestück 14 angeordnet ist, bereit.
Wenn optional elektrisch leitende Materialien das Element 18 bilden, können diese Materialien auch zum Widerstandserwärmen oder induktiven Erwärmen verwendet werden, um die Phasentransformation des SMP selbst zu bewirken.
Optional kann das Element 18 aus einem Formgedächtnismaterial (z.B. einer SMA) gebildet sein, um in dem Verbund mehr Funktionalität zu ermöglichen. Beispielsweise können SMA-Materialien derart ausgewählt werden, dass sie elektrisch leitend sind und einen Elastizitätsmodul aufweisen, der größer ist als der des SMP in sowohl seiner weichen als auch harten Form. Obwohl andere übliche Metalle, wie etwa Stahl und Aluminium, ebenfalls diese Eigenschaften besitzen, haben diese Materialien vollständig wiederherstellbare Dehnungen, die kleiner sind als jene für SMA-Materialien (z.B. weniger als etwa 1 % für die meisten Metalle gegenüber etwa 8 % für einige SMA-Materialien). Daher kann ein aus einem SMA-SMP-Verbund hergestelltes, umkonfigurierbares Anlagestück 14 größere vollständig wiederherstellbare Verformungen erfahren als ein umkonfigurierbares Anlagestück 14, das aus einem mit anderen Metallen verstärkten SMP-Verbund hergestellt ist, vorausgesetzt, dass die verstärkende Komponente in beiden Fällen die gleiche Grundkonfiguration hat. Als eine Folge kann ein umkonfigurierbares Anlagestück 14 aus einem SMA-SMP-Verbund für eine breitere Vielfalt von Einspannaufgaben konfiguriert sein als ein umkonfigurierbares Anlagestück 14 aus Verbund, das aus SMP und einem Material mit einer kleineren vollständig wiederherstellbaren Dehnung als eine SMA hergestellt ist (z.B. Stahl, Aluminium und ähnliche Nichtformgedächtnismaterialien). Trotz der Vorteile der Verwendung von SMA gegenüber anderen Metallen als die zweite Phase in einem Verbund auf SMP-Basis kann es erwünscht sein, andere Metalle anzuwenden, beispielsweise um Kosten zu verringern.
In einer Ausführungsform umfasst das umkonfigurierbare Anlagestück 14 aus Verbund ein SMA-Material, das überall in einer aus dem SMP-Material hergestellten Matrix 20 verteilt ist. Die SMA befindet sich in engem physikalischem (d.h. mechanischem und thermischem) Kontakt mit der umgebenden SMP-Matrix 20.
Als ein illustrierendes Beispiel können die Zusammensetzungen der SMA- und SMP-Bestandteile des Verbundes derart gewählt werden, dass die verschiedenen charakteristischen Temperaturen für diese Materialien folgendermaßen in Beziehung stehen: T_w < T_g1 < T_t < A_s < A_f < T_r < M_d, T_max, wobei T_w die Umgebungstemperatur ist, in der die Spannvorrichtung 10 angeordnet und betrieben wird; T_g1 die erste thermische Übergangstemperatur des SMP ist; T_t die Temperatur ist, die zum Trainieren (die Festlegung wird durch Abkühlen auf unter T_g1 vorgenommen) der verformten Form angewandt wird; A_s die Austenit-Starttemperatur ist; A_f die Austenit-Endtemperatur ist; T_r die Temperatur ist, die zur Wiederherstellung der Verformung in dem konfigurierbaren Anlagestück 14 in seine ursprüngliche Form angewandt wird; Md die Temperatur ist, über der die SMA ihre Formgedächtniseigenschaften verliert; und T_max die niedrigere der letzteren Übergangstemperatur oder der Oxidationstemperatur für das SMP-Material ist. Folglich befinden sich bei der regulären Arbeits- oder Betriebstemperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 die SMA in ihrer spannungsfreien Martensit-Phase und das SMP in seiner steifen, glasartigen Form. Andere SMA- und SMP-Zusammensetzungen könnten ebenfalls verwendet werden, wobei beispielsweise die obigen Temperaturbeziehungen nicht gelten. Die oben beschriebene Beziehung wird in der folgenden Beschreibung verwendet, soll aber in keinster Weise einschränkend sein.
In dem Trainingsschritt kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 durch Widerstandserwärmen über Durchleiten eines Stroms durch das SMA-Element 18 erwärmt werden. Das Erwärmen wird gesteuert, um die Temperatur der SMA und des Umgebenden SMP auf T_t zu erhöhen, die über T_g1 liegt. Die SMA liegt weiterhin in der Martensit-Phase vor, da T_t auch niedriger als A_s ist, bei der die Transformation von der Martensit-Phase in die Austenit-Phase in der SMA eingeleitet wird. In diesem Stadium befindet sich das SMP in seiner weichen, polymeren Form und die SMA befindet sich noch in ihrer Martensit-Phase mit niedrigerer Steifigkeit. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird dann mit dem Werkstück 16 in Kontakt gebracht, um es derart zu verformen, dass es sich an das Werkstück 16 anpasst. Die SMA verformt sich ebenfalls zusammen mit der SMP und, abhängig vom Grad der in der SMA entwickelten Spannung, kann es entweder eine elastische Verformung (z.B. weniger als oder gleich etwa 1 % Dehnung) alleine oder eine elastische Verformung in Kombination mit einer pseudoplastischen Verformung (z.B. bis zu etwa 8 % Dehnung) erfahren.
Nachdem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 eine ausreichende Anpassung an das Werkstück 16 erreicht hat, wird der Festlegungsschritt eingeleitet. In diesem Schritt wird der Strom, der durch die SMA fließt, ausgeschaltet, und es wird zugelassen, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 herunter auf T_w abkühlt, während die während des Trainingsschrittes "gelehrte" Form gehalten wird. Es kann auch ein äußeres Abkühlen verwendet werden, um diesen Schritt zu beschleunigen. Da der Elastizitätsmodul des SMP beim Abkühlen zunimmt, weist die SMA eine elastische und möglicherweise pseudoplastische Dehnung auf, die darin verriegelt ist. Das SMA-Element 18 innerhalb der SMP-Matrix 20 ist derart gewählt, dass beispielsweise die Steifigkeit seiner strukturellen Form geringer ist als die der SMP-Matrix 20, während es in seiner steifen glasartigen Form vorliegt. Dies stellt sicher, dass der elastische Teil der Dehnung, der in dem SMA-Element 18 verriegelt ist, die "gelehrte" Form nicht zu irgendeinem signifikanten Ausmaß verzerrt. Deshalb behält das umkonfigurierbare Anlagestück 14 diese "gelehrte" Form, nachdem der Festlegungsprozess vorüber ist und die Trainingskräfte weggenommen sind. Das Aufrechterhalten der Relativpositionen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 und des Werkstücks 16 während des gesamten Prozesses kann das Halten der trainierten Form während des Festlegungsprozesses sicherstellen. Alternativ kann eine konstante Trainingskraft, die von dem Ansprechen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 während des Festlegungsprozesses abhängt, verwendet werden, so dass die erreichte Endform die gewünschte ist; z.B. kann die konstante Kraft, die bei den Trainings- und Festlegungsschritten verwendet wird, eine Oberflächenkontur ergeben, die sich von der gewünschten unterscheidet, aber die Änderung des elastischen Ansprechens des Verbund-Anlagestücks, wenn dieses unter T_g1 abgekühlt wird, bewirkt, dass die gewünschte Endform in dem Anlagestück bei T_w erzeugt wird. Dies ist vom Konzept her ähnlich wie das Überbiegen, das an gepressten Blechteilen vorgenommen wird, um die Änderung der Teilegeometrie aufgrund eines elastischen "Zurückfederns" zu kompensieren.
Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 zum Einspannen eines Werkstücks mit einer unterschiedlichen Oberflächenkontur umkonfiguriert werden soll, wird es entlastet, und die Temperatur wird auf T_t erhöht. Während dieses Prozesses geht das SMP von seiner steifen, glasartigen Form in eine weiche, polymere Form über, wodurch die elastische Dehnung, die in der SMA während der Trainings- und Festlegungsschritte verriegelt wurde, gelöst wird. Die elastische Wiederherstellungskraft, die von der SMA bereitgestellt wird, unterstützt das SMP beim Zurückkehren in seine ursprüngliche Konfiguration. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 kann dann für das neue Werkstück 16 trainiert werden. Eine vollständige Wiederherstellung der ursprünglichen Konfiguration kann in manchen Fällen unnötig sein, und das umkonfigurierbare Anlagestück 14 kann für das neue Werkstück 16 trainiert werden, unmittelbar nachdem es auf T_t erwärmt worden ist.
Wenn die SMA während der Trainings-/Festlegungsschritte eine pseudoplastische Dehnung erfahren hat und/oder das umkonfigurierbare Anlagestück 14 in die ursprüngliche Konfiguration wiederhergestellt werden muss, bevor es für ein neues Werkstück 16 trainiert wird, wird das Erwärmen des unbelasteten umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 fortgesetzt, bis die Rücksetztemperatur erreicht ist, die derart gewählt ist, dass sie höher als A_f ist, welche höher als T_g1 ist. Ein Erwärmen der SMA über A_f bewirkt, dass die Martensit-Phase in die Austenit-Phase übergeht. Dieser Phasenübergang wird von einer Wiederherstellung der pseudoplastischen Dehnung begleitet. Somit kehrt die SMA in ihre dehnungsfreie ursprüngliche Konfiguration zurück. In manchen Ausführungsformen kann es eine gewisse nicht wiederhergestellte Dehnung geben, wenn die Anzahl von Zyklen zunimmt. In der SMA wird während dieser Dehnungswiederherstellung eine signifikante Wiederherstellungsspannung erzeugt.
Diese Spannung unterstützt das SMP bei der Wiederherstellung seiner ursprünglichen Konfiguration. Wenn die Formwiederherstellung ausreichend abgeschlossen ist, wird der Strom, der durch irgendeines oder alle SMA-Elemente 18 fließt, auf ein Niveau eingestellt, das die Temperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 auf T_t bringt. Das umkonfigurierbare Anlagestück kann nun für das nächste Werkstück 16 trainiert werden.
Wenn die SMA optional in einer wärmeisolierenden Abdeckung abgeschirmt wird, aber weiterhin in engem mechanischem Kontakt mit dem SMP bleibt, kann der Formgedächtniseffekt dennoch verwendet werden, um die Formwiederherstellung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 während des Rücksetzschrittes zu unterstützen. Die einzige Abweichung von der oben beschriebenen Prozedur wäre, dass der Strom zum Erwärmen nicht durch die SMA-Elemente geleitet wird. Während der Trainings- und Rücksetzschritte würde eine unterschiedliche Wärmequelle verwendet werden. Dies führt zu einer weniger komplexen Temperaturbeziehung (T_w < T_g1 < T_t ≤ T_r < T_max), die sich zu einer größeren Freiheit bei der Auswahl der SMA- und SMP-Komponenten umsetzt.
In einer anderen Ausführungsform kann die SMA für ein Widerstandserwärmen und ein superelastisches Zurücksetzen verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird das superelastische Verhalten der SMA-Komponente dazu verwendet, zuzulassen, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 während des Trainingsschrittes große Verformungen erfährt, die während des Rücksetzschrittes vollständig wiederherstellbar sind. Die elastischen Wiederherstellungskräfte, die von der superelastischen SMA-Komponente ausgeübt werden, helfen dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14, seine ursprüngliche Konfiguration wiederherzustellen, wenn es zum Unterstützen eines Werkstücks 16 an einer Stelle mit einer unterschiedlichen Oberflächengeometrie umkonfiguriert werden muss.
In einer Ausführungsform kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ein SMA-Element 18 in der Austenit-Phase umfassen, die in einem SMP-Material verteilt ist. Das SMP-Material befindet sich bei der regulären Arbeitstemperatur in seiner steifen, glasartigen Form. Die SMA und das SMP befinden sich in engem physikalischem (d.h. mechanischem, thermischem und dergleichen) Kontakt; wobei deren Zusammensetzungen derart ausgewählt sind, dass ihre charakteristischen Temperaturen in der folgenden Beziehung stehen: A_f < T_w < T_g1 < T_t ≤ T_r < M_d, T_max. In dem Trainingsschritt wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf T_t erwärmt, wo das SMP in seine weiche, polymere Form übergeht, während die SMA in ihrer Austenit-Phase verbleibt. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird dann gegen das Werkstück 16 gepresst und verformt, um es dazu zu bringen, sich an die Oberflächenkontur anzupassen, die dem Werkstück 16 eigen ist. Das weiche, polymere SMP verformt sich leicht und kann große Dehnungen (bis zu 200 %) erfahren. Zu Beginn verformt sich die SMA elastisch, aber später, wenn die Spannung in dem SMA-Material die kritische Spannung (σ_m) übersteigt, erfährt die SMA eine pseudoplastische Verformung. Die SMA kann große wiederherstellbare Dehnungen (z.B. bis zu etwa 8 %) bei nahezu konstanter Spannung während der pseudoplastischen Verformung, die zu einer Überspannung induzierten Transformation von der Austenit-Phase in die Martensit-Phase in dem SMA-Material gehört, erfahren.
Nachdem die erwünschte Anpassung zwischen dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 und dem Werkstück 16 erreicht ist, wird zugelassen, dass sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf unter T_w abkühlt, wäh rend die während des Trainingsschrittes "gelehrte" Form gehalten wird. Andere Abkühlverfahren (z.B. ein Luftstrahl) können verwendet werden, um den Abkühlprozess wie gewünscht zu unterstützen und/oder zu beschleunigen. Wenn die Temperatur unter T_g1 abfällt, verformt sich das SMP zu seiner steifen, glasartigen Form, wodurch die Dehnung (elastisch und möglicherweise pseudoplastisch) in der SMA verriegelt wird. Wie es früher besprochen wurde, kann das SMA-Element 18 in der SMP-Matrix 20 derart ausgewählt werden, dass seine Steifigkeit geringer ist als die der SMP-Matrix 20 in ihrer steifen, glasartigen Form. Folglich behält das umkonfigurierbare Anlagestück 14 die "gelehrte" Form bei T_w und ist für den Gebrauch bereit.
Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 umkonfiguriert werden muss, um eine andere Oberfläche zu unterstützen, wird es entlastet und auf T_r erwärmt, die über T_g1 liegt. Da der Elastizitätsmodul des SMP abnimmt, wird die elastische und pseudoplastische Dehnung, die in der SMA verriegelt ist, allmählich wiederhergestellt. Die SMA übt elastische Rückstellkräfte auf das umgebende SMP aus, die das SMP beim Wiederherstellen seiner ursprünglichen Konfiguration unterstützen können. Es ist anzumerken, dass die Wiederherstellung der ursprünglichen Konfiguration optional ist und in manchen Ausführungsformen das umkonfigurierbare Anlagestück 14 direkt zu dem Trainingsschritt für das nächste Werkstück 16 verbracht werden kann, nachdem es auf T_r erwärmt worden ist.
In noch einer anderen Ausführungsform kann die SMA zum Erwärmen, Betätigen und Rücksetzen ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform umfasst das umkonfigurierbare Anlagestück 14 bei der regulären Arbeits- oder Betriebstemperatur pseudoplastisch gedehntes SMA-Material in der Martensit-Phase, das in einer steifen, glasartigen SMP-Matrix verteilt ist.
Die SMA- und SMP-Komponenten des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 befinden sich in engem physikalischem Kontakt (z.B. mechanisch, thermisch und dergleichen) und ihre Zusammensetzung ist derart ausgewählt, dass die charakteristischen Temperaturen wie folgt in Beziehung stehen: T_w < T_g1, M_f < T_t ≤ T_r < A_s < T_a, A_f < T_max, M_d. In dieser Ausführungsform umfasst der Verbund zumindest zwei unterschiedliche SMA-Elemente 18 und 22, die in 5 gezeigt sind, wobei das SMA-Element 18 derart ausgewählt ist, dass es der Antagonist für das SMA-Element 22 ist. Das heißt das SMA-Element 18 wird bei der Betätigung anstreben, die SMP-Matrix 20 in einer Richtung entgegengesetzt zu der des Elements 22 zu verformen. Die SMA-Elemente 18 und 22 sind überall in der SMP-Matrix 20 verteilt.
In dem Trainingsschritt wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf T_t erwärmt, die höher ist als T_g1. Infolgedessen geht das SMP in seine weiche, polymere Form über. Jedoch bleibt die SMA in der Martensit-Phase, da T_t niedriger ist als A_s, bei der der Übergang von der Martensit-Phase in die Austenit-Phase in der SMA eingeleitet wird. Ein Teilsatz der SMA-Elemente 18 und/oder 22 in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 wird selektiv durch Erwärmen des Teilsatzes betätigt, so dass diese Elemente auf ihre Betätigungstemperatur erwärmt werden. Ein Erwärmen des ausgewählten Teilsatzes der vorgedehnten SMA-Elemente in der Martensit-Phase über A_s leitet in diesen Elementen den Übergang von der Martensit-Phase in die Austenit-Phase ein. Infolge dieser Transformation versuchen die aktivierten SMA-Elemente 18 und/oder 22, in ihre dehnungsfreie Konfiguration zurückzukehren, und üben in diesem Prozess eine Kraft auf die umgebende SMP-Matrix 20 und andere SMA-Elemente 18 und/oder 22 aus. Es ist anzumerken, dass die dehnungsfreie Konfiguration für die SMA-Elemente nicht dieselbe ist wie die Konfiguration dieser Elemente in der ursprünglichen Konfiguration des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, da die SMA-Elemente in der letzteren Konfiguration vorgedehnt sind. Die Elemente 18 und/oder 22, die den betätigten Teilsatz bilden, sind derart ausgewählt, dass sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 infolge der Betätigung dieses Teilsatzes in eine Geometrie verformt, die zum Aufspannen des gegebenen Werkstücks 16 geeignet ist.
Obgleich es erwünscht sein kann, die erforderliche Geometrie vollständig unter Verwendung von SMA-Betätigung zu erreichen, kann auch eine Unterstützung vorgesehen sein, um die gewünschte Endgeometrie fein abzustimmen. Beispielsweise kann ein weiterer mechanischer Schritt, in dem das teilweise trainierte umkonfigurierbare Anlagestück 14 gegen eine Trainingsoberfläche bei einer Temperatur über T_g1 gepresst wird, verwendet werden. Dies ist insbesondere wünschenswert, wenn enge Toleranzen an der konturierten Oberfläche erwünscht sind. Die in dem mechanischen Trainingsschritt erforderliche Arbeit ist in diesem Fall geringer als wenn die gesamte Verformung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 durch Pressen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 gegen die Trainingsoberfläche vorgenommen werden müsste. Da sich das SMP-Material in seiner weichen, polymeren Form befindet, kann die Betätigungskraft, die von den SMA-Elementen erhalten wird, dieses leicht verformen. Die nicht betätigten SMA-Elemente, die in der Martensit-Phase vorliegen, erfahren zu Beginn eine rein elastische Verformung, können sich dann aber pseudoplastisch verformen, wenn die Spannung in diesen Elementen die erste Streckgrenze der Martensit-Phase übersteigt. Die elastische Verformung ist auf kleine vollständig wiederherstellbare Dehnungen begrenzt (z.B. weniger als etwa 1 %), aber die pseudoplastische Verformung kann viel größere vollständig wiederherstellbare Dehnungen ermöglichen (z.B. bis zu etwa 8 %).
Nachdem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 sich ausreichend an die Trainingsoberfläche (z.B. Werkstück 16) angepasst hat, wird es auf T_w abgekühlt, während die Konfiguration, die am Ende des Trainingsschrittes erzielt wird, gehalten wird. Dies wird beispielsweise erreicht, indem ein Strom, der nur durch diejenigen SMA-Elemente fließt, die in dem Trainingsschritt nicht betätigt werden, ausgeschaltet wird. Es können auch andere Kühlmittel verwendet werden, um diesen Prozess zu unterstützen und/oder zu beschleunigen. Der Betätigungsstrom, der durch die betätigten SMA-Elemente fließt, kann beim Beibehalten des sich verändernden Moduls der SMP-Matrix eingestellt werden, so dass die während des Trainingsschrittes "gelehrte" Oberflächenkontur vernünftigerweise unverändert bleibt, bis das Volumen des SMP-Materials sich zurück in seine steife, glasartige Form verformt hat. Der Betätigungsstrom wird dann ausgeschaltet, und die betätigten Elemente werden auf T_w abgekühlt. Die "gelehrte" Form wird während des sekundären mechanischen Trainingsschrittes, wenn dieser verwendet wird, gehalten, indem die Relativposition der Trainingsoberfläche aufrechterhalten wird, bis das SMP verglast ist. Andere Alternativen, die früher besprochen wurden, um die "gelehrte" Form während des Festlegungsschrittes zu halten, können ebenfalls verwendet werden. Am Ende des Festlegungsprozesses behält das umkonfigurierbare Anlagestück 14 die während des Trainingsschrittes "gelehrte" Form bei und ist zum Gebrauch bereit. In diesem Zustand weisen die SMA-Elemente (betätigt oder nicht) eine gewisse Elastizität und möglicherweise eine gewisse pseudoelastische Dehnung auf.
Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 für ein anderes Werkstück 16 umkonfiguriert werden muss, kann es auf T_r erwärmt werden. Während dieses Prozesses verformt sich das SMP-Material zu seiner weichen, polymeren Form, da T_r höher ist als T_g1. Die elastische Dehnung die in den SMA-Elementen (betätigt oder nicht) verriegelt ist, wird während des Erweichens des SMP allmählich gelöst. Die begleitenden elastischen Wiederherstellungskräfte helfen beim Zurückführen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 in die ursprüngliche Konfiguration. Wenn eine vollständige Wiederherstellung der ursprünglichen Form nicht erwünscht ist, kann das erwärmte umkonfigurierbare Anlagestück 14 direkt für das nächste Werkstück 16 trainiert werden.
In dem Fall, dass die in dem obigen Prozess erhaltene Formwiederherstellung unzureichend für das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ist, das für ein neues Werkstück 16 trainiert wird, kann der Formwiederherstellungsprozess fortgesetzt werden. Wenn irgendwelche SMA-Elemente während der Trainings-/Festlegungsschritte eine pseudoplastische Verformung erfahren haben, kann diese Dehnung nicht wiederhergestellt werden, indem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf T_r erwärmt wird. In diesem Fall wird der Satz von SMA-Elementen 20 oder 22, die die Antagonisten zu denjenigen sind, die in dem Trainingsschritt betätigt werden, betätigt, während das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf T_r gehalten wird. Die Betätigungskraft, die durch diese Elemente (20 oder 22) auf das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ausgeübt wird, wenn sie den Übergang von der Martensit-Phase in die Austenit-Phase erfahren, hilft dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14, seine ursprüngliche Konfiguration wiederherzustellen. Nachdem die Formwiederherstellung ausreichend abgeschlossen ist, kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 für das nächste Werkstück 14 trainiert werden.
In noch einer anderen Ausführungsform kann die SMA ausgebildet sein, um eine Erwärmung, Betätigung und ein Rücksetzen mittels eines Zweiwege-Formgedächtniseffekts bereitzustellen. In dieser Ausführungsform (siehe 5) bei der Arbeitstemperatur, umfasst das umkonfigurierbare Anlagestück 14 SMA-Element 18, das in der steifen, glasartigen SMP- Matrix 20 verteilt ist. Das SMA-Material befindet sich in der Martensit-Phase und ist verarbeitet worden, um zuzulassen, das sich das SMA-Element 18 an zwei Formen "erinnert": eine Hochtemperaturform, die die natürliche Form des Elements ist, wenn die SMA vollständig austenitisch ist; und eine Niedertemperaturform, die die natürliche Form ist, wenn das Material vollständig martensitisch ist. Die SMA- und SMP-Materialien befinden sich in engem physikalischem (d.h. mechanischem, thermischem) Kontakt, und ihre Zusammensetzung ist derart ausgewählt, dass die charakteristischen Temperaturen wie folgt in Beziehung stehen: T_w < M_f < M_s < T_g1 < T_t < T_r < A_s < Ta ≤ A_f < T_max, M_d.
In dem Trainingsschritt wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf T_t erwärmt, die höher ist als T_g1. Infolgedessen geht das SMP zu seiner weichen, polymeren Form über. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 kann erwärmt werden, indem beispielsweise ein Strom durch alle SMA-Elemente 18 hindurchgeleitet wird. Andere Erwärmungsverfahren können ebenfalls verwendet werden, um den Erwärmungsprozess zu unterstützen und/oder zu beschleunigen. Ein Teilsatz der SMA-Elemente 18 in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 kann dann betätigt werden, indem er auf die geeignete Betätigungstemperatur erwärmt wird. Diese selektive Betätigung kann beispielsweise erhalten werden, indem der Strom, der durch diese Elemente 18 geleitet wird, erhöht wird. Ein Erwärmen der SMA-Elemente 18 in der Martensit-Phase auf eine Temperatur über A_s leitet in diesen Elementen 18 einen Übergang von der Martensit-Phase in die Austenit-Phase ein. Infolge dieser Transformation versuchen die betätigten SMA-Elemente 18 ihre Hochtemperaturform zu erlangen, und üben in dem Prozess eine Kraft auf die umgebene SMP-Matrix 20 und andere SMA-Elemente 18 aus. Die Elemente 18, die den betätigten Satz bilden, sind derart ausgewählt, dass eine Betätigung dieses Satzes das umkonfi gurierbare Anlagestück 14 zu einer Geometrie verformt, die für das gegebene Werkstück 16 geeignet ist.
Obgleich es erwünscht ist, die erforderliche Geometrie vollständig zu erreichen, indem eine SMA-Betätigung verwendet wird, ist es nur notwendig, dass die Betätigung eine Geometrie erreicht, die in der Nachbarschaft der gewünschten liegt. Ein weiterer mechanischer Schritt, bei welchem das teilweise trainierte umkonfigurierbare Anlagestück 14 gegen eine Trainingsoberfläche bei einer Temperatur über T_g1 gepresst wird, kann dazu verwendet werden, die Geometrie zu erhalten, die für das gegebene Werkstück 16 notwendig ist. Die Arbeit, die in dem mechanischen Schritt erforderlich ist, ist in diesem Fall geringer als wenn die gesamte Verformung des Anlagestücks vorgenommen werden würde, indem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 gegen die Trainingsoberfläche gepresst wird. Da sich das SMP-Material in seiner weichen, polymeren Form befindet, kann die Betätigungskraft, die von den SMA-Elementen 18 erhalten wird, dieses leicht verformen. Die nicht betätigten SMA-Elemente 18 verbleiben während des gesamten Trainingsprozesses in der Martensit-Phase und erfahren zu Beginn eine rein elastische Verformung, können sich aber pseudoplastisch verformen, wenn die Spannung in diesen Elementen 18 eine erste Dehnungsspannung der Martensit-Phase übersteigt. Die elastische Verformung ist auf kleine vollständig wiederherstellbare Dehnungen (z.B. weniger als etwa 1 %) begrenzt, aber die pseudoplastische Verformung kann größere vollständig wiederherstellbare Dehnungen (bis zu etwa 2 %) ermöglichen.
Nachdem sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ausreichend an die Trainingsoberfläche mit der gewünschten Geometrie angepasst hat, wird es auf T_w abgekühlt, während die Konfiguration, die am Ende des Trainingsschrittes erzielt wird, gehalten wird. Dies wird erreicht, indem bei spielsweise der Strom, der durch nur diejenigen SMA-Elemente 18 fließt, die in dem Trainingsschritt nicht betätigt werden, ausgeschaltet wird. Wie bei den verschiedenen anderen Ausführungsformen können auch alternative Kühlmittel dazu verwendet werden, diesen Prozess zu unterstützen und/oder zu beschleunigen. Der Betätigungsstrom, der durch die betätigten SMA-Elemente 18 geleitet wird, wird eingestellt, um die Abweichung der Oberfläche von der "gelehrten" Form zu verhindern oder zu minimieren, bis das Volumen des SMP-Materials sich zurück in seine steife, glasartige Form transformiert hat. Dies kann dazu führen, dass die Temperatur dieser Elemente 18 über A_f verbleibt und die betätigten Elemente 18 somit fortfahren, anzustreben, ihre Hochtemperaturform zu erzielen, während das Volumen der SMP-Matrix 20 verglast. Der Betätigungsstrom wird dann ausgeschaltet, und die betätigten Elemente 18 werden auf T_w abgekühlt. Die "gelehrte" Form wird gehalten, indem die Elemente 18 betätigt gehalten werden, und wenn der sekundäre mechanische Trainingsschritt verwendet wird, in dem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 gegen die Trainingsoberfläche gepresst wird, bis das SMP verglast ist. Wenn die Temperatur der betätigten SMA-Elemente 18 während des Abkühlprozesses unter die Martensit-Starttemperatur (M_s) abfällt, beginnt die Transformation des Austenits in der SMA nach Martensit. Diese Transformation wird von diesen Elementen begleitet, die versuchen, zu ihrer Niedertemperaturform zurückzukehren. Da jedoch M_s < T_g1, hat sich die umgebende SMP-Matrix 20 verglast, bevor die Transformation von der Austenit-Phase in die Martensit-Phase und die zugehörige Formänderung stattfinden kann. Folglich behält das umkonfigurierbare Anlagestück 14 die während des Trainingsschrittes am Schluss des Festlegungsprozesses "gelehrte" Form bei und ist zum Gebrauch bereit. In diesem Zustand weisen die SMA-Elemente 18 (betätig oder nicht) eine gewisse elastische, und möglicherweise eine gewisse pseudoplastische Dehnung auf, die darin verriegelt ist.
Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 umkonfiguriert werden muss, um ein Werkstück 16 an einer Stelle einer unterschiedlichen Oberflächengeometrie zu unterstützen, kann das Anlagestück auf die T_r erwärmt werden, indem beispielsweise ein Strom durch alle SMA-Elemente 18 geleitet wird. Da T_r höher als T_g1 ist, transformiert sich das SMP-Material in seine weiche, polymere Form. Die elastische Dehnung, die in den SMA-Elementen (betätigt oder nicht) verriegelt ist, wird während des Erweichens des SMP allmählich gelöst. Die begleitenden elastischen Wiederherstellungskräfte helfen beim Rückführen des Anlagestücks in seine ursprüngliche Konfiguration.
Wie es oben beschrieben wurde, ist eine vollständige Wiederherstellung der ursprünglichen Form nicht notwendig, und das erwärmte umkonfigurierbare Anlagestück 14 kann für die nächste Aufspannaufgabe trainiert werden, nachdem die SMP-Matrix 20 ausreichend erweicht ist. In dem Fall, dass die Formwiederherstellung, die in dem obigen Prozess erhalten wird, unzureichend ist, muss der Formwiederherstellungsprozess fortgesetzt werden. Wenn irgendwelche SMA-Elemente 18 während der Trainings- und Festlegungsschritte eine pseudoplastische Verformung erfahren haben, kann diese Dehnung nicht wiederhergestellt werden, indem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 einfach auf T_r erwärmt wird. In diesem Fall werden die SMA-Elemente 18, die eine pseudoplastische Verformung erfahren haben, auf die Betätigungstemperatur erwärmt (z.B. indem der Strom, der durch diese Elemente geleitet wird, erhöht wird), während der Rest des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 bei etwa T_r gehalten wird. Indem dies vorgenommen wird, sind die Elemente 18 in der Lage, den Übergang von der Martensit-Phase in die Austenit-Phase zu erfahren, und ihre Temperatur kann anschließend auf T_r verringert wer den. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ist nun bereit, um für die nächste Einspannaufgabe umkonfiguriert zu werden.
Obwohl Bezug auf die Verwendung eines elektrischen Stroms zum Erwärmen des Formgedächtnismaterials des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 der Spannvorrichtung 10 genommen wurde, können verschiedene andere Verfahren angewandt werden, um die Temperaturänderungen zu bewirken, die für die verschiedenen oben beschriebenen Phasentransformationen verwendet werden. Beispielsweise kann das Erwärmen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 bewirkt werden, indem es oder die gesamte Spannvorrichtung 10 mit erwärmten Fluiden (Flüssigkeiten und/oder Gase) eingetaucht oder diesen ausgesetzt werden; durch induktives Erwärmen, wenn elektrisch leitende Materialien angewandt werden; dadurch, dass sie einfallendem Laserlicht ausgesetzt werden, durch thermoelektrisches Erwärmen; durch Mikrowellen-Erwärmen; durch Infrarot-Erwärmen; durch Blitzlampen; und dergleichen. Auf ähnliche Weise umfassen verschiedene Mittel zum Kühlen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, sind aber nicht darauf beschränkt, Eintauchen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 oder der gesamten Spannvorrichtung 10 in Kühlfluide oder dieselbe Kühlfluiden Aussetzen; thermoelektrisches Kühlen und dergleichen.
Alternativ können zum Erhöhen des Wirkungsgrades bei der Übertragung der Erwärmung und Kühlung zwei Spannvorrichtungen 10 angewandt werden, wobei eine Spannvorrichtung 10 in einem so genannten "Stand-By"-Modus ist (oder für ein zweites Werkstück 16 trainiert wird) und die andere für ein gegebenes Werkstück 16 angewandt wird. Darüber hinaus können unterschiedliche Typen von SMA-Elementen 18 und/oder 22 angewandt werden, wobei ein Teilsatz von Elementen 18 (oder 22) eine unterschiedliche Phasentransformationstemperatur als der andere Teilsatz von Elementen 22 (oder 18) aufweist.
Es wird nun Bezug auf die Verwendung einer thermoelektrischen Vorrichtung (d.h. als die Aktivierungsvorrichtung, die allgemein mit 24 bezeichnet ist) zum Erwärmen und/oder Abkühlen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 der Spannvorrichtung 10 genommen. Eine thermoelektrische Vorrichtung ist eine elektronische Festkörperkomponente, die Wärme nach dem Durchtritt eines Stromes durch die Vorrichtung emittieren oder absorbieren kann oder umgekehrt. Um Wärmeunterschiede zu erzeugen, beruht eine thermoelektrische Vorrichtung auf dem Peltier-Effekt, der auftritt, wenn ein Strom durch ein Paar unähnliche Leiter, die in einem geschlossenen Kreis miteinander verbunden sind, geleitet wird. Der Strom treibt eine Übertragung von Wärme von einem Übergang der beiden unähnlichen Leiter zu dem anderen an. Die Leiter, die Halbleiter, Metalle, ionische Leiter oder dergleichen sein können, versuchen, zum Ladungsgleichgewicht zurückzukehren, das existierte, bevor der Strom angelegt wurde, indem Energie an einem Übergang absorbiert und diese an den anderen freigegeben wird (d.h. ein Übergang kühlt ab, während sich der andere erwärmt). Zusätzliche Paare (Paare unähnlicher Leiter) können in Reihe geschaltet sein, um diesen Effekt zu verstärken. Die Richtung der Wärmeübertragung wird durch die Polarität des Stromes gesteuert (d.h. eine Umkehrung der Polarität wird die Richtung der Übertragung und somit ob Wärme absorbiert oder emittiert wird, ändern).
Eine beispielhafte thermoelektrische Vorrichtung umfasst ein Array aus Paaren, die zwischen zwei Substraten angeordnet sind. Jedes Paar umfasst einen Halbleiter vom n-Typ und einen vom p-Typ. Die Paare sind derart konfiguriert, dass sie elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind. Die beiden Substrate, die die Plattform für die verbunde nen Paare bereitstellen, können Metalle oder metallisierte Keramiken sein, um die Wärmeübertragung zu erleichtern. Eine thermoelektrische Vorrichtung kann einzeln oder in Gruppen mit elektrischen Reihen-, Parallel- oder Reihen-/Parallel-Schaltungen funktionieren, abhängig von dem gewünschten Niveau an Wärmeübertragung, das benötigt wird, um das besondere Formgedächtnismaterial des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 zu aktivieren.
Die gleiche Halbleiterzusammensetzung kann dotiert sein, um beide Elemente des Paares zu bilden, oder es können zwei unterschiedliche Halbleiterzusammensetzungen verwendet werden. Ein gutes halbleitendes thermoelektrisches Material wird durch seine "Leistungszahl" oder ZT gemessen, wobei T die Temperatur ist und Z definiert ist als: Z = S2/ρKwobei S der Seebeck-Koeffizient ist (das Verhältnis der Leerlaufspannung zur Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Übergangen eines Schaltkreises), ρ der spezifische elektrische Widerstand ist und K die Wärmeleitfähigkeit ist. Es ist erwünscht, dass der Halbleiter eine ZT aufweist, die bei der gegebenen Trainingstemperatur für das besondere Formgedächtnismaterial, das in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 verwendet wird, größer oder gleich etwa 0,5 ist. Halbleitermaterialien, die zur Verwendung mit den hierin offenbarten Spannvorrichtungen geeignet sind, umfassen Legierungen von Blei, Wismut und/oder Antimon mit Tellur und/oder Selen (z.B. Bi₂Te₃, PbTe, SbTe, BiSb, Bi_1,5Sb_0,5Te₃, PbSeTe und dergleichen); CsBi₄Te₆; SiGe; MnTe; gefüllte Skudderudite (z.B. CeFe₄Sb₁₂ und dergleichen); XeIr₄Sb₁₂, Sr₈Ga₁₆Ge₃₀; Chevrel-Verbindungen (z.B. Cu_3,1Mo₆Se₈, Cu_1,38Fe_0,66Mo₆Se₈) und Ti_0,9Mo₆Se₈ und dergleichen); und dergleichen. Ein Fachmann kann in Anbetracht dieser Offenbarung bestimmen, welche Zusammensetzungen zur Verwendung in der Spannvorrichtung 10 auf der Basis der besonderen Formgedächtnismaterialien des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 geeignet wären. Beispielsweise weist Bi₂Te₃ eine ZT von 1,0 bei 300 Grad Kelvin (K) auf und PbTe weist eine ZT von 0,9 bei 500 K auf, die beide mit einem umkonfigurierbaren Anlagestück auf SMP- oder SMA-Basis verwendet werden können.
In 8 ist eine Spannvorrichtung 10 gezeigt, die eine thermoelektrische Einheit als die Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 enthält. Die thermoelektrische Einheit 24 ist zwischen dem Basiselement 12 und dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 angeordnet. Ein Controller (z.B. eine Stromversorgung) 28 steht mit der thermoelektrischen Einheit 24 in elektrischer Verbindung. Der Controller 28 kann optional eine Temperaturmessvorrichtung (z.B. ein Thermoelement) in Wirkverbindung mit der thermoelektrischen Einheit 24 und/oder dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 als ein Mittel zum Bereitstellen einer Rückkopplung für den Controller 28 umfassen.
Eine optionale Klebeschicht 26 kann dazu verwendet werden, die Verbindungsfestigkeit zwischen dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 und der thermoelektrischen Einheit 24 weiter zu verbessern. Geeignete Materialien zur Verwendung in der Haftschicht 26 umfassen elektrisch leitende Polymerklebstoffe, Metallfilme (z.B. Titan, Chrom, Legierungen, die Titan oder Chrom umfassen, und dergleichen), Organosilanverbindungen und dergleichen.
Im Betrieb einer Spannvorrichtung 10, die Gebrauch von einer thermoelektrischen Einheit 24 macht, wird ein Strom durch die thermoelektrische Einheit 24 in einer ersten Richtung geleitet, was bewirkt, dass das Formgedächtnismaterial des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 auf die Trainingstemperatur erwärmt wird. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird dann gegen das Werkstück 16 mit einer Kraft (F₁) gepresst und dazu gebracht, sich derart zu verformen, dass es sich ausreichend an die konturierte Oberfläche des Werkstücks 16 anpasst, wie es in den 2 und 6 gezeigt ist.
Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird dann unter die Trainingstemperatur abgekühlt, indem die Richtung des Stroms, der durch die thermoelektrische Einheit 24 geleitet wird, umgekehrt wird. An diesem Punkt, wie er in den 3 und 7 dargestellt ist, behält das umkonfigurierbare Anlagestück 14 die während des Trainingsschrittes "gelehrte" Konfiguration selbst dann, nachdem es herunter auf die normale Arbeitstemperatur abgekühlt worden ist, und ist zum Einspannen von Werkstücken 16 mit der trainierten Konfiguration geeignet. Der nächste Trainingsschritt oder ein Rücksetzschritt können ausgeführt werden, indem ein Strom durch die thermoelektrische Einheit 24 in der ersten Richtung geleitet wird, was wieder bewirkt, dass das Formgedächtnismaterial des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 auf die Trainingstemperatur erwärmt wird.
In einem vorteilhaften Merkmal der Verwendung einer thermoelektrischen Einheit 24 kann ein Temperaturgradient in dem Formgedächtnismaterial hergestellt werden (z.B. durch Umkehren der Richtung des Stromes), während es sich im erwärmten Zustand befindet (d.h. bei oder über der Trainingstemperatur), aber bevor das umkonfigurierbare Anlagestück 14 in Kontakt mit der Trainingsoberfläche gebracht wird. Dieser Temperaturgradient führt erwünschtermaßen zu einer höheren Temperatur an der Oberfläche des zu trainierenden umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 und zu einer niedrigen Temperatur an einem inneren Abschnitt (d.h. innen von der zu trainierenden Oberfläche). Auf diese Weise behält der kältere Ab schnitt des Formgedächtnismaterials, und somit das umkonfigurierbare Anlagestück 14, seine Form und Steifigkeit bei, während der wärmere Abschnitt unter Kompression trainiert wird. Der Temperaturgradient erlaubt eine geeignete Temperatursteuerung, was vorteilhaft sein kann, wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 und die Trainingsoberfläche unterschiedliche thermische Massen und Temperaturen aufweisen. Beispielsweise kann das Herstellen des Temperaturgradienten helfen, ein Schmelzen oder ein Delaminieren/Trennen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 aus Formgedächtnispolymer von dem Basiselement 12 zu verhindern.
Eine andere Spannvorrichtung 10, die eine thermoelektrische Einheit 24 enthält, ist in 9 gezeigt. Die Spannvorrichtung 10 umfasst eine Kammer 30, die zwischen dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 und dem Basiselement 12 angeordnet ist. Die Kammer 30 umfasst einen Einlass 32 (in dieser Ausführungsform zwei Einlässe 32 und 34) und einen Auslass 36, durch die Luft strömen kann. Die thermoelektrische Einheit 24, die mit dem Controller 28 in elektrischer Verbindung steht, ist innerhalb der Kammer angeordnet, so dass durch die thermoelektrische Einheit 24 zwei Abschnitte definiert sind. Auf der einen Seite der thermoelektrischen Einheit 24 befindet sich eine Wärmesenke 38, und auf einer entgegengesetzten Seite der thermoelektrischen Einheit befindet sich eine Kältesenke 40. Die Wärmesenke 38 und die Kältesenke 40 befinden sich unterstromig der Einlässe 32 und 34. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ist an dem Kammerauslass 36 angeordnet.
Im Betrieb der in 9 gezeigten Spannvorrichtung 10 wird ein Strom durch die thermoelektrische Einheit 24 geleitet, der dazu dient, dass die Wärmesenke 38 erwärmt (und die Kältesenke 40 wiederum abgekühlt) wird. Luft, die durch die Kammer 30 über den Kammereinlass 32 ge drückt wird, wird durch die Wärmesenke 38 erwärmt und verlässt den Kammerauslass 36, wo sie mit dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 in Kontakt gelangt. Sobald das Formgedächtnismaterial des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 auf die Trainingstemperatur erwärmt ist, kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 gegen das Werkstück 16 mit einer Kraft (F₁) gepresst und dazu gebracht werden, sich derart zu verformen, dass es sich ausreichend an die konturierte Oberfläche des Werkstücks 16 anpasst, wie es in den 2 und 6 gezeigt ist.
Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 wird dann unter die Trainingstemperatur abgekühlt, während es noch unter F₁ steht. Das umkonfigurierbare Anlagestück 14 kann natürlich abgekühlt werden, indem die Luftzufuhr zu dem Kammereinlass 32 abgeschaltet und der Strom, der durch die thermoelektrische Einheit 24 fließt, unterbrochen wird. Alternativ kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 abgekühlt werden, indem die Luftzufuhr zu dem Kammereinlass 32 abgeschaltet wird und Luft durch die Kammer 30 über den Kammereinlass 34 gedrückt wird, wo sie durch die Kältesenke 40 abgekühlt wird und den Kammerauslass 36 verlässt, um mit dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 in Kontakt zu gelangen. An diesem Punkt behält das umkonfigurierbare Anlagestück 14, wie es in den 3 und 7 dargestellt ist, die während des Trainingsschrittes "gelehrte" Konfiguration, selbst nachdem es herunter auf die reguläre Arbeitstemperatur abgekühlt worden ist, und ist zum Einspannen von Werkstücken 16 mit der trainierten Konfiguration geeignet. Der Strom, der durch die thermoelektrische Einheit 24 geleitet wird, und jegliche Luft, die durch die Kammer 30 strömt, können nach dem Trainingsschritt unterbrochen werden. Anschließende Trainingsschritte können auf eine ähnliche Weise durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann die Spannvorrichtung 10 ein Ventil (z.B. ein Rückschlagventil oder ein Klappenventil) 42 umfassen, das sich unterstromig der thermoelektrischen Einheit 24, der Wärmesenke 38 und der Kältesenke 40 befindet. Das Ventil kann verhindern, dass Luft, während sie durch die Kammer 30 gedrückt wird, in einen Einlass über die Kammer hinweg und aus dem anderen Einlass heraus strömt.
In einer anderen Ausführungsform kann die Spannvorrichtung 10 ferner eine perforierte Platte 44 umfassen, die zwischen dem Kammerauslass 36 und dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 angeordnet ist. Die perforierte Platte 44 stellt eine zusätzliche Unterstützungsstruktur für das umkonfigurierbare Anlagestück 14 zu dessen Auflage bereit, während zugelassen wird, dass Luft aus der Kammer 30 strömt, um das umkonfigurierbare Anlagestück 14 zu erwärmen oder abzukühlen.
In den 8 und 9 ist die Spannvorrichtung 10 in Wirkverbindung mit dem Controller 28 gezeigt. Mehrere Sensoren 46 befinden sich mit dem Controller 28 in elektrischer Verbindung. Die Sensoren 46 messen verschiedene Parameter, die zu dem Betrieb der Spannvorrichtung gehören, welche, ohne Einschränkung darauf, Positionen der Bauteile umfassen, die die Spannvorrichtung 10 definieren (z.B. das umkonfigurierbare Anlagestück 14, das Werkstück 16, ein gegenüberliegendes Anlagestück, falls vorhanden, und dergleichen), Temperaturen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 und/oder des Werkstücks 16 und/oder der Umgebung, in der die Spannvorrichtung betrieben wird, die Größe von Kräften, die während der Anwendungen der Unterstützung oder Klemmung aufgebracht werden, den Zustand der einzelnen Bauteile, der aktiv überwacht werden kann, und dergleichen. Eine Rückkopplung von den Sensoren 46 in den Controller 28 kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Spannvorrichtung 10 auf die vorgesehene Weise arbeitet. Unter Verwen dung geeigneter Algorithmen kann der Controller 28 auf der Basis der von den Sensoren erhaltenen Werte einen oder mehrere Aktoren 48 betätigen, um eine gewünschte Funktion durchzuführen und somit den gewünschten Parameter zu regeln, wie es für die besondere Anwendung erwünscht ist. Die Sensoren 46 sollen nicht auf irgendeine besondere Position oder Form begrenzt sein. Beispielsweise können die Sensoren 46 mit den durch die Spannvorrichtung 10 definierten Bauteilen integriert oder außerhalb von diesen angeordnet sein. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Spannvorrichtung auch vollständig oder teilweise manuell gesteuert sein. Die manuelle Steuerung kann entweder nur zum Abstimmen des Prozesses während der Einstellung erfolgen, wobei unterschiedliche Materialien und/oder Systemkonstruktionen ausprobiert werden, oder kann der Betriebsmodus für Produktionsläufe mit eingeschränktem Volumen sein.
In der Technik sind verschiedene Typen von Sensoren 46 bekannt, die geeignet verwendet werden können, um den besonderen Parameter zu überwachen. Beispielsweise können Sensoren zum Detektieren einer Position und einer Orientierung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 und/oder des Werkstücks 16 einen Sensor auf der Basis von Gelenkkoordinaten umfassen, z.B. Encoder für Drehgelenke und Linearverschiebungswandlern für Schubgelenke. In anderen beispielhaften Ausführungsformen können die Sensoren 46 Sensoren 46 auf Sichtbasis umfassen, die die Position und Orientierung eines starren Endeffektors beeinflussen unter Verwendung eines Satzes von Bezugsmarkern, die einem Bezugskoordinatensystem zugeordnet sind. Andere geeignete Positionssensoren können Grenzschalter umfassen, die ein Bewegungsende entlang verschiedener Bewegungsachsen detektieren, in die die Spannvorrichtung oder das Werkstück 16 laufen kann. Der besondere zum Überwachen des besonderen Parameters angewandte Sensor soll wieder nicht auf irgendeinen besonderen Typ begrenzt sein.
Geeignete Sensoren zum Messen von Kräften umfassen die Verwendung von Kraftmeßdosen, die mechanisch in Reihe mit der Spannvorrichtung 10 konfiguriert sein können. Alternativ kann eine oder können mehrere Dehnmessstreifen, die auf elastischen Elementen montiert sind, mechanisch mit der Spannvorrichtung 10 gekoppelt sein, um die Kraftniveaus zu messen. Das Messen von Kraftniveaus kann in manchen Anwendungen, wie etwa Klemmanwendungen, erwünscht sein, sowie Kraftniveaus, die von dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 auf ein Werkstück in Unterstützungsanwendungen ausgeübt werden. Die Kräfte werden vorzugsweise so nahe wie möglich bei der Werkstückoberfläche an dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 gemessen, wie es zuverlässig und genau vorgenommen werden kann. In anderen Ausführungsformen können die Kräfte von dem Drehmoment an dem Basiselement 12 oder anderen Abschnitten der Spannvorrichtung 10 abgeleitet werden. Sensoren, die auf einer indirekten Messung der Kräfte beruhen, können ebenfalls geeignet verwendet werden. Beispielsweise kann ein Eingangssignal (z.B. ein Strom in elektrischen Klemmen, Luftdruck in pneumatischen Klemmen, usw.) für den Aktor 48 benutzt werden, der für das Erzeugen einer entsprechenden Kraft verantwortlich ist.
Geeignete Temperatursensoren umfassen Sensoren sowohl vom Kontakttyp als auch vom Nichtkontakttyp. Beispielsweise umfassen geeignete Sensoren auf Kontaktbasis, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) und Birnen- und Kapillarvorrichtungen. Temperatursensoren auf Nichtkontaktbasis umfassen, sollen aber nicht darauf beschrankt sein, Pyrometer, Infrarotsensoren und faseroptische Temperatursensoren (z.B. Fluro-Optik). Die Temperatursensoren können positioniert sein, um die Temperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, des Werkstücks 16, die Umgebungstemperatur in und um die Spannvorrichtung herum sowie von irgendeiner anderen Komponente zu messen, wo es erwünscht sein kann, die Temperatur zu messen, z.B. das Basiselement. Ähnlich kann der Temperatursensor für eine Volumenmessung oder für hervorragende Punkte innerhalb der Spannvorrichtung angewandt werden.
Beispielsweise umfassen hervorragende Punkte des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, an denen eine Temperaturmessung erwünscht sein kann, das Messen zumindest von Abschnitten des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, die eine festgelegte Temperatur überschreiten, wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 erwärmt wird. Das Messen der letzten Abschnitte des umkonfigurierbaren Anlagestücks kann bei manchen Anwendungen wichtig sein, da es sein kann, dass das umkonfigurierbare Anlagestück nicht gleichmäßig dimensioniert ist, so dass kein gleichmäßiges Erwärmen erfolgt. Das Messen der hervorragenden Punkte, um sicherzustellen, dass das umkonfigurierbare Anlagestück die festgelegte Temperatur erreicht und/oder überschritten hat, kann die Betriebslebensdauer verlängern sowie einen richtigen Betrieb sicherstellen. Gleichermaßen kann es wünschenswert sein, die hervorragenden Punkte, die den letzten Abschnitten des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 zugeordnet sind, welche auf unter eine festgelegte Temperatur abgekühlt werden, wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 abgekühlt wird, zu messen. Die Lage der hervorragenden Punkte kann von der Geometrie des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, dem Verfahren zum Erwärmen und/oder Kühlen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, der Systemkonfiguration und/oder den Eigenschaften des Materials, das das umkonfigurierbare Anlagestück 14 umfasst, abhängen.
Die Volumentemperaturmessung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 kann vorgenommen werden, indem Änderungen einer Volumeneigenschaft (z.B. Steifigkeitsänderungen, Färbungsänderungen und/oder dergleichen) überwacht werden, die dann mit der Temperatur korreliert werden. Beispielsweise können in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 thermochrome Materialien (z.B. entweder zufällig verteilt oder spezifisch an den hervorragenden Punkten angeordnet) eingebettet sein. Wie es Fachleute feststellen werden, erfahren thermochrome Materialien eine Änderung der Farbe, Farbschattierung und/oder Opazität in Ansprechen auf eine Änderung der Temperatur. Die thermochromen Materialien können derart ausgewählt werden, dass eine spezifische Temperatur (z.B. T_form oder T_set) durch diese Indikatoren angegeben wird, oder ein Bereich unterschiedlicher Temperaturen aus den unterschiedlichen Farben/Farbschattierungen/Opazitäten, die für eine oder mehrere der thermochromen Materialien spezifisch sind, abgeleitet werden kann.
Eine Temperaturmessung der Umgebung um die Spannvorrichtung 10 herum, und insbesondere in und um die Nähe des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 herum, kann nützliche Informationen, die mit einem Wärmeverlust durch natürliche und/oder erzwungene Konvektion in Beziehung stehen, und/oder Strahlung von freiliegenden Oberflächen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 liefern. Wenn die Oberflächentemperaturen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 zuverlässig gemessen werden, dann kann die Messung der Umgebungstemperatur dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass die Spannvorrichtung 10 richtig funktioniert. Wenn jedoch die Oberflächentemperaturen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 nicht zuverlässig gemessen werden können, dann muss die Oberflächentemperatur von der Quellentemperatur, den thermophysikalischen Eigenschaften des Materials, den Oberflächenwärmeübertragungseigenschaften und der Umgebungstemperatur abgeleitet werden. Fälle, in denen die Oberflächentemperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 nicht zuverlässig gemessen werden kann, umfassen beispielsweise, wenn das Thermoelement infolge von Zyklusermüdung oder dergleichen auszufallen beginnt, wenn es eine Ansammlung von Schmutz auf der Oberfläche des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 gibt, der die optischen Messungen schwierig machen kann, und dergleichen.
Eine direkte oder indirekte Temperaturmessung des Werkstücks 16 kann auch in Anwendungen nützlich sein, bei denen das Werkstück 16 eine große thermische Masse besitzt. In diesen Anwendungen, wenn das Werkstück 16 in Kontakt mit dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 gebracht wird, ist die Arbeitsoberfläche des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 der Temperatur des Werkstücks 16 ausgesetzt. Die Verwendung eines umkonfigurierbaren Anlagestücks, das besispielsweise aus einem Formgedächtnispolymer gebildet ist, und wenn das Werkstück 16 kälter ist als die Arbeitsoberfläche des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, kann ein schnelles lokales Abkühlen der Arbeitsoberfläche auftreten. Wenn ein derartiges schnelles Abkühlen auftritt, während das umkonfigurierbare Anlagestück 14 trainiert wird, können Gradienten im Elastizitätsmodul auftreten und ein lokales Ausfallen bei/in der Nähe der Arbeitsoberfläche hervorrufen. Wenn gleichermaßen ein heißes Werkstück 16 in Kontakt mit der Arbeitsoberfläche des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 gebracht wird, die kälter ist als das Werkstück 16, kann ein örtliches Erwärmen auftreten, und wenn die Temperatur des Werkstücks 16 über der T_g1 liegt, kann das Erwärmen hervorrufen, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 seine festgelegte Form verliert. Wenn zusätzlich das Werkstück 16 bewirkt, dass die Temperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 über T_max ansteigt, kann dies eine irreversible Beschädigung an dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 hervorrufen. Aus zu mindest diesen Gründen ist es erwünscht, die Temperatur des Werkstücks 16 zu messen, die direkt von dem Werkstück 16 weg gemessen werden kann (z.B. ein Thermoelement kann in Kontakt mit dem Werkstück 16 stehen, oder über einen kontaktlosen Temperatursensor wie einen IR-Sensor), oder die Temperatur des Werkstücks 16 kann alternativ von der Endtemperatur des vorhergehenden Prozesses, der Umgebungstemperatur oder dergleichen abgeleitet werden.
Der besondere angewandte Typ von Temperatursensor wird im Allgemeinen von dem Bereich der zu messenden Temperaturen, der Ansprechzeit für die Messtechnik, den Sensoren 46, die gegenüber Rauschen und störenden Eingängen empfänglich sind, den Kosten des Sensors und dergleichen abhängen. Eine zusätzliche Erwägung, insbesondere für das Messen der Temperaturen an den hervorragenden Punkten an oder in dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 ist, dass die Messtechnik mit den großen Verformungen, die das umkonfigurierbare Anlagestück 14 während des Betriebes erfahren kann (z.B. bei manchen Anwendungen können sich lokale Dehnungen 100 % annähern), verträglich sein sollte.
In anderen Ausführungsformen wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 zu Beginn mit einer hohen Erwärmungsrate erwärmt, wobei es den unten angegebenen Randbedingungen unterliegt, und die Erwärmungsrate wird allmählich verringert, wenn die gewünschte Betriebstemperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 erreicht ist. Ein ähnlicher Ansatz kann genauso beim Abkühlen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 verwendet werden. Beispielsweise kann der Controller 28 eine EIN-/AUS-Steuerstrategie anwenden, bei der die Temperatur der Heizquelle und/oder die Strömungsrate des Übertragungsmediums fest sind und eine Variation in der Wärmeströmungsrate erreicht wird, indem die Wärmeströmung EIN- oder AUS-geschaltet wird. Ein anderer Ansatz umfasst das Umschalten zwischen mehreren Niveaus einer Wärmeströmungsrate zwischen AUS und (vollständig) EIN. Beispielsweise kann ein Pulsweitenmodulationsschema verwendet werden, bei dem die Dauer der EIN- und AUS-Impulse derart gesteuert wird, dass die gewünschte Wärmeströmungsrate erreicht wird.
Die maximale zulässige Temperatur für irgendein Material in dem System, das in Kontakt mit dem Medium gelangt, oder die Nennleistung der Heizquelle legt eine Begrenzung der maximalen Temperatur des Mediums fest. Die Strömungskapazität des Systems (z.B. das Gebläse, das dazu verwendet wird, die Strömung zu erzeugen) legt eine Begrenzung dafür fest, wie viel Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung praktisch erreicht werden kann. Die Wärmediffusion des Materials, das das umkonfigurierbare Anlagestück 14 definiert, bestimmt, wie schnell Wärme in das Material hinein ausgebreitet werden kann. Wenn mehr Wärme zugeführt wird, als in das umkonfigurierbare Anlagestück 14 diffundiert werden kann, wird die Oberfläche des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 überhitzen und zu dessen Ausfall führen. Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 abgekühlt wird und die Kühlrate sehr hoch ist (z.B. schneller als die Zeitkonstante der viskoelastischen Spannungsrelaxation), können sich die Spannungen in dem Material nicht entspannen, bevor das SMP in seine steife Form zurückkehrt, was zum Versagen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 führen kann.
In anderen Ausführungsformen kann die Spannvorrichtung so genannte Lebensdauerendesensoren (EOL-Sensoren) umfassen. Die besonderen Parameter, die von den EOL-Sensoren gemessen werden, können variieren und können dazu benutzt werden, den Zustand des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 zu messen. Beispielsweise kann der EOL-Sensor einen Parameter messen, der die Fähigkeit des umkonfigurierbaren Anlage stücks 14 angibt, eine trainierte Konfiguration aufrechtzuerhalten, sowie die Fähigkeit des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, sich zu einer gewünschten Konfiguration zu verformen. Zusätzlich kann der EOL-Sensor konfiguriert sein, um Informationen über das umkonfigurierbare Anlagestück 14 zu liefern, die mit Verschleiß, thermomechanisch induzierter Ermüdung, thermisch induzierter Oxidation, Kaltrissbildung, plastische Verformung und dergleichen in Beziehung stehen. Zusätzlich kann eine statistische Analyse der Informationen, die von den Parametern geliefert werden, die von dem EOL-Sensor erfasst werden, dazu verwendet werden, einen Ausfall des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 vorherzusagen. Beispielsweise können unterschiedliche Versagenstypen unterschiedlichen charakteristischen Sensordatenfolgen zugeordnet sein, und das angesammelte Wissen der Verwendung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 kann dazu verwendet werden, die erwartete Zeit bis zum Versagen zu berechnen. Ein einfacher Zähler/einfache Zähler kann/können dazu verwendet werden, die Zahl der Trainings- und Verwendungszyklen zu verfolgen. Wenn eine dieser Zahlen einen entsprechenden Schwellenwert übersteigt (der von dem Gebrauch in der Fabrik oder durch Labortesterfahrung erhalten wird), kann man davon ausgehen, dass die Nutzlebensdauer des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 verstrichen ist. Dieses Kriterium kann unabhängig oder in Verbindung mit anderen Indikatoren (z.B. jene, die oben beschrieben wurden) verwendet werden, um eine Wartungsanforderung zu markieren. Zusätzlich kann ein Schutzwartungsplan unter Verwendung der Informationen, die durch die Zähler verfolgt werden, zusammen mit dem Zustand des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 ermittelt werden, um einen präventiven Halterungswechsel zu empfehlen, wie es für manche Anwendungen erwünscht sein kann.
Der Controller 28 selbst umfasst einen Prozessor, der Statussignale von den mehreren Sensoren 46 empfängt und Befehlssignale an den Aktor 48 überträgt. In diesen Ausführungsformen, die die thermoelektrische Einheit 24 anwenden, können die Befehlssignale ebenso zu der thermoelektrischen Einheit 24 übertragen werden. Der Controller 28 kann auch ein Betriebssignal von einem Benutzer empfangen, das eine gewünschte Aktion der Spannvorrichtung 10 angibt. In beispielhaften Ausführungsformen umfasst der Controller 28 eine Steuerlogik und/oder Steueralgorithmen, um eine Vielfalt von Steuerfunktionen bereitzustellen. Verschiedene Steuerfunktionen können, ohne dass sie darauf eingeschränkt sein sollen, eine Erwärmungsfunktion, eine Kühlfunktion, eine Positionierungsfunktion, eine Lokalisierungsfunktion, Öffnungs- und Schließfunktionen für Klemmanwendungen, eine Statusfunktion, eine Rücksetzfunktion und dergleichen umfassen. Jede Funktion empfängt spezifische Statussignale von den verschiedenen Sensoren 46 und überträgt in Ansprechen darauf Befehlssignale an den besonderen Aktor 48, der für die programmierte Funktion verantwortlich ist. Diese Funktionen können unabhängig, in Kombination oder Teilfunktionen eines größeren Steueralgorithmus verwendet werden. Beispielsweise kann eine Trainingsfunktion zum Trainieren des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 die Öffnungs-, Lokalisierungs-, Positionierungs-, Erwärmungs-, Schließ- und Kühlfunktionen intelligent ausführen, um das umkonfigurierbare Anlagestück 14 auf die Form des Werkstücks 16 oder einer Bezugsformstückoberfläche zu trainieren. Darüber hinaus kann der Controller 28 einen Speicher umfassen, der zulässt, dass der Controller empfangene Statussignale als Variablen speichert, auf die von der einen oder den mehreren Funktionen zugegriffen werden kann.
Beispielhaft kann die Erwärmungsfunktion dazu verwendet werden, das umkonfigurierbare Anlagestück 14 selektiv zu erwärmen. Die Erwärmungsfunktion kann mehrere Eingangsparameter (d.h. Statussignale) von den verschiedenen Temperatursensoren, die Temperaturinformationen lieferten, empfangen. Abhängig von der Anwendung können die Temperaturinformationen beispielsweise die gegenwärtige Temperatur des Werkstücks 16, die Temperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, die Temperatur der vorragenden Punkte des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 und dergleichen umfassen. Auf der Basis der Eingangsstatussignale sowie des besonderen programmierten Algorithmus kann die Erwärmungsfunktion dann die Temperatur aufrechterhalten und modulieren. Eine Temperaturmodulation kann zusätzliche Variablen, wie etwa die Gesamterwärmungszeit, eine gegenwärtige Erwärmungsrate, eine maximale Erwärmungszeit, eine maximale Erwärmungsrate, eine maximale zulässige Temperatur, die Eigenschaften des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 und dergleichen umfassen. In Ansprechen auf die Eingangsparameter und -variablen überträgt die Erwärmungsfunktion in Ansprechen Befehlssignale an den besonderen Aktor und/oder Heizer/Kühler, um die programmierte Funktion bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen kann Verarbeitungsfolgevorwissen benutzt werden (z.B. das Starten des Erwärmens am Ende eines vorhergehenden Zyklus, wenn es bekannt ist, dass eine Umkonfiguration bei dem nächsten Zyklus notwendig ist).
Es werden nun Steuerstrategien für verschiedene Aufgabenniveaus beschrieben. Die Steuerstrategien sind beispielhaft und sollen nicht auf die beschriebenen eingeschränkt sein. Die Spannvorrichtung 10 kann durch die Verwendung dieser Aufgaben gesteuert werden, welche ein Benutzer oder ein größeres Steuersystem ausführen kann, indem ein Betriebssignal an den Controller 28 übertragen wird. Diese Aufgaben umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, eine Positionieraufgabe, eine Trainingsaufgabe, eine Festlegungsaufgabe, eine Klemmaufgabe und dergleichen. Bei Empfang des Betriebssignals führt der Controller 28 in Ansprechen eine oder mehrere Funktionen aus. Der Controller 28 kann mit einem größeren Steuersystem elektronisch über verschiedene Mittel kommunizieren. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Controller 28 eine Anzeige und eine Eingabevorrichtung zum Empfangen von Betriebssignalen von einem Benutzer und zum Anzeigen von Informationen, wie etwa Fehler-Flags für den Benutzer, umfassen.
In einer Ausführungsform, die mit dem Erwärmen des umkonfigurierbaren Anlagestücks in Beziehung steht, ist die Erwärmungsfunktion programmierbar, um zu prüfen, dass die gegenwärtige Erwärmungsbedingung kleiner ist als die maximale sichere Erwärmungsbedingung für das umkonfigurierbare Anlagestück 14, die maximale Temperatur (T_max) niedriger ist als die maximal zulässige Temperatur (T_all); die Gesamterwärmungszeit (t_H) in dem Erwärmungszyklus kürzer ist als die maximale Erwärmungszeit (t_HM) und dass zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: die Temperatur der Arbeitsoberfläche (T_ws) des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 ist niedriger als die Formungstemperatur T_form; die minimale Temperatur T_min ist niedriger als ein Faktor von T_form; oder die Temperatur bei Spannungsspitzen (T_sr) ist niedriger als ein Faktor von T_form. Die Temperatur bei Spannungsspitzen bezieht sich auf die Temperatur an Bereichen innerhalb der Halterung, die hohe Dehnungen und/oder Spannungen während des Trainings oder der Verwendung der Halterungen erfahren. Bevor die Erwärmungsbedingung des umkonfigurierbaren Anlagestücks verringert wird, kann die Erwärmungsfunktion gleichermaßen prüfen, dass zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: die T_ws des umkonfigurierbaren Anlagestücks ist höher als ein Faktor von T_form; die T_min ist höher als ein Faktor von T_form; die T_sr ist höher als ein Faktor von T_form; oder dass die T_max höher als T_all ist.
In einer Ausführungsform, die mit dem Kühlen des umkonfigurierbaren Anlagestücks in Beziehung steht, kann die Kühlfunktion derart programmiert sein, dass sie zunächst prüft, dass die gegenwärtige Kühlbedingung geringer ist als die maximale Kühlbedingung und die Zeit in dem Kühlzyklus (t_C) geringer ist als die maximale Kühlzeit (t_CM); und dass zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: die T_ws des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 ist höher als die Festlegungstemperatur (T_set); oder die T_max ist höher als ein Faktor von T_set;.
In einer Ausführungsform, die mit der Positionierfunktion zum Positionieren des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 und/oder des Werkstücks 16 in Beziehung steht, kann die Positionierfunktion mehrere Eingangsparameter empfangen, die beispielsweise mit der gegenwärtigen Position des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14, der gegenwärtigen Position des Werkstücks 16 und dergleichen in Beziehung stehen. Die Positionsparameter können durch eine Boolsche Variable definiert sein, die auf 1 festgelegt sein kann, wenn die gegenwärtige Position des Werkstücks 16 und/oder des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 sich in der gewünschten Position befindet. In beispielhaften Ausführungsformen sind die gewünschten Positionen des Werkstücks 16 und des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 Variablen, die von dem Controller 28 gespeichert werden, auf die die Positionsfunktion zugreifen kann. Der Controller 28 überträgt in Ansprechen Befehlssignale an die Aktoren 48, um gegebenenfalls die Positionen des Werkstücks 16 und/oder des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 einzustellen.
In einer Ausführungsform kann die Positionierfunktion vor dem Bewegen des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 derart programmiert sein, dass sie zunächst prüft, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 nicht in Gebrauch ist. Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück nicht in Gebrauch ist, kann die Positionierfunktion fortfahren, das umkonfigurierbare Anlagestück 14 und/oder das Werkstück 16 zu bewegen, bis der Positionsstatusparameter anzeigt, dass sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 und das Werkstück in der gewünschten Position befinden.
Die Lokalisierungsfunktion kann dazu verwendet werden, zu prüfen, ob die Referenz, z.B. das Werkstück 16 oder das Bezugsformstück, gegen die Arbeitsoberfläche des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 angeordnet ist. Die Lokalisierungsfunktion kann mehrere Eingangsparameter umfassen, die, ohne Einschränkung darauf, ein Lokalisierungs-Flag, der Positionsstatus, ein Trainings-Flag und dergleichen umfassen. Beispielsweise können das Lokalisierungs-Flag und/oder Trainings-Flag eine Boolsche Variable sein, die auf 1 gesetzt ist, wenn das Werkstück 16 gegen die Arbeitsoberfläche des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 angeordnet ist, und die sonst 0 bleibt. Die Lokalisierungsfunktion kann das Lokalisierungs-Flag in Ansprechen auf die Position des Werkstücks 16 und/oder des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 bereitstellen.
In einer beispielhaften Ausführungsform prüft die Lokalisierungsfunktion zunächst, ob der Positionsstatus anzeigt, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 und/oder das Werkstück 16 (oder die Bezugsformstückoberfläche) richtig positioniert sind, und dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 nicht in Gebrauch ist. Wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind, kann ein Flag gesetzt werden, das angibt, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 sich in dem Trainingszustand befindet oder das umkonfigurierbare Anlagestück trainiert wird, beispielsweise indem die Schließfunktion ausgeführt wird. Wenn zusätzlich die T_ws des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 niedriger ist als T_form oder T niedriger ist als ein Faktor von T_form, kann die Lokalisierungsfunktion programmiert sein, um die Erwärmungsfunktion auszuführen und somit die Temperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks zum Training zu erhöhen. Die Lokalisierungsfunktion kann auch derart programmiert sein, dass sie die Kräfte erhöht, die durch oder auf das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ausgeübt werden, während das Werkstück 16 oder die Hauptoberfläche richtig positioniert ist und die gegenwärtige Kraft niedriger als die maximale Kraft ist. In den Ausführungsformen, in denen ein Trainingszykluszähler verwendet wird, kann die Lokalisierungsfunktion auch den Trainingszykluszähler inkrementieren.
Die Öffnungs- und Schließfunktionen können in den Ausführungsformen verwendet werden, bei denen das umkonfigurierbare Anlagestück 14 in eine Klemme eingebaut ist. Im Allgemeinen verwendet der Controller 28 die Öffnungs- und Schließfunktionen, um die Kraft, die von dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 auf das Werkstück 16 oder die Bezugsformstückfläche zum Training des umkonfigurierbaren Anlagestücks 12 ausgeübt wird, in Eingriff zu bringen, zu lösen und festzulegen. Die Öffnungsfunktion kann beispielsweise derart programmiert sein, dass sie prüft, ob sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 in dem geschlossenen Zustand befindet und, wenn dies der Fall ist, das umkonfigurierbare Anlagestück 14 öffnet, es sei denn, das Trainings-Flag ist gesetzt und die Werkstücktemperatur ist höher als die Formfestlegungstemperatur. Wenn diese beiden Bedingungen nicht erfüllt sind, setzt die Öffnungsfunktion ein Fehler-Flag und belässt das umkonfigurierbare Anlagestück 14 in dem geschlossenen Zustand. Die Schließfunktion kann derart programmiert sein, dass sie einen gewünschten Kraftparameter empfängt und das umkonfigurierbare Anlagestück 14 in den geschlossenen Zustand verbringt, wobei die Kraft, die von dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 ausgeübt wird, gleich dem gewünschten Kraftparameter ist.
Der maximale Wert der Kraft, die von dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 ausgeübt wird, ist im Allgemeinen von der Kinematik des Klemmmechanismus und der Kraft/Drehmoment-Kapazität des Aktors abhängig. Das Einstellen der Kraft/Drehmoment-Kapazität des Aktors (z.B. durch Erhöhen des Luftdrucks in einer pneumatischen Klemme) oder das Einstellen der kinematischen Parameter des Aktormechanismus kann eine Änderung der maximalen Kraft ermöglichen. Wenn die maximale Kraft steuerbar ist, können unterschiedliche Kraftniveaus zum Training und zur Verwendung des trainierten umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 ausgewählt werden. Beispielsweise hat das umkonfigurierbare Anlagestück 14, wobei ein umkonfigurierbares Anlagestück 14 verwendet wird, das beispielsweise aus SMP gebildet ist, während des Trainings einen niedrigen Elastizitätsmodul und kann viel leichter verformt werden als während des tatsächlichen Gebrauchs, wenn das Material einen signifikant höheren Elastizitätsmodul aufweist. Deshalb kann während des Formtrainings eine geringere maximale Kraft verwendet werden als während der regulären Benutzung. In Ausführungsformen, in denen die Kraft in Bezug auf die Zeit verändert werden kann, kann eine Steuerstrategie, die die Aufprallkraft zwischen dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 und dem Werkstück 16 oder der Bezugsformstückoberfläche minimiert, dazu benutzt werden, eine glatte und gleichmäßige Zunahme der Kraft sicherzustellen, die entweder auf oder durch das umkonfigurierbare Anlagestück 14 aufgebracht wird.
Die Statusfunktion kann derart programmiert sein, dass sie Informationen hinsichtlich dessen liefert, ob das umkonfigurierbare Anlagestück 14 das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat, indem der Wert einer Verschleißzustandsvariablen geprüft wird. Beispielhaft kann die Verschleißzustandsvariable eine Boolsche Variable sein, die auf 1 gesetzt ist, wenn eine Lebensdauerendevariable angibt, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat. Die Statusfunktion kann auch derart programmiert sein, dass sie prüft, ob die Umgebungstemperatur höher als die Trainingstemperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 ist. Wenn die Umgebungstemperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt, kann ein Fehler-Flag gesetzt werden, das angibt, dass die Funktion nicht richtig ausgeführt werden konnte. In diesem Fall kann die Kühlfunktion aufgerufen werden, um die Temperatur des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 zu vermindern, und die Statusfunktion kann erneut ausgeführt werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Statusfunktion derart programmiert sein, dass sie angibt, dass das Anlagestück vor dem nächsten Zyklus (Training oder Gebrauch) ausgetauscht werden muss, wenn zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: ein manuelles Übergehen wird von dem Bediener (lokal oder von fern) aktiviert, um einen Austausch des Anlagestücks zu markieren; der Trainingszykluszähler ist größer als oder gleich der maximalen Anzahl von Trainingszyklen; der Verwendungszähler ist größer als oder gleich der maximalen Anzahl von Verwendungszyklen; oder die Verschleißvariable gibt an, dass das umkonfigurierbare Anlagestück am Ende seiner Lebensdauer ist. Zusätzlich kann die Statusfunktion derart programmiert sein, dass sie ein Fehler-Flag setzt, wenn die Umgebungstemperatur (T_amb) höher als T_set ist.
Die Rücksetzfunktion kann dazu verwendet werden, mehrere Parameter und Variablen, die von dem Controller 28 gespeichert werden, zurückzusetzen, um wiederzuspiegeln, dass ein neues umkonfigurierbares Anlagestück 14 in die Spannvorrichtung 10 eingebaut worden ist. Beispielhaft kann die Rücksetzfunktion die Verschleißzustandsvariable auf 0 zurücksetzen, um anzugeben, dass das neue umkonfigurierbare Anlagestück nicht verschlissen ist. Zusätzlich kann das Rücksetz-Flag jegliche Zähler zurücksetzen, die dazu verwendet werden, die Verwendung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 zu verfolgen, wie es für verschiedene Anwendungen erwünscht sein kann.
In 10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Steuerprozesses zur Verwendung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 allgemein mit 50 bezeichnet. Der erste Schritt in dem Steuerprozess 50 ist, den Status des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 zu prüfen, wie es bei Prozessschritt 52 gezeigt ist. Wenn sich das umkonfigurierbare Anlagestück 14 bei oder in der Nähe des Endes seiner Lebensdauer befindet, kann der Steuerprozess derart entworfen sein, dass er ein Wartungsanforderungs-Flag setzt (wie es bei Prozessschritt 54 gezeigt ist), das angibt, dass das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ausgetauscht oder repariert werden muss. Sobald das umkonfigurierbare Anlagestück 14 ausgetauscht worden ist, kann der Steuerprozess 50 jegliche Zähler oder Variablen zurücksetzen und den Steuerprozess 50 neu starten, wie es bei Prozessschritt 56 gezeigt ist. Wenn die Statusfunktion angibt, dass die Umgebungstemperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt, kann der Steuerprozess 50 die Kühlfunktion ausführen. Nachdem der Steuerprozess die Statusprüfung bei Schritt 52 erfolgreich durchlaufen hat, schreitet der Steuerprozess 50 zum Prozessschritt 58 fort.
Bei Prozessschritt 58 bestimmt der Steuerprozess 50, ob das umkonfigurierbare Anlagestück 14 trainiert werden muss. Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 nicht trainiert werden muss, fährt der Steuerprozess 50 zu Prozessschritt 62 fort. Wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 trainiert werden muss, fährt der Steuerprozess 50 zu Prozessschritt 60 fort, bei dem das umkonfigurierbare Anlagestück 14 dann auf die zuvor beschriebene Weise trainiert wird. Während des Prozessschrittes 60 kann das umkonfigurierbare Anlagestück 14 unter Verwendung der früher beschriebenen Ansätze trainiert werden, um eine spezifische Form anzunehmen. Sobald das umkonfigurierbare Anlagestück 14 trainiert worden ist, schreitet der Steuerprozess 50 jedes Mal dann zu Prozessschritt 62 fort, wenn das umkonfigurierbare Anlagestück 14 dazu verwendet wird, eine gewünschte Funktion durchzuführen. Während des Prozessschrittes 62 kann der Steuerprozess 50 verschiedene Funktionen ausführen, die, ohne Einschränkung darauf, die Lokalisierungsfunktion, die Positionierfunktion, die Öffnungsfunktion, die Schließfunktion oder dergleichen umfassen.
Wie es zuvor beschrieben wurde, kann die Spannvorrichtung 10 zusätzlich zu Unterstützungsanwendungen für Klemmanwendungen angewandt werden und ein gegenüberliegendes Anlagestück umfassen. Abhängig von der Anwendung kann das gegenüberliegende Anlagestück ein umkonfigurierbares Anlagestück sein, das aus einem sekundären Formgedächtnismaterial (aus dem gleichen oder unterschiedlichen Formgedächtnismaterial) aufgebaut ist, und kann an einem gegenüberliegenden Basiselement angeordnet sein. Das gegenüberliegende Anlagestück kann auch mehrere Sensoren 46 in elektrischer Verbindung mit dem Controller 28 umfassen. Ähnlich kann das gegenüberliegende Basiselement einen sekundären Aktor in elektrischer Verbindung mit dem Controller 28 umfassen. In anderen Ausführungsformen kann das gegenüberliegende Anlagestück 14 eine thermoelektrische Einheit umfassen, die dazu verwendet werden kann, die Temperatur und Umgebung des gegenüberliegenden Anlagestücks 14 zu modulieren.
In einer Ausführungsform werden zwei Spannvorrichtungen 10 für jede Klemmstelle verwendet, wobei eines der umkonfigurierbaren Anlagestücke 14 zum Einspannen des gegenwärtigen Werkstücks 16 verwendet werden kann, während das andere umkonfigurierbare Anlagestück 14 gleichzeitig für das nächste Werkstück trainiert wird. Wenn die Verarbeitung des gegenwärtigen Werkstücks 16 abgeschlossen ist, werden die gegenwärtig aktiven Spannvorrichtungen 10 von der Arbeitsstelle wegbewegt. Die andere Spannvorrichtung 10 wird hineinbewegt, um das nächste Werkstück 16 zu verarbeiten und wird die gegenwärtig aktive Spannvorrichtung 10, und der obige Prozess kann wiederholt werden. Durch diesen Ansatz kann eine Verringerung der effektiven Umkonfigurationszeiten (d.h. die Umkonfigurationszeit, die zu der Gesamtzeit beiträgt, die das Werkstück 16 an der Arbeitsstation zubringt) erreicht werden.
Wie es Fachleute erkennen werden, kann das Trainieren und Festlegen der Form des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 im Betrieb oder außerhalb des Betriebs vorgenommen werden. In dem Ansatz im Betrieb wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 direkt an dem Werkstück 16 trainiert, das zum Einspannen verwendet wird. In dem Ansatz außerhalb des Betriebes wird das umkonfigurierbare Anlagestück 14 andererseits an einer Bezugsformstückoberfläche trainiert, die eine invertierte Reproduktion der Form ist, die dem umkonfigurierbaren Anlagestück 14 verliehen werden soll. Eine Umkonfiguration im Betrieb erfordert keine zusätzlichen Bauteile, wie die etwa die Bezugsformstückoberfläche, die in dem Ansatz außerhalb des Betriebes verwendet wird, und kann somit dazu verwendet werden, ein selbständiges und weniger teures umkonfigurierbares Klemmsystem bereitzustellen. Ein Training außerhalb des Betriebes und die Verwendung des umkonfigurierbaren Anlagestücks 14 sind vom Konzept her unterschiedlich, und diese Trennung befreit den Trainingsprozess von einigen der Einschränkungen, die zu dem Training in dem Umkonfigurationsansatz im Betrieb gehören. Im Allgemeinen führt ein Training außerhalb des Betriebes zu einer größeren Flexibilität und zu einer besseren Auswahl von Verfahren, die zum Erwärmen und Kühlen der Halterungen verwendet werden können.
Wie es oben beschrieben wurde, kann die vorliegende Offenbarung in der Form von computerimplementierten Prozessen und Vorrichtungen zur praktischen Ausführung dieser Prozesse ausgeführt sein. Die vorliegende Offenbarung kann beispielsweise in der Form von Computerprogrammcode ausgeführt sein, der Anweisungen enthält, die in handfesten Medien, wie etwa Laufwerksdisketten, CD-ROMs, Festplatten oder irgendeinem anderen computerlesbaren Speichermedium enthalten sein können, wobei, wenn der Computerprogrammcode in einem Computer geladen und von diesem ausgeführt wird, der Computer eine Vorrichtung zur praktischen Ausführung der Offenbarung wird. Die vorliegende Offenbarung kann beispielsweise auch in der Form von Computerprogrammcode ausgeführt sein, ob in einem Speichermedium gespeichert, in einem Computer geladen und/oder von diesem ausgeführt oder über irgendein Übertragungsmedium übertragen, in einem Computer geladen und/oder von diesem ausgeführt, oder über irgendein Übertragungsmedium übertragen, wie etwa über eine elektronische Verdrahtung oder Kabel, durch Faseroptik oder über elektromagnetische Strahlung, wobei, wenn der Computerprogrammcode in einen Computer geladen und von diesem ausgeführt wird, der Computer zu einer Vorrichtung zur praktischen Ausführung der Erfindung wird. Bei Implementierung in einem Vielzweckmikroprozessor konfigurieren die Computerprogrammcodesegmente den Mikroprozessor, um spezifische logische Kreise zu schaffen.
Obgleich die Offenbarung anhand beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente für Elemente dafür eingesetzt 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 wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt sein, die als die beste Ausführungsart offenbart ist, die zur Ausführung dieser Offenbarung in Betracht gezogen wird, sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Eine Spannvorrichtung (10) umfasst im Allgemeinen ein Basiselement (12) ein umkonfigurierbares Anlagestück (14), das auf dem Basiselement (12) angeordnet ist, wobei das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich selektiv an eine Oberflächenkontur eines Werkstücks (16) anzupassen, und eine Aktivierungsvorrichtung (24) in Wirkverbindung mit dem Formgedächtnismaterial. Hierin sind ebenfalls Computerprogrammprodukte sowie Verfahren zum Verwenden, Steuern und Anpassen der Spannvorrichtung (10) offenbart.

Claims

Spannvorrichtung (10), umfassend: ein Basiselement (12); ein umkonfigurierbares Anlagestück (14), das auf dem Basiselement (12) angeordnet ist, wobei das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich selektiv an eine Oberflächenkontur eines Werkstücks (16) anzupassen; und eine Aktivierungsvorrichtung (24) in Wirkverbindung mit dem Formgedächtnismaterial.
Spannvorrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Controller (28) in Wirkverbindung mit zumindest einem von dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14), der Aktivierungsvorrichtung (24) und dem Basiselement (12); mehrere Sensoren (46) zum Erfassen eines Parameters, der zumindest einem von dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14), dem Basiselement (12), der Spannvorrichtung (10) und dem Werkstück (16) zugeordnet ist, wobei die mehreren Sensoren (46) mit dem Controller (28) in Wirkverbindung stehen; und einen Aktor (48) in Wirkverbindung mit dem Controller (28) und dem zumindest einen von dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14), dem Basiselement (12), der Spannvorrichtung (10) und dem Werkstück (16).
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formgedächtnismaterial eine Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein Baroplastik, eine Formgedächtniskeramik, ein Verbund mit einer Formgedächtnislegierung und einem Formgedächtnispolymer, ein Verbund aus einem der Vorstehenden und einem nicht Formgedächtnismaterial oder eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden ist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein gegenüberliegendes Anlagestück umfasst, wobei das gegenüberliegende Anlagestück und das umkonfigurierbare Anlagestück (14) konfiguriert sind, um dazwischen das Werkstück (16) einzuspannen.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gegenüberliegende Anlagestück ein umkonfigurierbares gegenüberliegendes Anlagestück ist, das ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich selektiv an eine gegenüberliegende Oberflächenkontur des Werkstücks (16) anzupassen.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formgedächtnismaterial des umkonfigurierbaren gegenüberliegenden Anlagestücks eine Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein Baroplastik, eine Formgedächtniskeramik, ein Verbund mit einer Formgedächtnislegierung und einem Formgedächtnispolymer, ein Verbund aus einem der Vorstehenden und einem Nichtformgedächtnismaterial oder eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden ist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formgedächtnismaterial des umkonfigurierbaren gegenüberliegenden Anlagestücks in Wirkverbindung mit der Aktivierungsvorrichtung (24) oder einer unterschiedlichen Aktivierungsvorrichtung (24) steht.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein gegenüberliegendes Basiselement umfasst, auf dem das gegenüberliegende Anlagestück angeordnet ist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Passstift (15) umfasst, der auf dem Basiselement (12) angeordnet ist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Sensoren (46) konfiguriert sind, um einen Parameter zu erfassen, der zumindest einem von dem gegenüberliegenden Anlagestück, dem gegenüberliegenden Basiselement und dem Passstift (15) zugeordnet ist.
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erfasste Parameter, der zumindest einem von dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14), dem Basiselement (12), der Spannvorrichtung (10), dem Werkstück (16), dem gegenüberliegenden Anlagestück, dem gegenüberliegenden Basiselement und dem Passstift (15) zugeordnet ist, zumindest einer der folgenden ist: eine Temperatur, die zumindest einem von dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14), dem Basiselement (12), der Spannvorrichtung (10) und dem Werkstück (16) zugeordnet ist; eine Temperatur, die einer Umgebung der Spannvorrichtung (10) zugeordnet ist; eine Position des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14), des Basiselements (12) und des Werkstücks (16); eine Lage des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14), des Basiselements (12) und des Werkstücks (16); eine Kraft, die auf das umkonfigurierbare Anlagestück (14), das Basiselement (12), die Spannvorrichtung (10) und das Werkstück (16) aufgebracht ist; und ein Status des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14)
Spannvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine von der Aktivierungsvorrichtung (24) und der unterschiedlichen Aktivierungsvorrichtung (24) eine thermoelektrische Einheit (24) ist.
Computerprogrammprodukt zum Einspannen eines Werkstücks (16), wobei das Computerprogrammprodukt umfasst: ein Speichermedium, das von einem Verarbeitungsschaltkreis lesbar ist und Anweisungen zur Ausführung durch den Verarbeitungsschaltkreis speichert, um ein Verfahren zu ermöglichen, das umfasst, dass ein Parameter, der einer umkonfigurierbaren Spannvorrichtung zugeordnet ist, mit zumindest einem Sensor (46) detektiert wird, um zumindest ein einen Parameter definierendes Signal zu erzeugen; das zumindest eine den Parameter definierende Signal von dem zumindest einen Sensor (46) verarbeitet wird und ein Ausgangssignal an eine Steuerschnittstelle gesendet wird, wobei das Ausgangssignal dazu dient, eine Funktion durchzuführen, die zumindest eine umfasst von einer Erwärmungsfunktion, einer Kühlfunktion, einer Positionierungsfunktion, einer Lokalisierungsfunkti on, Öffnungs- und Schließfunktionen, einer Rücksetzfunktion und einer Statusprüfungsfunktion, wobei die umkonfigurierbare Spannvorrichtung ein umkonfigurierbares Anlagestück (14) umfasst, das aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 13, wobei das den Parameter definierende Signal eine Position des Werkstücks (16) und des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14), eine Temperatur des Werkstücks (16) und des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14), eine Umgebungstemperatur, die der Spannvorrichtung zugeordnet ist, ein Kraftniveau des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14) gegen das Werkstück (16), einen Status des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14) und eine Lage des Werkstücks (16) und des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14) angibt.
Computerprogrammprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formgedächtnismaterial eine Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein Baroplastik, eine Formgedächtniskeramik, ein Verbund mit einer Formgedächtnislegierung und einem Formgedächtnispolymer, ein Verbund aus einem der Vorstehenden und einem Nichtformgedächtnismaterial oder eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden ist.
Prozess, der umfasst, dass: eine Oberfläche zumindest eines Werkstücks (16) mit einem umkonfigurierbaren Anlagestück (14) einer Spannvorrichtung (10) in Kontakt gebracht wird, wobei das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich an die Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16) anzupassen; und das in Kontakt stehende Werkstück (16) eingespannt wird.
Prozess nach Anspruch 16, der ferner umfasst, dass das umkonfigurierbare Anlagestück (14) der Spannvorrichtung (10) an die Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16) angepasst wird, bevor es in Kontakt gebracht wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anpassen umfasst, dass: das Formgedächtnismaterial aktiviert wird; eine Kraft auf das umkonfigurierbare Anlagestück (14) aufgebracht wird, die dazu dient, das umkonfigurierbare Anlagestück (14) von einer ursprünglichen Form in eine Form zu verformen, die sich an die Oberfläche des Werkstücks (16) oder eine Trainingsoberfläche anpasst; und das Formgedächtnismaterial deaktiviert wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aktivieren des Formgedächtnismaterials umfasst, dass zumindest eines von Wärme, Feuchtigkeit und Licht auf das Formgedächtnismaterial aufgebracht wird, und wobei das Deaktivieren des Formgedächtnismaterials umfasst, dass das zumindest eine von der Wärme, der Feuchtigkeit und dem Licht unterbrochen wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner umfasst, dass das umkonfigurierbare Anlagestück (14) zu einer unterschiedlichen Form zurückgesetzt wird, die einer Oberfläche von zumindest einem unterschiedlichen Werkstück (16) entspricht.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rücksetzen umfasst, dass das Formgedächtnismaterial ohne eine aufgebrachte Last aktiviert wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einspannen umfasst, dass das Werkstück (16) in einer festen Position unterstützt wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Inkontaktbringen umfasst, dass das Werkstück (16) zwischen dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14) der Spannvorrichtung (10) und einem anderen Anlagestück der Spannvorrichtung (10) angeordnet wird, und das Einspannen umfasst, dass das Werkstück (16) in einer festen Position geklemmt wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das andere Anlagestück der Spannvorrichtung (10) ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich an die andere Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16) anzupassen.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner umfasst, dass das andere Anlagestück der Spannvorrichtung (10) vor dem Inkontaktbringen an die andere Oberfläche des Werkstücks (16) angepasst wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner umfasst, dass ein Passstift verwendet wird, um Informationen hinsichtlich der Lage des Werkstücks (16) zu liefern.
Prozess, der umfasst, dass: eine erste Oberfläche eines ersten Werkstücks (16) mit einem umkonfigurierbaren Anlagestück (14) einer Spannvorrichtung (10) in Kontakt gebracht wird, wobei das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich an die erste Oberfläche des ersten Werkstücks (16) anzupassen; das in Kontakt stehende erste Werkstück (16) eingespannt wird; das umkonfigurierbare Anlagestück (14) der Spannvorrichtung (10) an eine zweite Oberfläche eines zweiten Werkstücks (16) angepasst wird; die zweite Oberfläche des zweiten Werkstücks (16) mit dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14) der Spannvorrichtung (10) in Kontakt gebracht wird; und das zweite Werkstück (16) eingespannt wird.
Prozess nach Anspruch 27, der ferner umfasst, dass das umkonfigurierbare Anlagestück (14) vor dem Anpassen in eine ursprüngliche Form zurückgesetzt wird.
Prozess zum Anpassen eines umkonfigurierbaren Anlagestücks (14) einer Spannvorrichtung (10) an einer Oberfläche von zumindest einem Werkstück (16), wobei der Prozess umfasst, dass: das umkonfigurierbare Anlagestück (14) erwärmt wird, was dazu dient, eine Temperatur eines Formgedächtnismaterials auf oder über eine Formeinstellungstemperatur zu erhöhen; eine Kraft auf das umkonfigurierbare Anlagestück (14) aufgebracht wird, die dazu dient, das umkonfigurierbare Anlagestück (14) von einer ursprünglichen Form in eine Form zu verformen, die sich an die Oberfläche des zumindest einen Werkstücks (16) anpasst; und das Formgedächtnismaterial unter die Formeinstellungstemperatur abgekühlt wird.
Prozess nach Anspruch 29, wobei das Erwärmen Widerstandserwärmen, Inkontaktbringen mit einem erwärmten Fluid, induktives Erwärmen, Mikrowellenerwärmen, einem Laserlicht Aussetzen, thermoelektrisches Erwärmen, Mikrowellenerwärmen, Infraroterwärmen, einer Blitzlampe Aussetzen, konvektives Erwärmen oder eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden umfasst.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen umfasst, dass das Werkstück (16) mit dem erwärmten umkonfigurierbaren Anlagestück (14) in Kontakt gebracht wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen umfasst, dass ein Bezugsformgegenstand mit einer Form, die im Wesentlichen der des Werkstücks (16) ähnlich ist, mit dem erwärmten umkonfigurierbaren Anlagestück (14) in Kontakt gebracht wird.
Prozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abkühlen Wegnehmen einer Erwärmungsquelle, freie konvektive Fluidkühlung, erzwungene konvektive Fluidkühlung, Inkontaktbringen eines gekühlten Fluids, thermoelektrisches Kühlen oder eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden umfasst.
Verfahren zum Steuern einer umkonfigurierbaren Spannvorrichtung (10), das umfasst, dass ein Statussignal von einem Sensor (46) für einen Controller (28) empfangen wird, wobei der Sensor (46) mit zumindest einem von einem Basiselement (12) und einem umkonfigurierbaren Anlagestück (14), das auf dem Basiselement (12) angeordnet ist, in Wirkverbindung steht, wobei das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ein Formgedächtnismaterial umfasst, das konfiguriert ist, um sich selektiv an eine Oberflächenkontur eines Werkstücks (16) anzupassen; ein Betriebssignal von einem Benutzer empfangen wird; ein Befehlssignal in Ansprechen auf das Statussignal und/oder das Betriebssignal erzeugt wird; und das Befehlssignal von dem Controller (28) an zumindest eine von einer Aktivierungsvorrichtung (24) in Wirkverbindung mit dem Formgedächtnismaterial und einem Aktor (48) in Wirkverbindung mit dem Basiselement (12) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 34, das ferner umfasst, dass ein sekundäres Statussignal von einem sekundären Sensor (46) empfangen wird, wobei der sekundäre Sensor (46) mit einem gegenüberliegenden Anlagestück in Wirkverbindung steht, wobei das gegenüberliegende Anlagestück und das umkonfigurierbare Anlagestück (14) konfiguriert sind, um das Werkstück (16) dazwischen einzuspannen, und wobei das Befehlssignal in Ansprechen auf das Statussignal, das Betriebssignal und/oder das sekundäre Statussignal erzeugt und dann an zumindest eines von der Aktivierungsvorrichtung (24), dem Aktor (48) und einem sekundären Aktor (48) in Wirkverbindung mit dem gegenüberliegenden Anlagestück übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gegenüberliegende Anlagestück ein Formgedächtnismaterial umfasst, und wobei das Befehlssignal an eine sekundäre Aktivierungsvorrichtung (24) in Wirkverbindung mit dem Formgedächtnismaterial des gegenüberliegenden Anlagestücks übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Statussignal zumindest eines der Folgenden angibt: eine Temperatur, die zumindest einem von dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14), dem Basiselement (12), der Spannvorrichtung (10) und dem Werkstück (16) zugeordnet ist; eine Temperatur, die einer Umgebung der Spannvorrichtung (10) zugeordnet ist; eine Position, des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14), des Basiselements (12) und des Werkstücks (16); eine Lage des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14), des Basiselements (12) und des Werkstücks (16); eine Kraft, die auf das umkonfigurierbare Anlagestück (14), das Basiselement (12), die Spannvorrichtung (10) und das Werkstück (16) aufgebracht wird; und einen Status des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das sekundäre Statusssignal zumindest eines der Folgenden angibt: eine Temperatur des gegenüberliegenden Anlagestücks; eine Position des gegenüberliegenden Anlagestücks; und einen Status des gegenüberliegenden Anlagestücks.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Befehlssignal zumindest eines von einer gewünschten Änderung ei ner Temperatur, eine Position des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14), eine Position des gegenüberliegenden Anlagestücks, eine Krafteinstellung zwischen dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14) und dem Werkstück (16), ein Fehler-Flag und ob das gegenüberliegende Anlagestück und das umkonfigurierbare Anlagestück (14) sich in einer offenen Position und einer geschlossenen Position befinden, angibt.
Verfahren (50) zur Verwendung einer umkonfigurierbaren Spannvorrichtung (10), das umfasst, dass: ein Werkstück (16) zu einem umkonfigurierbaren Anlagestück (14) transferiert wird, wobei das Transferieren des Werkstücks (16) umfasst, dass ein Status des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14) geprüft wird (52); festgestellt wird (58), ob das umkonfigurierbare Anlagestück (14) umkonfiguriert werden muss; das Werkstück (16) gegen das umkonfigurierbare Anlagestück (14) positioniert und eingespannt wird (62), wobei das Positionieren und Einspannen (62) des Werkstücks (16) umfasst, dass die Lage des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14) bestimmt wird und das Werkstück (16) mit dem umkonfigurierbaren Anlagestück (14) eingespannt wird; und ein Arbeitsgang an dem Werkstück (16) durchgeführt wird.
Verfahren (50) nach Anspruch 40, wobei der Status des umkonfigurierbaren Anlagestücks (14) festlegt, ob das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ein Ende seiner Lebensdauer erreicht hat.
Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner umfasst, dass ein Flag gesetzt wird (54), wann eine Bedingung eines Lebensdauerendes für das umkonfigurierbare Anlage stück (14) erfüllt ist, und das umkonfigurierbare Anlagestück (14) ersetzt oder repariert wird.
Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feststellen (58), ob das umkonfigurierbare Anlagestück (14) umkonfiguriert werden muss, ferner umfasst, dass das umkonfigurierbare Anlagestück (14) trainiert wird (60), um sich an die Oberflächenkontur des Werkstücks (16) anzupassen.
Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feststellen (58), ob das umkonfigurierbare Anlagestück (14) umkonfiguriert werden muss, ferner umfasst, dass das umkonfigurierbare Anlagestück (14) trainiert wird (60), um sich an die Oberflächenkontur eines Bezugsformstücks anzupassen.