DE19730383B4

DE19730383B4 - Verfahren zum Herstellen einer Struktur, die ein Element aus Formgedächtnislegierung enthält, und Baugruppe zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19730383B4
Application number: DE1997130383
Authority: DE
Inventors: Matthias Piening
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2017-07-17
Also published as: DE19730383A1; JPH1171662A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Struktur, die ein Element aus Formgedächtnislegierung aufweist,
– bei dem ein untrainiertes Element (2) aus Formgedächtnismaterial genommen wird,
– bei dem ein Aktuator (1) mit dem untrainierten Element (2) aus Formgedächtnislegierung versehen wird,
– bei dem der Aktuator (1) mit den fertigmontierten untrainierten Elementen (2) aus Formgedächtnislegierung unter späteren Anwendungsbedingungen trainiert wird, und
– bei dem die Baugruppe mit dem Aktuator (1) und den mit dem Aktuator (1) trainierten Elementen (2) aus Formgedächtnislegierung in die Struktur eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur, die ein Element aus Formgedächtnislegierung enthält und eine Baugruppe zur Durchführung des Verfahrens.

Strukturen, die mindestens ein Element aus einer Formgedächtnislegierung enthalten, sind in vielfacher Form bekannt, beispielsweise aus der DE 195 29 712 A1 . Diese Strukturen besitzen einen Betätigungsmechanismus und ein Stellglied aus einer Formgedächtnislegierung. Das Stellglied kann aus wenigstens einem in mehreren Windungen angeordneten dünnen Draht bestehen.

Bekannt ist außerdem, dass die Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen vor ihrer praktischen Anwendung trainiert werden müssen, so Stöckel, Dieter: "Formgedächtnis und Pseudoelastizität von Nickel-Titan-Legierungen", Metall 41 (1987), Heft 5, S. 494 bis 500. Für die technische Nutzung der Formgedächtnislegierungen muss eine Optimierung von Kraft und Weg gefunden werden, um entweder maximale Arbeit bei niedriger Zahl der Arbeitszyklen verrichten zu können, oder um umgekehrt eine maximale Lebensdauer der Elemente zu erzielen.

In der DE 197 02 518 A1 wird in anderem Zusammenhang für die aktive Veränderung von Fugenpressungen in Fügestellen in mechanischen Konstruktionselementen der Einsatz von lernfähiger Software vorgeschlagen. Neuronale Netze können dort Regelstrukturen im Rahmen einer Lernphase optimal festlegen und trainieren.

Es ist bekannt, Elemente aus Formgedächtnislegierung zu trainieren, d. h. ihnen ein bestimmtes Verhalten unter bestimmten äußeren Bedingungen beizubringen. Zu diesem Zweck werden beispielsweise lange Drähte aus Formge dächtnislegierung an einer geeigneten Befestigung aufgehängt und durch Anhängen von Gewichten unter wechselnden Temperaturbedingungen belastet. Im Inneren des Drahtes findet dadurch immer wechselnd eine Umwandlung von Austenit in Martensit und umgekehrt statt, wie beispielsweise in Stoeckel, Dieter: „Shape Memory Alloys – Prompt New Actuator Designs", Advanced Materials & Processes (1990) 10, S. 33 bis 38 beschrieben.

Es ist ebenfalls bekannt, ein solches Element aus einem Formgedächtnismaterial in Form eines Drahtes nach dem Trainieren in eine entsprechende Struktur einzufügen, beispielsweise zur aktiven Verformung von Tragflächenhäuten. Darüber hinaus sind strukturseitig Anforderungen zu erfüllen, um den Draht aus Formgedächtnismaterial in die Struktur einbauen zu können. Diese Anforderungen steigen mit dem Grad der Integration, da das Zusammenspiel von Struktur und Draht aus Formgedächtnismaterial möglichst verschleißlos und störungssicher funktionieren soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur mit einem Element aus Formgedächtnislegierung und eine Baugruppe zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei denen derartige Nachteile nicht mehr auftreten, also eine lange Lebensdauer des in der Struktur integrierten Elementes aus Formgedächtnislegierung und eine sehr gute Funktionsweise vorgesehen sind.

Die Aufgabe wird gelöst, durch ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur, die ein Element aus Formgedächtnislegierung aufweist, bei dem ein untrainiertes Element aus Formgedächtnismaterial genommen wird, bei dem ein Aktuator mit dem untrainierten Element aus Formgedächtnislegierung versehen wird, bei dem der Aktuator mit den fertigmontierten untrainierten Elementen aus Formgedächtnislegierung unter späteren Anwendungsbedingungen trainiert wird, und bei dem die Baugruppe mit dem Aktuator und den mit dem Aktuator trainierten Elementen aus Formgedächtnislegierung in die Struktur eingesetzt wird.

Eine Baugruppe zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Aktuator vorgesehen ist, dass die Baugruppe zunächst untrainierte Elemente aus Formgedächtnislegierung aufweist, die als Drähte ausgebildet sind, dass Windungen aus Formgedächtnislegierung vorgesehen sind, die formschlüssig Strukturelemente umschlingen und mit elektrischen Anschlüssen und/oder mechanischen Befestigungen versehen sind, und dass zu betätigende Strukturelemente und entfernbare Hilfselemente vorgesehen sind.

Die Baugruppe mit dem Aktuator ist als kompakte Einheit montierbar und demontierbar. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Es ist so, dass sich im Stand der Technik meist das dem Draht antrainierte Verhalten von dem später im Betrieb abverlangten Verhalten sehr stark unterscheidet. Die auftretenden Probleme sind ausschließlich auf die unterschiedlichen Bedingungen in den Betriebsphasen zurückzuführen.

Bei der Umwicklung von Umlenkkörpern bei bestimmten Strukturen durch einen Draht aus Formgedächtnismaterial ergibt sich das Problem, dass ein solcher Draht nur auf eine Längenbelastung in seiner Längsrichtung, nicht aber auf die Belastung innerhalb einer derartigen Struktur mit Umlenkkörper trainiert wurde. Aufgrund von Reibung und anderen nachteiligen Effekten tritt daher ein hoher Verschleiß bei derartigen Drähten im späteren Betrieb auf.

Durch die Erfindung wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur vorgeschlagen, das einen völlig anderen Ansatz zum Trainieren eines Elementes aus Formgedächtnislegierung benutzt und eine Baugruppe zur Durchführung des Verfahrens, bei der eine Qualifizierung der Baugruppe, die ein Aktuator mit einem Element aus Formgedächtnislegierung enthält, der eine abgeschlossene und weitgehend autarke Einheit darstellt, außerhalb und unabhängig vom Einbauort des Aktuators ermöglicht. Besonders vorteilhaft entspricht der innere Zustand des Aktuators beim Traninungsprozeß exakt den vom späteren Betrieb zu erwartenden Verhältnissen. Es wird daher ein anwendungskonformes Verhalten des Aktuators eintrainiert. Besonders bevorzugt ist dadurch die Kennlinie des Aktuators bereits mit Abschluss des Trainings bekannt. Der letzte Trainingszyklus kann vorzugsweise als Abnahmetest vorgesehen werden und zusammen mit der aufgezeichneten Trainingsgeschichte als Qualifizierungsunterlage dienen.

Durch besonders bevorzugtes Vorsehen eines umschlossenen Raumes mit zugleich bereitgestellten Randbedingungen für Isolierung und aktive Kühlung für die Durchführung der Bewegungsabläufe des Aktuators und damit des Elementes aus Formgedächtnismaterial sind die Schnittstellen des Elementes mit der Struktur des Aktuators auf zumindest zwei formschlüssige Befestigungen und eine elektrische Ansteuerung beschränkt. Dadurch ist der Aktuator als kompakte Einheit montierbar und auch demontierbar.

Besonders bevorzugt kann eine Formhaltung des trainierten Elementes aus Formgedächtnismaterial durch eine Vorspannfeder mit geringer Steifigkeit erfolgen.

Besonders bevorzugt werden beim Training ausschließlich die Dehnungszustände beeinflusst, die beim nachfolgenden Betrieb genutzt werden, wobei über die gesamte freie Dehnlänge des Formgedächtnismaterials eine konstante Dehnung eingeprägt wird. Dadurch werden Eigenspannungszustände weitgehend vermieden, die sich bei davon abweichenden Dehnungszuständen infolge der Reibung im Umlenkbereich von Umlenkkörpern des Aktuators und dort, wo der Draht aus Formgedächtnismaterial am Ende befestigt ist, zwangsläufig einstellen. Der Umlenkbereich stellt insofern nämlich eine Problemzone dar. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Aktuator als eine Gesamteinheit trainiert wird, minimieren sich diese negativen Einflussfaktoren. Ein Bruch von Drähten aus Formgedächtnismaterial aufgrund der steten Reibung beim Längen und Verkürzen des Aktuators im Betrieb im Bereich der Umlenkkörper wird weitestgehend vermieden. Die Drähte aus Formgedächtnismaterial werden vorteilhaft bereits beim Training genau in derselben Positionierung auf dem Aktuator, nämlich auch im Bereich der Umlenkkörper des Aktuators, so gedehnt, wie sie später im Betrieb ebenfalls gedehnt werden. Die eingeprägten Dehnungszustände entsprechen an jeder Stelle des Drahtes aus Formgedächtnismaterial im Training genau denselben Dehnungszuständen wie sie im späteren Betrieb auftreten. Eine Reibung durch Längen und Verkürzen des Formgedächtnismaterials im Bereich der Umlenkkörper im späteren Betrieb wird dadurch weitgehend vermieden.

Besonders bevorzugt sind die Umlenkkörper des Aktuators mehrschalig, insbesondere zweischalig gefertigt. Dadurch werden die Windungen aus Formgedächtnismaterial in mehreren Lagen, insbesondere zwei Lagen, nämlich über der ersten Schale und über der zweiten Schale angeordnet. Die Windungen des Formgedächtnismaterials umschließen die Umlenkkörper oder Umlenkelemente formschlüssig. Die elektrischen Windungen können über einschalige oder mehrschalige Umlenkkörper geführt werden, wobei elektrische Anschlüsse entweder für die Gesamtzahl der Windungen als ein Draht oder für die auf die Schale wir kenden Windungen schalenweise vorgesehen werden können. Die Geometrie der Windungsanordnung auf mehreren Schalen wird vorzugsweise so gewählt, daß lediglich eine Spannungsquelle erforderlich ist, die die Windungen gleichmäßig speist. Werden unterschiedliche Windungslängen bei den einzelnen Schalen des Aktuators gewählt, sind unterschiedlich dimensionierte Spannungsquellen erforderlich. Deswegen sollten möglichst die Windungen einheitliche Abmessungen aufweisen, um hier vorteilhaft dem Erfordernis mehrerer Spannungsquellen zu entgehen. Bei geeignetem Umwickeln eines Umlenkkörpers mit dem Drahtende durch Leerwindungen wird das Ende befestigt. Durch die Reibung auf dem Unterkörper werden die im Draht wirkenden Kräfte, die ein Lösen vom Umlenkkörper bewirken können, abgebaut.

Ein angepaßtes Training erfolgt daher sowohl im Umlenkbereich als auch an Orten der Drahtbefestigung. Gerade dort sind ansonsten die mit den Anforderungen an eine Befestigung unvereinbaren Dehnungen vorhanden.

Zumindest im Umlenkbereich sind die Umlenkkörper, auf denen die Windungen aus Formgedächtnismaterial formschlüssig aufliegen, elektrisch isolierend gefertigt. Da die Drähte aus Formgedächtnismaterial durch elektrische Beaufschlagung gelängt werden, ist das Vorsehen von Isolierungen innerhalb des Aktuators erforderlich, zumindest im Auflagebereich der Drähte, also im Umlenkbereich. Die im Stand der Technik in diesem Bereich auftretenden Reibungskräfte durch Reiben von Drähten auf den Isolierungen beim Ausdehnen und Zusammenziehen des Formgedächtnismaterials bei der Be- und Entlastung wirken den Dehnungen entgegen, die im Formgedächtnismaterial bei Überschreitung der austenitischen Umwandlungstemperatur entstehen. Aufgrund der Behinderung der Formänderung entstehen dann innere Eigenspannungszustände. Diese können beim Stand der Technik nicht im Sinne der Aktuatorfunktion genutzt werden. Sie stellen daher eine nutzlose Belastung des Elementes aus Formgedächtnismaterial dar und können dadurch zu einem vorzeitigen Versagen des Aktuators führen. Solche Aktuatoren finden besondere Anwendung im Bereich der Raumfahrt, können auch im Flugzeugbereich eingesetzt werden, insbesondere zur aktiven Verformung von Tragflächenhäuten etc. Der daher besonders im Raumfahrtbereich sehr negative und nachteilige Effekt eines Versagens der Aktuatoren tritt besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Aktuator nicht mehr auf.

Die Windungen aus Formgedächtnismaterial können einerseits mittels federbelasteter Umlenkkörper in Form gehalten werden, besonders bevorzugt dann, wenn die Umlenkkörper Bestandteil der zu betätigenden Strukturelemente des Aktuators sind. Alternativ dazu können aber bevorzugt auch Struktursteifigkeiten diese formgebende Funktion wahrnehmen. Dies gilt insbesondere für die Trainingsphase. Nach erfolgter Montage am Ort der Anwendung des Aktuators können diese Hilfsmittel, also entweder die federbelasteten Umlenkkörper oder aber entfernbare Struktursteifigkeiten entfernt werden. Es verbleibt dann lediglich eine Anzahl von Drahtwindungen am Ort der Anwendung, die Strukturelemente des Aktuators formschlüssig umschlingen und mit elektrischen Anschlüssen und/oder mit mechanischen Befestigungen versehen sind.

Zur näheren Erläuterung werden im folgenden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Aktuators aus Formgedächtnismaterial anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:
1 eine prinzipielle Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Aktuators mit Dehnungsverlaufseinzeichnung,
2 eine Prinzipskizze eines zweischaligen Umlenkkörpers in der Schnittansicht,
3 eine Prinzipskizze eines einschaligen Umlenkkörpers in der Schnittansicht mit Dehnungsverteilungsdarstellung,
4 ein Diagramm zur Verdeutlichung des reibungsabhängigen Kräfteverlaufs im Umlenkbereich eines Drahtes aus Formgedächtnismaterial, und
5 eine Draufsicht auf einen Umlenkkörper, dessen Drähte parallel zueinander gewickelt sind.
In 1 ist eine seitliche Schnittansicht als Prinzipskizze eines Aktuators 1 mit Windungen 10, 11 aus Formgedächtnismaterial dargestellt. Der Aktuator weist Umlenkkörper 20, 21 und 30, 31 auf. Die Umlenkkörper 30 und 31 sind ebenso wie die Umlenkkörper 20 und 21 zweischalig übereinander angeordnet. Der Draht 2 aus Formgedächtnismaterial umgreift formschlüssig in Windungen 10, 11 sowohl die inneren Umlenkkörper 30, 20, als auch die äußeren Umlenkkörper 31, 21. Die jeweiligen Anfänge und Enden der auf einer Schale des Umlenkkörpers liegenden Windungen bzw. das Ende und der Anfang des Drahtes 2 sind mechanisch befestigt. Diese mechanische Befestigung wie auch zwei elektrische Anschlüsse des Drahtes 2 sind in 1 nicht dargestellt. Die beiden elektrischen Anschlüsse dienen dem Anschluß des Drahtes an eine Stromquelle, um diesen durch den durch ihn hindurchfließenden Strom zu erwärmen. Erwärmen und Abkühlen des Drahtes sind erforderlich, um ihn auf bestimmte Dehnzustände zu trainieren. Durch das Erwärmen und das Abkühlen tritt innerhalb des Drahtes eines Strukturumwandlung von Martensit in Austenit und umgekehrt statt.
Die Umlenkkörper 20, 21, 30, 31 sind vorzugsweise isolierend oder als Isolatoren ausgeführt. Dadurch fließt der in den Draht 2 eingeleitete Strom lediglich durch diesen und nicht durch die Umlenkkörper.
Die inneren Umlenkkörper 20, 30 weisen jeweilige zylinderförmige Ansätze 22, 32 auf. Über diese zylinderförmigen zueinander weisenden Ansätze 22, 32, ist ein Führungsrohr 40 geschoben. Sowohl zylinderförmige Ansätze als auch Führungsrohr 40 werden von einer Vorspannfeder 41 umgeben. Diese stützt sich an den Umlenkkörpern 20, 30 ab. Durch Vorsehen der Vorspannfeder in Verbindung mit dem Führungsrohr und den zylinderförmigen Ansätzen der inneren Umlenkkörper weist der Aktuator eine vorbestimmte Ausgangslänge auf. Die um die Umlenkkörper gewundenen Drähte oder der Draht 2 weisen daher ebenfalls eine vorbestimmte Ausgangslänge auf.
Zum Trainieren des Aktuators 1 mit Draht 2 aus Formgedächtnismaterial greifen an den Umlenkkörpern 20, 30, Kräfte an. Diese ziehen den Aktuator in Richtung der Vorspannfeder 41 auseinander. Dadurch wird der Draht 2 um einen vorbestimmten Betrag gelängt.
Durch eine gleichmäßige Erwärmung des Drahtes bis oberhalb der austenitischen Umwandlungstemperatur schrumpft der Draht und wirkt dadurch der Federkraft entgegen. Auf die Feder wird also eine ihr entgegenwirkende Kraft als Druckkraft ausgeübt.
Bei Abkühlen des aus Formgedächtnislegierung hergestellten Drahtes unter die austenitische Umwandlungstemperatur nimmt der Draht wieder seine martensitische Gestalt an. Er dehnt sich also aus. Die Vorspannfeder 41 drückt die Umlenkkörper in Richtung der Pfeile in die äußere Position. Diese Zugkraft der Vorspannfeder 41 entfernt die Umlenkkörper 20, 21 und 30, 31 also voneinander. Der Draht bleibt dadurch im Umlenkungsbereich auf der Ober fläche der beiden äußeren und inneren Umlenkkörper 20, 21, 30, 31 formschlüssig befestigt auch wenn keine Gewichtskräfte oder äußere Federsteifigkeiten mehr wirken.
Durch die elektrische Direktbeheizung durch Ausnutzen des physikalischen Phänomens des in einem elektrischen Leiter wirkenden elektrischen Widerstandes bei hindurchfließendem elektrischen Strom kann der Draht besonders gleichmäßig erwärmt werden, so daß die austenitische Umwandlungstemperatur über die gesamte Drahtlänge und den Drahtquerschnitt im wesentlichen gleichzeitig erreicht wird, sofern dieser gegen Kühlverluste abgeschirmt wird und dadurch adiabate Zustände erzielt werden können.
Besonders Vorteilhaft wird eine aktive Kühlung vorgesehen, um die Rückwandlung in den martensitischen Zustand schnell ausführen zu können. Zu diesem Zweck ist eine mit Anschlüssen zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgestattete Wärmeisolierung im Bereich der Umlenkkörper vorgesehen. In diesem Bereich tritt dann das Kühlmedium in direkten Kontakt mit dem Draht und nimmt durch Wärmeleitung und/oder Konvektion Energie auf, kühlt somit den aus der Formgedächtnislegierung bestehenden Draht ab. Dadurch ist auch eine erhöhte Betätigungsfrequenz des Aktuators möglich. Die elektrische Isolierung der einzelnen Windungen des Drahtes gegeneinander kann außer dadurch, daß die Umlenkkörper als Isolator wirken, auch dadurch erfolgen, daß eine isolierende Ummantelung des Drahtes vorgesehen wird. Darüber hinaus ist zwischen den einzelnen Windungen des Drahtes ein Abstand eingehalten.
Während des Trainierens des Drahtes treten in diesem Dehnungen auf. Der Dehnungsverlauf D ist in 1 ebenfalls dargestellt.
2 zeigt eine Schnittansicht als Prinzipskizze eines zweischaligen Umlenkkörpers mit zwei Drahtwindungen aus Formgedächtnismaterial. Die beiden Drahtwindungen umgreifen die beiden Schalen des Umlenkkörpers 20, 21 formschlüssig.
Durch die Pfeile sind die an den beiden Umlenkkörperschalen und an den beiden Drahtwindungen angreifenden Kräfte dargestellt. Diese wirken einander entgegen. Beim Stand der Technik würden aufgrund des Verschiebens entlang der Kontur der Umlenkkörper zwischen den Drahtwindungen und dem Umlenkkörper Reibkräfte auftreten. Der Grund dafür liegt darin, daß bei den Drähten des Standes der Technik ein Trainieren im langgestreckten Zustand stattfindet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen ist es so, daß die Drähte aus Formgedächtnismaterial erst dann trainiert werden, wenn sie bereits auf den Aktuator aufgebracht sind. Dadurch treten keine Dehnungen auf, hervorgerufen durch die Reibkräfte, die in dem Draht aus Formgedächtnismaterial bei Überschreiten der austenitischen Umwandlungstemperatur entstehen können.
In 3 ist eine Prinzipskizze als Schnittansicht des Umlenkkörpers 20 mit angezeichnetem Draht und Dehnungsverlauf des Drahtes während des Trainings mit Kräften F₁, F₂ dargestellt. Die Reibkraft entlang der Umlenkkontur des Umlenkkörpers bewirkt eine Abminderung der im Draht wirkenden Zugkraft in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel α und vom Reibungskoeffizienten u in der Form: F2 = F1·e-μ·α
Im Draht vorhandene oder wirkende Spannungen und Dehnungen sind zu der Kraft F₂ proportional. Während des Betriebes des Aktuators sind die Differenzspannungen zwischen den reibungsbehafteten und den reibungsfreien Zuständen weitgehend wirkungslos. Wird der Aktuator folglich in einem Zustand trainiert, der dem nachfolgenden Betriebszustand entspricht, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, treten die infolge Reibkräften nicht wirksamen Dehnungszustände gar nicht erst auf.
4 zeigt ein Diagramm, welches den reibungsabhängigen Kräfteverlauf im Umlenkbereich des Drahtes aus Formgedächtnismaterial darstellt. Auf der Hochachse des Diagrammes ist das Kräfteverhältnis β = F/P und auf der Querachse der Umschlingungswinkel α in Grad angegeben. Die einzelnen im Dia gramm angegebenen Kurven gelten für unterschiedliche Reibungskoeffizienten μ. Für einen Reibungskoeffizienten von μ = 0,1 ergibt sich beispielsweise ein Kräfteverhältnis β = 1 für α = 0° und β = 0,9 für α = 90°. Ein solcher Umschlingungswinkel α = 90° ist in 3 dargestellt. Das Kräfteverhältnis sinkt bei demselben Umschlingungswinkel α = 90° bei einem Reibungskoeffizienten μ = 0,5 beispielsweise auf etwa β = 0,46. Die in 3 mit F₂ bezeichnete Kraft ist somit bei größeren Reibungskoeffizienten μ kleiner als bei kleinen Reibungskoeffizienten.
Anstelle der in den vorigen 1 bis 3 dargestellten Umlenkkörper, welche federbelastet sind und dadurch die Drahtwindungen in Form halten, können Struktursteifigkeiten in dem Aktuator vorgesehen werden, die dieselben formgebenden Funktionen erfüllen. Die forngebende Funktion von entweder Struk- tursteifigkeiten oder Umlenkkörpern mit Vorspannfeder werden insbesondere für die Trainingsphase des Aktuators benötigt. Nach erfolgter Montage des Aktuators am Ort der Anwendung können diese Hilfselemente, nämlich federbelastete Umlenkkörper oder entfernbare Struktursteifigkeiten entfernt werden, sofern dies möglich ist. Vor Ort bleibt dann lediglich eine Anzahl von Drahtwindungen, die formschlüssig Teile der Struktur umschlingen, auf die der Aktuator eine Kraft ausüben soll.
Eine solche Aktuatoreinheit kann beispielsweise eine Länge l = 30 cm aufweisen. Diese Aktuatoreinheit kann einen Mechanismus in Form der Drahtwindungen, wie in den vorigen Figuren dargestellt, mit einer Kraft von 50 kp über eine Weglänge von 10 mm bei einem Drahtquerschnitt von 0,176 mm² und vier Windungen mehrfach betätigen. Sie wiegt dabei vorzugsweise ohne Isolierung, welche beispielsweise Styropor sein kann, und ohne elektrische Anschlüsse weniger als 3 g.
5 zeigt eine Draufsicht auf Umlenkkörper 20, 30 mit parallel zueinander ausgerichteten Zugdrähten 2. Gestrichelt ist der Normalfall von schiefziehenden Drähten 3 aus Farmgedächtnislegierung angedeutet. Dadurch würde aber der Betrieb des Aktuators gestört. Es wird dabei eine parallele Ausrichtung der Drähte angestrebt.
Zur Lösung des Problems wird die eine Schale 20 mit helikalen Riefen 50 dergestalt ausgebildet, daß infolge der Steigung der Riefen ein Versatz des Drahtes zur nächstfolgenden Windungsebene erzielt wird. Dadurch kann eine exakte Parallelausrichtung der Zugdrähte und ein exakter Parallelzug in den Drähten 2 im Aktuator erreicht werden.
Alternativ hierzu können beide Schalen bzw. Umlenkkörper 20, 30 mit jeweils der halben Steigung der Riefen versehen werden. Es ergibt sich dann eine Schrägstellung der Windungen gegenüber dem auf die Achse der Umlenkkörper gefällten Lot. Hierbei ist vorteilhaft lediglich ein Typ von Umlenkkörper vorzusehen, was eine Kostenersparnis bedeutet.

1: Aktuator
2: Draht
3: Draht (gestrichelt)
10: Windungen
11: Windungen
20: Umlenkkörper, innerer
21: Umlenkkörper, äußerer
22: zylinderförmiger Ansatz
30: Umlenkkörper, innerer
31: Umlenkkörper, äußerer
32: zylinderförmiger Ansatz
40: Führungsrohr
41: Vorspannfeder
50: helikale Riefe
51: gerade Riefe
D: Dehnungsverlauf

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Struktur, die ein Element aus Formgedächtnislegierung aufweist, – bei dem ein untrainiertes Element (2) aus Formgedächtnismaterial genommen wird, – bei dem ein Aktuator (1) mit dem untrainierten Element (2) aus Formgedächtnislegierung versehen wird, – bei dem der Aktuator (1) mit den fertigmontierten untrainierten Elementen (2) aus Formgedächtnislegierung unter späteren Anwendungsbedingungen trainiert wird, und – bei dem die Baugruppe mit dem Aktuator (1) und den mit dem Aktuator (1) trainierten Elementen (2) aus Formgedächtnislegierung in die Struktur eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Trainieren des Aktuators (1) ausschließlich die Dehnungszustände beeinflußt werden, die beim nachfolgenden Betrieb genutzt werden, wobei über die freie Dehnungslänge der Elemente (2) aus Formgedächtnislegierung konstante Dehnungen eingeprägt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) einen Umlenkbereich besitzt und dass im Umlenkbereich des Aktuators (1) die Elemente (2) aus Formgedächtnislegierung formschlüssig anliegen und mit Reibung trainiert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsabläufe in einem hinsichtlich der Randbedingungen für Isolierung und aktive Kühlung geschlossenen Raum trainiert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trainingsphase Windungen (10, 11) eines Elementes (2) aus Formgedächtnislegierung, die mittels Hilfsmittel, oder durch Struktursteifigkeiten des Aktuators geformt sind, belastet werden, und dass nach erfolgter Montage am Anwendungsort diese Hilfsmittel entfernt werden, wobei eine Anzahl von formschlüssig Strukturelemente des Aktuators, insbesondere Umlenkkörper (20, 21, 30, 31) umschlingenden Windungen (10, 11) der Elemente (2) aus Formgedächtnislegierung verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsmittel federbelastete Umlenkkörper (20, 21, 30, 31) sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des Aktuators (1) mit Elementen (2) aus Formgedächtnislegierung während des Trainings dieser Elemente (2) vollständig aufgenommen wird und mit Abschluss des Trainings bekannt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der letzte Trainingszyklus als Abnahmetest ausgelegt wird und gemeinsam mit der aufgezeichneten Trainingsgeschichte als Qualifizierungsunterlage des Aktuators verwendet wird.
Baugruppe zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktuator (1) vorgesehen ist, dass die Baugruppe zunächst untrainierte Elemente (2) aus Formgedächtnislegierung aufweist, die als Drähte (2) ausgebildet sind, dass Windungen (10, 11) aus Formgedächtnislegierung vorgesehen sind, die formschlüssig Strukturelemente (20, 21, 30, 31) umschlingen und mit elektrischen Anschlüssen und/oder mechanischen Befestigungen versehen sind, und dass zu betätigende Strukturelemente (20, 21, 30, 31) und entfernbare Hilfselemente (40, 41) vorgesehen sind.
Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement eine Vorspannfeder (41) in Verbindung mit einem Führungsrohr (40) ist, die zwischen Umlenkkörpern (20, 30) angeordnet ist, eine geringe Steifigkeit aufweist und zur Formhaltung der Windungen (10, 11) des Drahtes aus Formgedächtnislegierung dient.
Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfselemente Struktursteifigkeiten des Aktuators sind, die zur Formhaltung der Windungen (10, 11) von Elementen, insbesondere Drähten (2), aus Formgedächtnislegierung dienen.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkörper (20, 21, 30, 31) mehrschalig, insbesondere zweischalig, sind oder dass mehrere Umlenkkörper übereinander so vorgesehen sind, dass eine Isolierung der umschlingenden Elemente (2) aus Formgedächtnislegierung geschaffen ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Riefen (50, 51) auf den Umlenkkörpern derart vorgesehen sind, dass ein Parallelzug innerhalb der Windungen aus Formgedächtnismaterial gewährt ist.
Baugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass entweder ein Umlenkkörper mit helikalen Riefen (50) mit einer vorbestimmten Steigung und der andere mit geraden Riefen (51) oder beide Umlenkkörper mit helikalen Riefen mit der jeweils halben Steigung versehen sind.