DE112006000372T5 - Umkonfigurierbare Strukturen auf der Basis von Knoten aus aktivem Material - Google Patents

Umkonfigurierbare Strukturen auf der Basis von Knoten aus aktivem Material Download PDF

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Alan L. Grosse Pointe Browne
Nilesh D. Ann Arbor Mankame
Nancy L. Northville Johnson
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    • B29C61/0608Making preforms having internal stresses, e.g. plastic memory characterised by the configuration or structure of the preforms

Abstract

Umkonfigurierbare Struktur, umfassend:
zumindest eine Nabe; und
mehrere Arme, die an der zumindest einen Nabe angebracht sind und sich von dieser erstrecken, wobei zumindest ein Abschnitt des Arms und/oder der Nabe einen Knoten definiert und aus einem aktiven Material gebildet ist, das eingerichtet ist, zumindest ein Merkmal in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern, wobei die Änderung des zumindest einen Merkmals eine Änderung einer Moduleigenschaft, einer Formorientierung oder einer Kombination aus der Moduleigenschaft und der Formorientierung an dem Abschnitt aus aktivem Material ist;
eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, die eingerichtet ist, das Aktivierungssignal bereitzustellen; und
einen Controller in Wirkverbindung mit der Aktivierungsvorrichtung.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen U.S. Patentanmeldung Nr. 60/654,309 , die am 19. Februar 2005 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig miteingeschlossen ist.
  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein umkonfigurierbare Strukturen auf der Basis von Knoten aus aktivem Material.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Hierin sind umkonfigurierbare Strukturen auf der Basis von Knoten aus aktivem Material offenbart. In einer Ausführungsform umfasst die umkonfigurierbare Struktur zumindest eine Nabe; mehrere Arme, die an der zumindest einen Nabe angebracht sind und sich von dieser erstrecken, wobei zumindest ein Abschnitt der Nabe und/oder des Arms einen Knoten definiert und aus einem aktivem Material gebildet ist, das eingerichtet ist, zumindest ein Merkmal in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern, wobei die Änderung des zumindest einen Merkmals eine Änderung einer Moduleigenschaft, einer Formorientierung oder einer Kombination aus der Moduleigenschaft und der Formorientierung an dem Abschnitt aus aktivem Material ist; eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, die eingerichtet ist, das Aktivierungssignal bereitzustellen; und einen Controller in Wirkverbindung mit der Aktivierungsvorrichtung. Es ist zu verstehen, dass die Arme verschiedene geometrische Querschnittsformen annehmen können, die, ohne Einschränkung darauf, Stangen, Streifen (sowohl dicke als auch dünne) und Bahnen (sowohl dicke als auch dünne) umfassen, und dass ihre Verbindungen an den Naben die geometrisch übereinstimmende Form von Löchern, Schlitzen und dergleichen annehmen können.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum selektiven Umkonfigurieren einer Struktur, dass ein Aktivierungssignal an einen Knoten einer umkonfigurierbaren Struktur angelegt wird, die mehrere Arme umfasst, die fest an der Nabe angebracht sind, wobei der Knoten zumindest einen Abschnitt der Nabe und/oder des Arms umfasst und aus einem aktiven Material gebildet ist; und eine ausgewählte Eigenschaft von einer Moduleigenschaft, einer Formorientierung und einer Kombination aus der Moduleigenschaft und der Formorientierung an dem Knoten geändert wird.
  • 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, veranschaulicht:
  • 1 schematisch eine umkonfigurierbare Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
  • 2 schematisch eine umkonfigurierbare Struktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
  • 3 eine Schnittansicht eines Strukturelements.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Hierin sind umkonfigurierbare Strukturen auf der Basis von Knoten aus aktivem Material offenbart, wobei der Modul oder die Form von einem oder mehreren ausgewählten Knoten durch Anlegen eines geeigneten Feldes reversibel geändert werden kann. Auf diese Weise kann die Struktur nach Bedarf umkonfiguriert werden, und/oder die Steifigkeit der Struktur kann verändert werden. Die umkonfigurierbare Struktur kann mehrdimensional sein und kann auch als eine Buchse für eine bedarfsabhängige selektive Verbindung und/oder Trennung von zusätzlichen Strukturen dienen. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können die verschiedenen Knoten selektiv aktiviert und deaktiviert werden, um eine Vielzahl von Anwendungen zu ermöglichen.
  • Der Ausdruck "aktives Material", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf unterschiedliche Materialklassen, von denen alle eine Änderung zumindest eines Merkmals, wie etwa der Abmessung, Form und/oder des Elastizitätsmoduls zeigen, wenn sie zumindest einem Typ von vielen unterschiedlichen Typen von angelegten Aktivierungssignalen ausgesetzt werden, wobei Beispiele derartiger Signale thermisch, elektrisch, magnetisch, mechanisch, pneumatisch und dergleichen sind. Eine Klasse von aktiven Materialien sind Formgedächtnismaterialien. Diese Materialien zeigen einen Formgedächtniseffekt. Genauer können sie, nachdem sie pseudoplastisch verformt worden sind, in Ansprechen auf das Aktivie rungssignal zu ihrer ursprünglichen Form zurückgesetzt werden. Geeignete Formgedächtnismaterialien umfassen, ohne Beschränkung darauf, Formgedächtnislegierungen (SMA), magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA) und Formgedächtnispolymere (SMP). Eine zweite Klasse von aktiven Materialien kann als diejenigen angesehen werden, die eine Änderung zumindest eines Merkmals zeigen, wenn sie einem angelegten Aktivierungssignal ausgesetzt sind, aber bei Wegnahme des angelegten Aktivierungssignals zu ihrem ursprünglichen Zustand zurückkehren. Aktive Materialien in dieser Kategorie umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR), elektrorheologische Fluide (ER), Baroplastik, Verbundstoffe aus einem oder mehreren der vorstehenden Materialien mit nicht aktiven Materialien, Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden Materialien und dergleichen.
  • Von den oben angeführten aktiven Materialien können die SMA, MSMA, EAP und zu einem geringeren Grade MR-Elastomere bei Anlegen des geeigneten Aktivierungssignals eine messbare Blockierkraft entwickeln, wodurch eine zusätzliche Funktionalität einer selbstbetätigbaren, und in manchen Fällen reversibel umkonfigurierbaren, Struktur bereitgestellt wird. Im Gegensatz dazu bieten aktive Materialien, wie etwa die SMP, die Baroplastike und die MR- und ER-Fluide wenig oder keine Betätigungskraft. Diese Materialien stellen jedoch die Fähigkeit bereit, die Knoten an ihrer Position zu verriegeln, und können, indem sie dies tun, die internen Spannungen verriegeln, die sonst bewirken würden, die Struktur umzukonfigurieren. Im Besonderen können die SMP und Baroplastike dazu dienen, die Strukturgeometrie zu verriegeln, wenn sie nicht aktiviert sind, wohingegen das MR- und ER-Fluid die Struktur verriegeln würde, wenn es aktiviert ist. Der Fachmann wird leicht die einzigartigen Eigenschaften feststellen, die den unterschiedlichen aktiven Materialien eigen und für diese spezifisch sind, und diese Kenntnis leicht auf die besondere umkonfigurierbare Struktur und Anwendung in Anbetracht der vorliegenden Offenbarung anwenden.
  • 1 veranschaulicht eine beispielhafte umkonfigurierbare Struktur, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die umkonfigurierbare Struktur 10 umfasst mehrere Arme 12, die radial von einer zentralen Nabe 14 angeordnet sind. Obwohl vier Arme gezeigt sind, können mehr oder weniger Arme angewandt werden. Gleichermaßen kann jeder Arm die gleiche Form oder unterschiedliche Formen aufweisen, die nicht notwendigerweise geradlinig ist bzw. sind, wie es gezeigt ist. Darüber hinaus sind auch komplexe Geometrien für manche Anwendungen in Betracht zu ziehen, obwohl die umkonfigurierbare Struktur 10 als eine im Wesentlichen ebene einfache Struktur gezeigt ist. Beispielsweise kann die Struktur mehrere Naben umfassen oder kann mit zusätzlichen umkonfigurierbaren Strukturen verbunden sein, um eine dreidimensionale ikosaederförmige Konfiguration zu bilden. Als solche soll die umkonfigurierbare Struktur nicht auf irgendeine besondere Gestalt oder Form beschränkt sein.
  • Armverbinder 16 sind an jedem Ende der Arme 12 angeordnet, um die umkonfigurierbare Struktur mit einem anderen Bauteil oder einer anderen umkonfigurierbaren Struktur zu verbinden. Die Verbinder 16 können irgendeine Gestalt oder Form annehmen, die zur Anbringung an einer zusätzlichen Struktur geeignet ist. Die zusätzliche Struktur kann umkonfigurierbar oder nicht umkonfigurierbar sein und kann irgendeine Gestalt oder Form annehmen. Zu Darstellungszwecken sind die Arme 12 aus einem Formgedächtnispolymer gebildet und definieren den Knoten (obwohl es gleichermaßen zu verstehen ist, dass es in Betracht zu ziehende Ausführungsformen gibt, in denen die Naben die Knoten umfassen könnten und/oder in denen sowohl die Naben und zumindest ein Abschnitt der Arme die Knoten umfassen). Eine Aktivierungsvorrichtung 18 und ein Controller 20 stehen mit dem aktiven Material in Wirkverbindung, um eine selektive Aktivierung mit einem geeigneten Aktivierungssignal bereitzustellen. Beispielsweise umfasst in dem angegebenen Beispiel das Aktivierungssignal, dass einer oder mehrere der Arme (Knoten) auf über die Tg für zumindest eines der Segmente, die das Formgedächtnispolymer definieren, erwärmt wird, was den Young'schen Modul (E) und die Schermoduleigenschaften (G-Eigenschaften) vermindert und somit die Biege- und Torsionssteifigkeitseigenschaften der umkonfigurierbaren Struktur ändert. In ihrer erwärmten Form kann die Konfiguration des Arms/der Arme leicht geändert werden, und die neue Position kann festgelegt werden, indem unter die Tg abgekühlt wird, während die neue Konfiguration gehalten wird (wodurch jegliche interne Spannungen verriegelt werden). Sobald der Arm auf unter Tg abgekühlt worden ist, erlangt er wieder seine frühere E und G, und somit ist seine ursprüngliche Steifigkeit wiederhergestellt, aber die Struktur selbst ist neu konfiguriert.
  • In einer Ausführungsform sind die ausgewählten Knoten aus einem aktiven Material gebildet, das temporär durch Anlegen eines angelegten Feldes "erweicht" wird, um zuzulassen, dass die Struktur durch eine angelegte Kraft oder eine interne Spannung umkonfiguriert wird. Die angelegte Kraft oder interne Spannung könnte verschiedene Formen annehmen, z.B. natürlich auftretende und künstlich auftretende. Natürlich auftretende angelegte Kräfte oder interne Spannungen können aus der Umgebung resultieren, in der die umkonfigurierbare Struktur 10 angeordnet ist, wohingegen künstlich angelegte Kräfte oder Spannungen durch künstliche äußerlich angewandte Aktionen auftreten können, etwa um die Geometrie der Struktur auf eine gewünschte oder beliebige Weise zu verändern. Die internen oder externen Spannungen, die die Geometrie ändern, müssen die geänderte Geometrie halten, bis sie festgelegt oder darin verriegelt ist. Das angelegte Feld wird dann weggenommen, während die Knoten in der umkonfigurierten Konfiguration bleiben. Andere Ausführungsformen umfassen, dass die Steifigkeitseigenschaften gesteuert werden, im Gegensatz dazu, dass die Geometrie der umkonfigurierbaren Struktur verändert wird. In einer noch anderen Ausführungsform werden die Knoten bei Empfang der Aktivierung verformt. Dies umfasst, dass beispielsweise eine Struktur in ihre ursprüngliche/Ausgangsgeometrie im Anschluss eine Verzerrung der Form der Struktur zurückgestellt wird, in der die Verzerrung ausschließlich aufgrund "plastischer" Änderungen der Geometrie der Knoten beruhte.
  • In einer anderen Ausführungsform können Hybridknoten aus Kombinationen von unterschiedlichen aktiven Materialien gebildet sein, die dann "erweicht" werden. Beispielsweise aktiviert das Anlegen eines ersten Feldes selektiv ein erstes aktives Material ("erweicht" dieses). Die Geometrie des Knotens wird dann durch das Anlegen eines zweiten Feldes verändert, das das zweite aktive Material ("Aktor") aktiviert. Auf diese Weise können das Modulverhalten und die Formorientierung der Stuktur auf die spezifische Anwendung, in der die umkonfigurierbare Struktur verwendet wird, zugeschnitten werden.
  • Verbundmaterialien können diese Funktionalität noch weiter ausdehnen. Ein Federstahleinsatz (der nicht gezeigt ist), der dem Basisabschnitt entspricht, kann dazu dienen, die ursprüngliche Konfiguration ohne die Notwendigkeit einer äußeren Last wiederherzustellen, wenn der Verbinder über Tg hinaus erwärmt wird. Die Steifigkeit des Einsatzes (Biege- und/oder Torsionseigenschaften) ist vorzugsweise derart gewählt, dass sie geringer als die Steifigkeit des SMP-Arms unterhalb von Tg und größer als diese oberhalb von Tg ist.
  • In einer anderen Ausführungsform wird ein SMA-Einsatz mit vorgespannter Martensit-Phase entsprechend der Basiskonfiguration verwendet. Dann kann ein Aktivierungssignal dazu verwendet werden, die Konfiguration nach dem Gebrauch zurückzusetzen, und es können viel größere Anderungen der Konfiguration ermöglicht werden. Eine antagonistische SMA-Betätigung kann ebenfalls dazu verwendet werden, die Änderung der Konfiguration des Verbinders von fern zu bewirken und zu steuern, wodurch kompakte, selbstbetätigte, umkonfigurierbare Verbinder erzielt werden.
  • In einer anderen Ausführungsform wird ein SMA-Einsatz mit einer spannungsinduzierten Phasenänderung zu der martensitischen Phase, d.h. eine SMA, die superelastisch vorgespannt ist, in Kombination mit SMP an einem Knoten verwendet. Das SMP verriegelt die superelastische Dehnung in der SMA, die dann wiederhergestellt werden kann, indem die Konfiguration durch Erwärmen und somit Erweichen des SMP wiederhergestellt wird.
  • Vorteilhafterweise können derartige umkonfigurierbare Strukturen dazu verwendet werden, die Konfiguration lokal zu andern (d.h. unkoordinierte Konfigurationsänderungen an einem oder mehreren Verbindern in einer verstrebungsähnlichen Struktur), oder die Konfiguration global zu ändern (koordinierte Änderungen der Konfiguration über zwei oder mehr Verbinder) der Struktur, in der sie verwendet werden, ohne die Notwendigkeit zum Auseinanderbau. Dies kann für eine schnelle Modellierung sehr nützlich sein. Die Umkonfigurierbarkeit ermöglicht auch die Verwendung von einem Basisverbinder in vielen verwandten Anwendungen oder Stilen, wobei die exakte Verbindergeometrie während des Zusammenbaus eingestellt wird, um zum Stil oder zu der Anwendung zu passen. Dies verringert die Anzahl von getrennten Gegenständen, die benötigt werden, um ein oder mehrere Werkstücke zusammenzubauen.
  • In einer anderen Ausführungsform stellt die umkonfigurierbare Struktur einen buchsenartigen Verbinder bereit. Beispielsweise sei ein Knoten betrachtet, der die Form einer dreidimensionalen Kugel, Scheibe, Zylinder und so weiter aus Material annimmt, dann kann alles oder können nur Abschnitte davon aus aktiven Materialien bestehen. Andere Elemente der Struktur wären mit diesem Knoten verbunden, indem sie in Buchsen eingesetzt sind, die durch die Geometrie des Knotens definiert sind. Zusätzlich zu all den oben beschriebenen Funktionen für die Mehrfacharmverbinder könnten die aktiven Materialien derart in dem Knoten angeordnet und konfiguriert sein, dass eine bedarfsabhängige selektive Trennung der Strukturelemente von den Knoten zugelassen wird.
  • Die 2 und 3 veranschaulichen eine beispielhafte umkonfigurierbare Struktur 30 bzw. ein Strukturelement 32. Die umkonfigurierbare Struktur 30 ist geeignet, um mit dem Strukturelement 32 selektiv in Eingriff und außer Eingriff zu gelangen. Die umkonfigurierbare Struktur 30 umfasst zumindest eine käfigartige Knotenstruktur, die derart gezeigt ist, dass sie eine ursprüngliche Kreisform aufweist, wenn sie nicht aktiviert ist. Die käfigartige Knotenstruktur umfasst mehrere Naben 34, die mit Armen 36 verbunden sind, die aus dem aktiven Material gebildet sind. Jeder Arm 36 weist eine gekrümmte Form auf, wodurch die käfigartige Struktur mit der kreisförmigen Form bereitgestellt ist. Unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen als ein Beispiel des aktiven Materials ändert eine Aktivierung der Formgedächtnislegierung eine Formorientierung der käfigartigen Struktur. Die Form der Arme ändert sich bei Aktivierung von der ursprünglichen gekrümmten Form zu einer im Wesentlichen geraden Orientierung. Die Formänderung in der käfigartigen Struktur kann dazu ver wendet werden, das Strukturelement 32, das einen Durchmesser (d1) aufweist, der etwa gleich dem Durchmesser (d1) ist, der von der umkonfigurierbaren Struktur 30 bereitgestellt wird, wenn sie nicht aktiviert ist, selektiv in Eingriff oder außer Eingriff zu bringen. Eine ringförmige Ausnehmung 38 um einen Schaft 40 des Strukturelements 32 herum dient dazu, eine Lage bereitzustellen, die bei Aktivierung der Knoten aus aktivem Material das Strukturelement verbindend mit der umkonfigurierbaren Struktur 30 verriegelt. Die Aktivierung führt zu einem kleineren Durchmesser (d2) wodurch der Eingriff bereitgestellt wird.
  • Die umkonfigurierbaren Strukturen können beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik angewandt werden, um die Geometrie einer Struktur oder eines Körpers derart zuzuschneiden, dass sie sich selektiv an ein Objekt anpasst, z.B. kann die umkonfigurierbare Struktur in der Form von, neben anderen, einen Becherhalter, um Becher unterschiedlicher Größen zu halten, in einem Frachthalter, um zu verhindern, dass Gepäck in dem Kofferraum hin und her geworfen wird (z.B. über einen Scherenmechanismus, der diese Verbinder verwendet, um sich selbst an irgendeiner Position zu verriegeln), ein Aufhängungssystem mit verstellbarer Höhe und dergleichen vorliegen. Es ist jedoch anzumerken, dass die umkonfigurierbaren Strukturen auf die Kraftfahrzeugtechnik oder -form begrenzt sein sollen, und Anwendungen in verschiedenen Gebieten finden können, in denen eine Umkonfigurierbarkeit erwünscht ist.
  • Formgedächtnispolymere (SMP) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, zu irgendeiner zuvor definierten Form zurückzukehren, wenn sie bei Fehlen irgendwelcher aufgebrachter Lasten einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Formgedächtnispolymere können auf Temperatur ansprechend (d.h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungs signal 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 auf eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden ansprechend sein.
  • Im Allgemeinen sind SMP phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei unterschiedliche Einheiten umfassen, die derart beschrieben werden können, dass sie unterschiedliche Segmente in dem SMP definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Segment" auf eine 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 abhängig davon zu beziehen, 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 sogenannten "weichsten" Segments wird die "erste Übergangstemperatur" genannt. Es ist wichtig anzumerken, dass man sagt, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die sich durch die gleiche thermische Übergangstemperatur auszeichnen, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, 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, bei der es verformt wurde, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird. Somit sollte klar sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher 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 bei weggenommener Last wieder über die erste Übergangstemperatur gebracht wird. Ein Wiederholen 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 derart zubereitet werden, dass sie einen "Zweiwege-Effekt" zeigen, wobei das SMP zwei permanente Formen aufweist. 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 Vorrichtung mit Zweiwege-Gedächtnis kann dadurch hergestellt werden, dass die permanente Form von Komponente A ("erste permanente Form") eingestellt wird, die Vorrichtung in die permanente Form der Komponente B ("zweite permanente Form") verformt wird und die permanente Form der Komponente B fixiert wird, während eine Spannung angelegt 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 einen durch Spannung induzierten Ertrag bereitzustellen, der direkt verwendet werden kann (d.h. ohne das SMP über seine thermische Übergangstemperatur zu erwärmen, um es zu "erweichen"), um die Platte dazu zu bringen, sich an eine gegebene Oberfläche anzupassen, wie es für verschiedene Anwendungen erwünscht sein kann. Die maximale Dehnung, der das SMP in diesem Fall standhalten kann, kann in manchen Ausführungsformen mit dem Fall vergleichbar sein, in dem das SMP über seine thermische Übergangstemperatur hinaus erwähnt wird, obwohl die zugehörige Spannung viel höher ist.
  • 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 Bestrahlung 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 des besonderen Typs 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 jedoch nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyimide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere hiervon. Beispiele geeigneter Polyacrylate beinhalten Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele anderer geeigneter Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Polyethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolacton-Polyamid (Blockco polymer), 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 Formgedächtnispolymerschaum 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 beschränkt 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.
  • 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 andern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen startet, wird häufig als Austenit-Starttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird die Austenit-Endtemperatur (Af) genannt. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenit-Phase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensit-Phase zu andern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen startet, wird als die Martensit-Starttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit zu transformieren, wird die Martensit-Endtemperatur (Mf) 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 unterhalb der Austenit-Übergangstemperatur (bei oder unter As). 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 der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedacht nislegierungen, kann sie beispielsweise 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 Martensitphase können große Verformungen erfahren, indem die Kristallstrukturanordnung mit der angelegten Spannung wiederausgerichtet wird. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird das Material diese Form beibehalten, nachdem die Spannung weggenommen ist.
  • Geeignete Formgedächtnis-Legierungsmaterialien zur Verwendung in der Platte umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können von binärer, ternärer oder irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z.B. eine Änderung 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.
  • Abgesehen von einer strengen Formwiederherstellung kann jedes aktive Material, das derart hergestellt werden kann, dass es sich linear ausdehnt oder zusammenzieht, dazu verwendet werden, einen Biegeaktor herzustellen, indem dieses Material mit einem nicht aktiven elastischen Element kombiniert wird. In der Literatur, wird dies im Allgemeinen als Unimorph-Aktor bezeichnet. Wenn beide Komponenten aus dem gleichen Material hergestellt sind, aber so, dass sie sich in entgegengesetzte Richtungen verformen, wird das Material ein Bimorph. Für bedarfsabhängige Anwendungen können sich manche Materialien für die Außenfläche des Fahrzeugsteuermechanismus eignen.
  • Ein Biegen nach links oder rechts kann eingeleitet werden, indem zumindest ein aktives Material verwendet wird, das sich ausdehnt bzw. zusammenzieht. In dem Bimorph kann jede Richtung auch abhängig von der Orientierung der zumindest einen Schicht aus aktivem Material erreicht werden. Ein Unimorph kann erzeugt werden, indem eine Formgedächtnislegierung, ein leitfähiges Polymer, ein elektrostriktives Polymer oder ein anderes sich axial dehnendes Material zusammen mit einer elastischen Komponente verwendet wird, die bewirkt, dass ein Biege-Paar erzeugt wird. Das elastische Element kann zu vielen Materialklassen gehören, die Metalllegierungen, Polymere und Keramiken umfassen. Bevorzugte Materialien sind jene, die große elastische Dehnungsgrenzen zeigen, und jene, die mechanische Energie effizient speichern können. Sekundäre Erwägungen umfassen jene, die leicht mit dem zumindest einen aktiven Material verbunden werden können, Eigenschaften haben, die in dem Arbeitstem peraturbereich akzeptabel sind, und eine angemessene Zähigkeit aufweisen, um eine wiederholte Betätigung zu überstehen. Ein Bimorph kann für jedes Material erzeugt werden, indem das Material abhängig vom Ansteuerungssignal sowohl zur Dehnung als auch zur Kompression angetrieben werden kann. Aktoren aus ionischem Polymer, wie etwa IPMC und leitfähige Polymere, zeigen diesen Effekt intrinsisch aufgrund des Transports von Ionenspezies, die ein Anschwellen über eine Membran hinweg bewirken. Daher werden diese Materialien für diese Art von Verformung bevorzugt verwendet.
  • Elektroaktive Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluoridtrifluorethylen)-copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit zur Erzeugung einer variierenden Menge von ferroelektrischenelektrostriktiven molekularen Verbundsystemen.
  • Materialien, die zur Verwendung als elektroaktives Polymer geeignet sind, können irgendein im Wesentlichen isolierendes Polymer oder Kautschuk (oder Kombinationen davon) umfassen, das sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als vorgespanntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, können beispielsweise Copolymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer umfassen, einschließen.
  • Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis von einer oder mehreren Materialeigenschaften ausgewählt werden, wie etwa eine hohe elektrische Durchbruchfestigkeit, ein niedriger Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), eine hohe Dielektrizitätskonstante und dergleichen. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist ein Polymer derart gewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche erwünscht, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufwiesen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als Dünnfilme gefertigt und eingesetzt werden. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter 50 Mikrometer liegen.
  • Da sich elektroaktive Polymere mit hohen Dehnungen auslenken, sollten sich Elektroden, die an den Polymeren angebracht sind, ebenfalls auslenken, ohne das mechanische oder elektrische Leistungsvermögen preiszugeben. Im Allgemeinen können Elektroden, die zur Verwendung geeignet sind, von irgendeiner Form und von irgendeinem Material sein, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, einem elektroaktiven Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann über die Zeit entweder konstant sein oder variieren. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Fläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich an die sich verändernde Form des Polymers an. Entsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden einschließen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie angebracht sind, anpassen. Die Elektroden können an nur einem Abschnitt des elektroaktiven Polymers angebracht sein und ein aktives Gebiet gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden, die zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen strukturierte Elektroden, die Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die variierende Abmessungen aus der Ebene heraus umfassen, leitfähige Fette, wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit hohem Querschnittsverhältnis, wie etwa Kohlenstofffibrilen und Kohlenstoffnanoröhren, und Mischungen von ionisch leitenden Materialien.
  • Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialen, die in einer Elektrode verwendet werden, können Graphit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, einschließlich Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es ist zu verstehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit besonderen Polymeren gut arbeiten können, aber mit anderen nicht genauso gut arbeiten können. Beispielsweise arbeiten Kohlenstofffibrillen mit Acrylelastomerpolymeren gut, wohingegen sie mit Silikonpolymeren nicht genauso gut arbeiten.
  • Geeignete piezoelektrische Materialen umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien können alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und großer Di polmomentgruppe/großen Dipolmomentgruppen an der Hauptkette oder an den Seitenketten oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen beispielsweise, sind aber nicht darauf beschränkt, Polynatrium-4-sytrolsulfonat, Polymer von Azochromophoren mit Polyvinylaminseitenketten und deren Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid ("VDF"), Co-Trifluorethylen, und deren Derivate; Polychlorkohlenstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und deren Derivate; Polyacrylnitrile und deren Derivate; Polycarbonsäuren, einschließlich Polymethacrylsäure und deren Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane und deren Derivate; Biomoleküle wie Poly-L-Lactidsäuren und deren Derivate, und Zellmembranproteine, sowie Phosphatbiomoleküle wie etwa Phosphodilipide; Polyaniline und deren Derivate, und alle Derivate von Tetraminen; Polyamide, einschließlich aromatische Polyamide und Polyimide, einschließlich Kapton und Polyetherimid und deren Derivate; alle Membranpolymere; Poly(N-vinylpyrrolidon) (PVP)-Homopolymer und dessen Derivate; und zufällige PVP-Covinylacetatcopolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten und Mischungen davon.
  • Piezoelektrisches Material kann auch Metalle umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirkonium, Niob, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminum, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen mit zumindest einem der vorstehenden Metalle und Oxide mit zumindest einem der vorstehenden Metalle umfasst. Geeignete Metalloxide umfassen SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4, ZnO und Mischungen davon und Verbindungen der Gruppe VIA und IIB wie CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon. Bevorzugt ist das piezoelektrische Material aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirkonattitanat und Bariumtitanat und Mischungen davon besteht.
  • Geeignete magnetorheologische Fluidmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht darauf beschränkt sein: ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, dispergiert in einem Trägerfluid. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenlegierungen, wie etwa jene, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, die Fe2O3 und Fe3O4 umfassen; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Kobalt und Kobaltlegierungen; Chromdioxid; rostfreien Stahl, Siliziumstahl oder dergleichen. Beispiele von geeigneten Partikeln umfassen: Reineisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen von Eisenoxidpulver/Reineisenpulver und Mischungen von Eisenoxidpulver/reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzugtes magnetisch ansprechendes Partikel ist Carbonyleisen, starker bevorzugt Reduktionscarbonyleisen.
  • Die Partikelgröße sollte derart ausgewählt sein, dass die Partikel Multi-Domänen-Eigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Durchmessergrößen für die Partikel können kleiner als oder gleich etwa 1000 Mikrometer sein, wobei kleiner als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt ist und kleiner als oder gleich etwa 100 Mikrometer stärker bevorzugt ist. Ebenfalls bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von größer als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei größer als oder gleich etwa 0,5 mehr bevorzugt sind und größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt sind. Die Partikel sind bevorzugt in einer Menge zwischen etwa 5,0 bis etwa 50 Vol.-% der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
  • Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Silikonöle, Mineralöle; Paraffinöle; Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatorenöle; halogenierte organische Flüssigkeiten, wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle, die ungesättigte und gesättigte umfassen; und Kombinationen, die zumindest eines der vorstehenden Fluide umfassen.
  • Die Viskosität der Trägerkomponente kann kleiner als oder gleich etwa 100.000 Centipoise sein, wobei gleich oder kleiner als etwa 10.000 Centipoise bevorzugt ist und kleiner als oder gleich etwa 1.000 Centipoise stärker bevorzugt ist. Ebenso bevorzugt ist eine Viskosität von größer als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei größer als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt ist und größer als oder gleich etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt ist.
  • Wässrige Trägerfluide können ebenfalls verwendet werden, insbesondere jene, die hydrophile Mineraltone wie Bentonit oder Hectorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer kleinen Menge an polaren, wassermischbaren, organischen Lösungsmitteln, wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist kleiner als oder gleich etwa 5,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids und bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 3,0 %. Ebenso ist die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln bevorzugt größer als oder gleich etwa 0,1 Volumen-% und stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 13 und bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 9,0. Ebenso ist der pH des wässrigen Trägerfluids größer als oder gleich etwa 5,0 und bevorzugt größer als oder gleich etwa 8,0.
  • Es kann natürliches oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist kleiner als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids, bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 8,0 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 6,0 Gewichtsprozent. Bevorzugt ist das Bentonit oder Hectorit in einer Menge von größer als oder gleich etwa 0,1 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt größer als oder gleich etwa 2,0 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
  • Optionale Komponenten des MR-Fluids umfassen: Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispersionsmittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Antiverschleißzusätze für extremen Druck, Antioxidantien, thixotrope Mittel und konventionelle Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennapthenat, Eisenstearat, Aluminium-di- und tri-stearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und Tenside, wie etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkopplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol und teilweise verestere Polyole, können ebenfalls enthalten sein.
  • Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, eine elastische Polymermatrix mit einer Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
  • Die umkonfigurierbare Struktur kann vorteilhaft dazu verwendet werden, Modelle (z.B. Prototypen von Fahrzeugkarosserien) während der konzeptionellen Konstruktionsphase zu optimieren. Darüber hinaus kann die Verwendung der obigen Fähigkeit für die Steifigkeit eines Körpers (in einer Struktur oder in einem Mechanismus) eine lokale Änderung (z.B. an einem Knoten) und/oder eine globale Änderung durch gleichzeitige und möglicherweise koordinierte Änderungen der Steifigkeit von zwei oder mehr Knoten sein. Ferner kann die umkonfigurierbare Struktur die Zahl verringern, wenn ungleiche Verbinder benötigt werden, um ein Werkstück zusammenzubauen. Statt n unterschiedliche Verbinder zu haben, können wir einen umkonfigurierbaren Verbinder besitzen, der kurz vor oder während des Montagearbeitsganges umkonfiguriert wird, um sich an das gegenwärtige Werkstück anzupassen.
  • Obgleich die Offenbarung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren 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
  • Umkonfigurierbare Strukturen umfassen zumindest eine Nabe, mehrere Arme, die an der zumindest einen Nabe angebracht sind und sich von dieser erstrecken, wobei zumindest ein Abschnitt des Arms und/oder der Nabe einen Knoten definiert und aus einem aktiven Material gebildet ist. Das aktive Merkmal ist geeignet, zumindest ein Merkmal in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu andern, wobei die Änderung des zumindest einen Merkmals eine Änderung einer Moduleigenschaft, einer Formorientierung oder einer Kombination aus der Moduleigenschaft und der Formorientierung an dem Abschnitt aus aktivem Material ist. Die mehreren Arme und die zumindest eine Nabe können eine umkonfigurierbare Öffnung zum Anbringen und Lösen eines Elements bilden. Alternativ können die mehreren Arme und/oder die Nabe darüber hinaus einen Verbinder zum Anbringen einer zusätzlichen Struktur umfassen. Hierin sind auch Verfahren zum selektiven Umkonfigurieren einer Struktur offenbart.

Claims (20)

  1. Umkonfigurierbare Struktur, umfassend: zumindest eine Nabe; und mehrere Arme, die an der zumindest einen Nabe angebracht sind und sich von dieser erstrecken, wobei zumindest ein Abschnitt des Arms und/oder der Nabe einen Knoten definiert und aus einem aktiven Material gebildet ist, das eingerichtet ist, zumindest ein Merkmal in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern, wobei die Änderung des zumindest einen Merkmals eine Änderung einer Moduleigenschaft, einer Formorientierung oder einer Kombination aus der Moduleigenschaft und der Formorientierung an dem Abschnitt aus aktivem Material ist; eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, die eingerichtet ist, das Aktivierungssignal bereitzustellen; und einen Controller in Wirkverbindung mit der Aktivierungsvorrichtung.
  2. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der mehreren Arme und/oder die Nabe ferner einen Verbinder zur Anbringung an einer zweiten umkonfigurierbaren Struktur umfasst.
  3. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Nabe und die mehreren Arme konfiguriert sind, um eine dreidimensionale Struktur zu bilden.
  4. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Knoten zumindest einmal durch Anwenden einer aufgebrachten Kraft oder internen Spannung auf das aktive Material selektiv positioniert sein kann.
  5. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, ein Baroplastik, eine Formgedächtnislegierung, eine magnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektrorheologisches Fluid, ein elektrorheologisches Elastomer, ein Verbund aus ionischem Polymer und Metall, ein Piezoelektrikum oder eine Kombination mit zumindest einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst.
  6. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei die mehreren Arme und die zumindest eine Nabe eine umkonfigurierbare Öffnung zum Anbringen und Lösen eines Elements bilden.
  7. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein ausgewähltes Signal ist von einem thermischen Signal, einem elektrischen Signal, einem magnetischen Signal, einem mechanischen Signal, einem chemischen Signal, einem optischen Signal und einer Kombination mit zumindest einem der vorstehenden Signale.
  8. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei die Änderung des zumindest einen Merkmals reversibel ist.
  9. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei das aktive Material einen Verbund aus zwei oder mehreren der aktiven Materialien umfasst.
  10. Umkonfigurierbare Struktur nach Anspruch 1, wobei der Controller programmiert ist, um der Aktivierungsvorrichtung zu signalisieren, das Aktivierungssignal in Ansprechen auf Information bereitzustellen, die von einem oder mehreren Sensoren erhalten wird, die zumindest einen Zustand des Knotens, eines Körpers, von dem der Knoten ein Teil ist, und einer Betriebsumgebung der Struktur überwachen.
  11. Verfahren zum selektiven Umkonfigurieren einer Struktur, das umfasst, dass: ein Aktivierungssignal an einen Knoten einer umkonfigurierbaren Struktur angelegt wird, die mehrere Arme umfasst, die fest an einer Nabe angebracht sind, wobei der Knoten zumindest einen Abschnitt des Arms und/oder der Nabe umfasst und aus einem aktiven Material gebildet ist; und eine ausgewählte Eigenschaft von einer Moduleigenschaft, einer Formorientierung und einer Kombination aus der Moduleigenschaft und der Formorientierung an dem Knoten geändert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Andern der ausgewählten Eigenschaft von der Moduleigenschaft, der Formorientierung und der Kombination an dem Knoten reversibel ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anlegen des Aktivierungssignals umfasst, dass ein ausgewähltes Signal von einem thermischen Signal, einem elektrischen Signal, einem magnetischen Signal, einem mechanischen Signal, einem chemischen Signal, einem optischen Signal und einer Kombination mit zumindest einem der vorstehenden Signale an den Knoten angelegt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, ein Baroplastik, eine Formgedächtnislegierung, eine magnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektrorheologisches Fluid, ein elektrorheologisches Elastomer, ein Verbund aus ionischem Polymer und Metall, ein Piezoelektrikum oder eine Kombination mit zumindest einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst:
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das aktive Material einen Verbund aus zweien oder mehreren der aktiven Materialien umfasst,
  16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mehreren Arme und die zumindest eine Nabe eine umkonfigurierbare Öffnung zum Anbringen und Lösen eines Elements bilden.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Andern der ausgewählten Eigenschaft von der Moduleigenschaft, der Formorientierung und der Kombination den Knoten versteift.
  18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Andern der ausgewählten Eigenschaft von der Moduleigenschaft, der Formorientierung und der Kombination den Knoten erweicht.
  19. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anlegen des Aktivierungssignals an den Knoten die umkonfigurierbare Struktur lokal ändert.
  20. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anlegen des Aktivierungssignals an den Knoten die umkonfigurierbare Struktur global ändert.
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