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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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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.
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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein umkonfigurierbare Strukturen
auf der Basis von Knoten aus aktivem Material.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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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.
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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.
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Die
oben beschriebenen und weitere Merkmale werden durch die folgenden
Figuren und die ausführliche
Beschreibung beispielhaft ausgeführt.]
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den Figuren, die beispielhafte Ausführungsformen sind, und in denen
gleiche Elemente gleich nummeriert sind, veranschaulicht:
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1 schematisch
eine umkonfigurierbare Struktur gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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2 schematisch
eine umkonfigurierbare Struktur gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung; und
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3 eine
Schnittansicht eines Strukturelements.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Geeignete
Trägerfluide
umfassen organische Flüssigkeiten,
insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt,
Silikonöle,
Mineralöle;
Paraffinöle;
Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatorenöle; halogenierte
organische Flüssigkeiten,
wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine,
perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester;
Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische
Kohlenwasserstofföle,
die ungesättigte und
gesättigte
umfassen; und Kombinationen, die zumindest eines der vorstehenden
Fluide umfassen.
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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.
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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.
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Es
kann natürliches
oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die
Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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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.