DE202004020706U1

DE202004020706U1 - Aktoreinrichtung mit Aktorelement aus Memory-Metall und damit verbundenem Kunststoffteil

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Publication number: DE202004020706U1
Application number: DE202004020706U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2014-08-19

Abstract

Aktoreinrichtung mit einem Aktorelement aus einem Memory-Metall,
– das in einem Ausgangszustand eine erste (Niedertemperatur-)Form einnimmt,
– dem thermomechanisch eine zweite (Hochtemperatur-)Form eingeprägt ist,
– dem Mittel zum Aufheizen auf ein Temperaturniveau zugeordnet sind, bei dem die zweite (Hochtemperatur-)Form eingenommen wird, und
– das zumindest in einem Teilbereich mit einem Kunststoffteil kraftschlüssig verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffteil (3) beim oder zum Übergang des Aktorelementes (2) von seiner zweiten in seine erste Form auf dieses eine Rückstellkraft derart ausübt, dass eine Rückstellung in die erste Form erfolgt oder unterstützt wird, wofür der Kunststoffteil (3) aus einem gummi elastischen Kunststoffmaterial besteht, dessen Glasübergangsbereich (GLB) unterhalb des Temperaturniveaus (A_s) des Übergangs von der ersten in die zweite Form liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aktoreinrichtung mit einem Aktorelement aus einem Memory-Metall,

– das in einem Ausgangszustand eine erste (Niedertemperatur-)Form einnimmt,
– dem thermomechanisch eine zweite (Hochtemperatur-)Form eingeprägt ist,
– dem Mittel zum Aufheizen auf ein Temperaturniveau zugeordnet sind, bei dem die zweite (Hochtemperatur-)Form eingenommen wird, und
– das zumindest in einem Teilbereich mit einem Kunststoffteil kraftschlüssig verbunden ist.

Eine derartige Aktoreinrichtung geht aus der WO 03/069644 A1 hervor.
In Legierungsform vorliegende Memory-Metalle, die auch Formgedächtnislegierungen oder „Shape Memory Alloys" (Abkürzung: „SMA") bezeichnet werden, weisen in Abhängigkeit von der Temperatur zwei Gefügezustände auf, die als Martensit (Niedertemperatur-Form) und Austenit (Hochtemperatur-Form) bezeichnet werden. Eine Umwandlung zwischen diesen beiden Gefügezuständen kann durch Erwärmung bzw. Abkühlung herbeigeführt werden. Die Umwandlung bei einer entsprechenden Formumwandlungstemperatur bezeichnet man als Martensit-Austenit-Umwandlung.
Die Gefügeumwandlung geht einher mit einer Änderung der Gestalt eines entsprechenden Elementes aus der SMA (= nachfolgend verwendete Bezeichnungsweise für „Memory Metall"). Eine solche Formänderung einer SMA kann für den Bau von Aktoren oder Sensoren herangezogen werden. Entsprechende Aktoren liegen vorwiegend in Form von Drähten, Federn oder Biegestreifen vor. Sie sind in der Lage, bei einem thermisch ausgelösten Phasenwechsel (Gefügezustandsänderung) von Martensit zu Austenit hohe Verformungen, beispielsweise bis zum 8 %, und große Kräfte zu entfalten.
Im Allgemeinen werden für industrielle Anwendungen Elemente aus SMAs mit so genanntem Ein-Weg-Effekt vorgesehen. Dabei handelt es sich um die Eigenschaft, dass eine SMA bei Erwärmung in eine vorher bei einer Glühtemperatur eingeprägte Form übergeht, bei Abkühlung jedoch nicht selbständig in den ursprünglichen Verformungszustand zurückkehrt. Die Hochtemperatur-Form (Austenit) ist dabei dem Element in einer thermomechanischen Behandlung bei einer höheren Glühtemperatur aufgeprägt worden. Bei Temperaturerhöhung über eine vorbestimmte, materialabhängige Formumwandlungstemperatur nimmt dann das Element die aufgeprägte Form an. Bei einem anschließenden Abkühlen verbleibt jedoch das Bauteil in dieser Form, ändert aber seinen Phasenzustand hin zum Martensit. Setzt man ein entsprechendes Ein-Weg-Aktorelement ein, so muss die Rückstellung in die Niedertemperatur-Form (Martensit) extern gewährleistet werden. Hierzu wird beispielsweise eine zusätzliche Feder vorgesehen, die eine mechanische Rückstellung des Aktorelementes bewirkt. Elemente mit einem so genannten Zwei-Wege-Effekt, bei denen zwischen den beiden Formen reversibel hin- und hergeschaltet werden kann, unterliegen einem kosten- und zeitintensiven Trainingsprozess im Rahmen einer thermomechanischen Vorbehandlung des Elementes. Aus diesem Grunde wird bevorzugt eine Kombination aus einem Ein-Weg-Aktorelement und einer konventionellen Rückstellfeder, z.B. einer Spiralfeder aus Stahl, angewendet.
Für Aktoranwendungen besonders geeignet ist, eine gezielte Herbeiführung der Martensit-Austenit-Umwandlung durch eine Bestromung eines Aktorelementes aus der SMA herbei zu führen. Die ohmschen Verluste in der Metalllegierung führen nämlich zu einer Erwärmung des Aktorelementes und damit zu der erwähnten Phasenumwandlung. Nach Beendigung der Bestromung kühlt sich die Legierung ab, wodurch sich die ursprüngliche Form des Aktorelementes wieder einstellt. Das Material wandelt sich bei der Abkühlung von der Austenit-Form in die Martensit-Form wieder um.
Entsprechende Metalllegierungen und deren Memory-Eigenschaften sind allgemein bekannt (vgl. z.B. das Buch von D. Stöckel [Hrsg.]: „Legierungen mit Formgedächtnis", Expert-Verlag, Ehningen (DE), 1988, insbesondere die Seiten 64 bis 79). Hauptvertreter sind Nickel-Titan-Legierungen mit unterschiedlichen Legierungszugaben wie z.B. Kupfer, Hafnium, Zirkon oder Niob zur Einstellung der Austenit-Martensit-Umwandlungstemperatur oder Kupfer-Zink-Aluminium- oder Kupfer-Zink-Nickel-Legierungen.
Bei Aktorelementen aus SMAs sind im Hinblick auf ihre Einsatzmöglichkeiten unter anderem die folgenden Probleme gegeben:
Problem 1
Die Geschwindigkeit der Rückstellung oder die Rückstelldauer des Aktorelements hängt von der eingestellten Temperatur der Legierung nach einer Bestromung, der Umgebungstemperatur, dem Vorhandensein von thermischen Konvektionen – so beschleunigen strömende Luft bzw. Kühlgase eine Abkühlung – sowie von außen auf das Aktorelement wirkende Rückstellkräfte, z.B. durch eine Spiralfeder, Blattfeder oder ein an dem Aktorelement fixiertes Massestück auf Grund einer Gewichtskraft. Ohne eine Rückstellkraft bleibt die Austenit-Form erhalten. Bei einem Draht aus einer SMA mit einem Durchmesser > 0,5 mm erfolgt z.B. die Rückstellung relativ langsam, typischerweise innerhalb von 5 bis 10 s. bei einer Umgebungstemperatur von 20°C. Für zahlreiche Anwendungen ist eine schnellere Rückstellung des Aktorelementes nach der Bestromung gefordert. Eine schnellere Rückstellung der SMA würde den Bau von entsprechend schnelleren Aktorelementen ermöglichen, die pro Zeiteinheit mehr Aktorbewegungen zulassen. Damit würden sich neue Möglichkeiten für den Einsatz von Aktorelementen in schnellen Regelkreisen eröffnen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine Erhöhung der an dem Aktorelement angreifenden äußeren Rückstellkräfte in diesem Zusammenhang erfahrungsgemäß zu keiner signifikanten Beschleunigung der Rückstellung des Elementes führen wird. Vielmehr bewirken hohe Rückstellkräfte auf Grund einer zu hohen Vorspannung des Aktorelementes irreversible Veränderungen der Gefügestruktur der Legierung und damit sogar zu einer Abnahme des Memory-Effektes.
Problem 2
Bei einem Einsatz von Elementen aus reinen SMAs in elektronischen und elektrotechnischen Geräten ergeben sich vielfach durch eine kompakte oder integrierte Bauweise Schwierigkeiten bzgl. der Erwärmung und der elektrischen Isolation des Elementes. Außerdem kommt es bei einer Verlegung von Drähten aus SMAs über bewegliche Auflagepunkte zu Biegewechselbelastungen, die die Lebensdauer des Drahtes auf Grund von Reibungseffekten reduzieren. Auch ist wegen der verhältnismäßig schlechten Wärmeleitung der Umgebungsluft die Zykluszeit eines Aktorelementes aus einer SMA limitiert. So werden beispielsweise an 100 mm langen und ca. 0,2 mm dicken Drähten aus einer SMA bei kurzen Bestromungen von unter 200 ms Abklingzeiten für die Rückumwandlung von der Austenit- in die Martensit-Phase von ca. 5 s gemessen.
Problem 3
Sieht man Aktorelemente aus SMAs mit Umhüllungen aus thermoplastischen Kunststoffen vor, so sind Prozesstemperaturen von im Allgemeinen oberhalb 150°C erforderlich. Systeme mit Teflonbeschichtung erfordern sogar eine Temperung der Aktorelemente bei Temperaturen über 300°C. Dabei ist im Allgemeinen schon bei Temperaturen über 200°C zu beobachten, dass die der SMA aufgeprägte Formänderung zu degradieren beginnt. D.h., Zuverlässigkeit und Effektstabilität der SMA nehmen ab. Aus diesem Grund ist ein Einsatz von thermoplastischen Elastome ren als Ummantelungsmaterialien mit einer Verarbeitungstemperatur von maximal 200°C nur bedingt möglich.
Problem 4
Die schlechte Wärmeabfuhr bzw. Wärmespeicherung in geschlossenen Systemen durch erhöhte Temperatur führt zu einer langsameren martensitischen Rückwandlung des SMA-Aktorelementes.
Aktorelemente aus SMAs werden seit einiger Zeit auf verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt, wie z.B. in elektrischen Schalteinrichtungen (vgl. DE 100 30 394 C1 ). Bisher bekannte Anwendungen setzen SMAs im Allgemeinen in ihrer metallischen Form ohne besondere Ummantelungen ein. wegen der erwähnten Probleme bei der Entwärmung und elektrischen Isolierung kommen entsprechende Aktorelemente nur begrenzt in der Elektronik zum Einsatz. Umhüllungen aus Kunststoffen für Aktorelemente mit SMAs werden zur Optimierung des Gleitverhaltens und der Biokompaktibilität von superelastischen Memory-Elementen in der Medizintechnik eingesetzt. Hierbei ist hinsichtlich des Werkstoffverbundes Memory-Metall mit Polymeren unter anderem eine Beschichtung von entsprechenden Metalldrähten mit einer dünnen Schicht aus Teflon bekannt, wobei die Schichtdicke etwa 10 μm beträgt. Die Teflonschicht dient hier in erster Linie nur zur Verbesserung der Gleiteigenschaften. Zur Verbesserung insbesondere der Gleiteigenschaften ist auch eine Beschichtung von Elementen aus SMAs mit Schichtdicken von wenigen Mikrometern bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Aktoreinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass die erwähnten Probleme bezüglich ihres Aktorelementes zumindest weitgehend nicht gegeben sind.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll bei der Aktoreinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen sein, dass der Kunststoffteil beim oder zum Übergang des Aktorelementes von sei ner zweiten in seine erste Form auf dieses eine Rückstellkraft derart ausübt, dass eine Rückstellung in die erste Form erfolgt oder unterstützt wird, wofür der Kunststoffteil aus einem gummi-elastischen Kunststoffmaterial besteht, dessen Glasübergangsbereich unterhalb des Temperaturniveaus des Übergangs von der ersten in die zweite Form liegt. Der Beginn dieses Übergangs ist durch die so genannte Austenit-Start-Temperatur des Memory-Metalls festgelegt.
Die von dem Kunststoffteil ausgeübte Rückstellkraft soll dabei mindestens so groß sein, dass die Rückstellung in einem mindestens um 10 % kürzeren Zeitintervall gegenüber einem Zeitintervall erfolgt, das von einem entsprechenden Aktorelement ohne vorhandenem Kunststoffteil beansprucht wird. Der Glasübergangsbereich des gummi-elastischen Kunststoffmaterials ist in bekannter Weise (vgl. DIN 7724) durch die deutliche Abnahme des Schubmoduls G bei Temperaturen oberhalb des Temperaturbereichs des energieelastischen Verhaltens des Kunststoffes gekennzeichnet. Hauptvertreter dieser Kunststoffe sind Elastomere (vgl. „Römpp Chemie-Lexikon", 9. Aufl., 1990, Seiten 1105 bis 1107).
Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird davon ausgegangen, dass während der Martensit-Austenit-Umwandlung in dem gummielastischen Kunststoffmaterial Deformationsenergie aus der Aktorbewegung elastisch gespeichert wird. Die hierfür benötigte Energie wird durch das Aktorelement in den Kunststoffteil eingebracht. Die im Kunststoffmaterial elastisch gespeicherte Energie wird dann bei der Abkühlung des Aktorelementes freigesetzt und in das Aktorelement rücktreibende mechanische Energie umgewandelt (so genannte „Entropieelastizität"; vgl. z.B. „Kunststoff-Lexikon", 8.Aufl., 1992, Hanser Verlag München [DE], Seite 174). Diese Rückwandlung des SMA-Materials bei der Austenit-Martensit-Umwandlung wird somit vorteilhaft zeitlich verkürzt.
Bei einer Auslegung der von dem Kunststoffteil aus dem gummielastischen Kunststoffmaterial auf das Aktorelement aus der SMA ausgeübten Rückstellkraft ist zu unterscheiden, ob die SMA vom Ein-Weg- oder Zwei-Wege-Typ ist:

Beim Ein-Weg-Typ erfolgt nach der Einnahme der zweiten Form (Austenit) bei Temperaturabsenkung kein selbständiges Zurückgehen in die erste Form (Martensit); d.h., hier muss der Kunststoffteil aus dem gummi-elastischen Kunststoffmaterial die Rückstellkraft zum Überführen des Elementes in die erste Form entweder vollständig oder teilweise aufbringen. Bei einem Teilweise-Aufbringen muss eine weitere Kraft z.B. durch eine Feder oder ein Gewicht bereitgestellt werden. Die teilweise Rückstellkraft seitens des Kunststoffteils sollte dabei mindestens 10 % der insgesamt erforderlichen Rückstellkraft ausmachen. Die bessere Wärmeabführung bewirkt in diesem Fall eine schnellere Rückstellung.
Beim Zwei-Wege-Typ erfolgt der Übergang von der zweiten in die erste Form bei Temperaturabsenkung an sich von allein. Hier stellt der Kunststoffteil aus dem gummielastischen Kunststoffmaterial eine zusätzliche Rückstellkraft zur Verfügung, die zu einer schnelleren Rückstellung führt und ebenfalls mit einer besseren Wärmeabfuhr einhergeht.
Daraus folgt, dass für die Aktoreinrichtung nach der Erfindung prinzipiell beide Typen von SMAs geeignet sind.

Sämtliche Anwendungen von Aktorelementen von beiden Typen verlangen im Allgemeinen eine hohe Zahl von Kontraktionen und Dehnungen. Die vorgesehene kraftschlüssige Zuordnung mit dem gummi-elastischen Kunststoffmaterial beeinflusst dabei vorteilhaft weder den Memory-Effekt noch die Zykluszeit und führt auch nicht zu einer vorzeitigen Ermüdung des Aktorelementes.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Aktoreinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
So kann der Kunststoffteil als eine Ummantelung des Aktorelementes ausgebildet sein. Mit entsprechenden, das Aktorelement allseitig umschließenden Ummantelungen lassen sich definierte, hinreichend hohe Rückstellkräfte erzeugen.
Auch aus diesem Grunde sind bevorzugt Aktorelemente zu verwenden, die eine Band- oder Drahtform aufweisen. Entsprechende Elemente lassen sich auf einfache Weise mit Teilen aus dem besonderen Kunststoffmaterial versehen.
Als Kunststoffmaterial kommen vorzugsweise Elastomere in Frage. Solche Materialien mit unterhalb der Raumtemperatur liegender Glasübergangstemperatur sind allgemein bekannt.
Um die mechanischen Eigenschaften in weiten Grenzen an Erfordernisse anpassen zu können, lassen sich Kunststoffmaterialien mit insbesondere elektrisch isolierenden Funktionsfüllstoffen versehen. Falls elektrische Isolationsfragen keine Rolle spielen, können auch nicht-isolierende Füllstoffe zum Einsatz kommen. Für die einzelnen Materialien geeignete Füllstoffe sind allgemein bekannt.
Vorteilhaft lassen sich entsprechende Aktorelemente für Hub- oder Zugbewegungen, Kippbewegungen, Drehbewegungen in der Automatisierungs-, Automobil-, Informationstechnik und Medizintechnik sowie für Schalter, Elemente der Mikroelektromechanik, der Elektronik, Robotik sowie für Klappensteller, die Klimatechnik, die Gehäusetechnik oder für Regler verwenden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Aktoreinrichtung sind den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen und der Figurenbeschreibung zu entnehmen.
Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Einzelheiten einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aktorelementes einer erfindungsgemäßen Aktoreinrichtung veranschaulicht sind. Dabei zeigen
deren 1 einen SMA-Draht mit gummi-elastischer Kunststoffummantelung,
deren 2 in einem Diagramm die verschiedenen temperaturabhängigen Eigenschaften eines gummielastischen Kunststoffmaterials und die davon abhängige Auswahl des SMA-Materials,
deren 3 in Teilfiguren 3a und 3b Diagramme mit dem zeitabhängigen Stromverlauf bzw. der zeitabhängigen Kontraktion eines SMA-Drahtes,
deren 4 die Drahtkontraktion in Abhängigkeit von der Stromstärke,
sderen 5 in einem Diagramm den Kontraktion-Rückstellzeit-Verlauf verschiedener SMA-Drähte,
deren 6 in einem Diagramm den Kontraktion-Rückstellzeit-Verlauf bei aufeinander folgenden Stromimpulsen,
deren 7 in einem Diagramm die Kontraktion in Abhängigkeit von der Rückstellzeit und
deren 8 den zeitlichen Verlauf der Kontraktion ohne äußere Rückstellkraft.
Aktorelemente, wie sie sich für Aktoreinrichtungen nach der Erfindung vorsehen lassen bzw. Teile von diesen bilden, sind allgemein bekannt. Sie sind mit ebenfalls geläufigen SMAs (Formgedächtnis-Legierungen, Shape-Memory-Alloys) aufgebaut und weisen im Allgemeinen eine langgestreckte Band- oder Drahtform auf. Gegebenenfalls sind auch Helix- oder Schraubenformen für die Aktorelemente von erfindungsgemäßen Einrichtungen vorzusehen.
Für das für 1 ausgewählte Ausführungsbeispiel sei als Aktorelement 2 einer erfindungsgemäßen Aktoreinrichtung ein Draht aus einer SMA wie z.B. einer TiNi-Legierung ausgewählt (vgl. z.B. die genannte DE 100 30 394 C1 ). Der SMA-Draht 2 ist zumindest in einem Teilbereich mit einem Kunststoffteil 3 kraft- und im Allgemeinen auch formschlüssig verbunden. Der Kunststoffteil ist bevorzugt als eine Ummantelung ausgebildet und besteht aus einem erfindungsgemäß auszuwählenden gummielastischen Kunststoffmaterial. Für eine Aufheizung des Drahtes 2 auf ein über einer Formumwandlungstemperatur liegendes Temperaturniveau, bei dem die (zweite) Hochtemperatur-Form (Austenit-Form) eingenommen wird, dient eine Beheizung des Drahtes 2 mittels eines durch ihn geleiteten Stromes I. Auf diese Weise lassen sich kurze Schaltzeiten realisieren, indem der gesamte SMA-Draht rasch auf Temperaturen über die so genannte Austenit-Finish-Temperatur A_f erwärmt wird (vgl. auch 2). Diese einzustellende Temperatur muss hierzu über dem gesamten zu schaltenden (in seiner Form zu ändernden) Teil des Drahtes kurzzeitig über A_f liegen. Die vorgesehene Kunststoffumhüllung bzw. -ummantelung 3 sollte dabei praktisch keine merklichen Temperaturgradienten über den Draht in Längsrichtung verursachen. Die im Vergleich zu Luft verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit von ungefüllten Kunststoffen von beispielsweise 0,2 bis 0,35 W/mK sorgt zusammen mit dem hohen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der SMA und dem Kunststoffmaterial für eine schnelle Abkühlung und Rückumwandlung des Aktorelementes in die martensitische Phase. Umgekehrt bewirkt der niedrige Wärmeübergangskoeffizient des Kunststoffmaterials eine Wärmeisolierung gegenüber Schwankungen in der Umgebungstemperatur.
Geeignete Ummantelungsmaterialien für SMA(Memory-Metalllegierungs)-Aktorelemente sind alle gummi-elastischen Kunststoffe wie z.B. Silikonelastomere, Polyurethan-Elastomere, Kohlenwasserstoff-Harze oder Acryl-Elastomere. Die Aushärtung dieser Materialien erfolgt im Allgemeinen thermisch, vorzugsweise bei Raumtemperatur. Eine Härtung bei leicht erhöhter Temperatur ist ebenfalls möglich, sofern die Härtungstemperatur nicht die so genannte Austenit-Start-Temperatur A_s der verwendeten Memory-Metall-Legierung überschreitet. Ebenfalls möglich ist eine kontinuierliche Umhüllung von z.B. SMA-Drähten mit UV-härtenden Reaktionsharzen, die im ausgehärteten Zustand gummi-elastische Eigenschaften aufweisen.
Als Mantelmaterial eignen sich bevorzugt gummi-elastische Kunststoffe mit einer Shore A-Härte < 80 (gemessen nach DIN 53505). Besonders vorteilhaft werden solche Kunststoffe mit einer Shore A-Härte < 50 vorgesehen.
Mit insbesondere elektrisch isolierenden Funktionsfüllstoffen ausgerüstete Ummantelungsmaterialien können ebenfalls vorgesehen werden. Als Funktionsfüllstoff können insbesondere Partikel verwendet werden, welche die thermische Leitfähigkeit der Kunststoffummantelung erhöhen. Der Füllgrad muss jedoch den benötigten gummi-elastischen Eigenschaften des Mantelwerkstoffes angepasst sein. Denn zu hochgefüllte Compounds (= gefüllte Materialien) zeigen keine ausreichenden gummielastischen Eigenschaften, so dass sie die Rückumwandlung des Aktorelementes in die Martensitform behindert.
2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des Schubmoduls G eines erfindungsgemäß zu verwendenden gummielastischen Materials von der Temperatur T (vgl. die genannte Textstelle aus „Römpp Chemie-Lexikon"). Wie aus dem Verlauf der mit K_k bezeichneten Kurve für dieses Kunststoffmaterial ersichtlich, ist mit zunehmender Temperatur T zwischen einem Glaszustandsbereich GLB, einem mit GED bezeichneten Bereich des gummi-elastischen Zustandes (vgl. das genannte „Kunststoff-Lexikon", Seite 254) und einem Zersetzungsbereich ZSB zu unterscheiden. Im Allgemeinen liegt dabei die Raumtemperatur RT in dem Bereich GEB des Materials. Zwischen dem Glasübergangsbereich GLB und dem gummi-elastischen Bereich GE liegt die so genannte Glasübergangstemperatur T_g, die insbesondere bei gummi-elastischen Elastomeren deutlich unterhalb der Raumtemperatur RT liegt.
Nach der Erfindung soll ein solches SMA-Material gewählt werden, dass die Glasübergangstemperatur T_g deutlich unterhalb der Austenit-Start-Temperatur A_s liegt, bei der das Material von seiner ersten (Martensit-)Form in seine zweite (Austenit-)Form bei Temperaturerhöhung überzugehen beginnt (mit zunehmender Temperatur). D.h., die Glasübergangstemperatur soll deutlich unter den Martensit- und Austenit-Umwandlungstemperaturen liegen. In dem Diagramm ist eine zweite, mit K_SMA bezeichnete Kurve mit Hysteresis-Form eingezeichnet, die die Abhängigkeit Weges bzw. der Länge s des SMA-Materials von der Temperatur T zeigt (vgl. z.B. das genannte Buch von D. Stöckel, Seite 68). An dieser Kurve K_SMA sind explizit die Austenit-Start-Temperatur A_s und die so genannten Austenit-Finish-Temperatur A_f eingetragen, bei der die Endform des Austenit-Zustandes erreicht ist. Beide Temperaturen liegen im Allgemeinen oberhalb der Raumtemperatur RT. Außerdem sind an der Kurve K_SMA noch die Martensit-Start-Temperatur M_s sowie die Martensit-Finish-Temperatur M_f vermerkt.
Eine dauerhafte Anbindung zwischen Ummantelungskunststoff und Aktorelement aus der SMA ist für die beschriebenen Effekte unerlässlich. Die Anbindung zwischen Kunststoff und SMA-Aktorelement wird vorzugsweise folgendermaßen durchgeführt, indem

– die Oberfläche des Aktorelementes zur Erhöhung der effektiven Verbundfläche aufgeraut wird oder
– die Oberfläche des Aktorelementes z.B. mit Aceton oder Isopropanol gereinigt und enthärtet wird.

Darüber hinaus kann die mechanische Anbindung dieser beiden Teile durch chemische Vorbehandlung der SMA und durch Einsatz von Haftvermittlern verbessert werden.
So kann insbesondere der Kunststoffteil als eine Ummantelung des Aktorelementes ausgebildet sein. Eine solche Ummantelung mit angepassten mechanischen Eigenschaften, die neben einer besseren Gleitfähigkeit auch eine kontrollierte Wärmeabfuhr von dem Aktorelement ermöglicht, verbessert die Zuverlässig keit des Elementes und verkürzt die Rückstellzeiten. Ferner erleichtert eine Kunststoffummantelung des Aktorelementes dessen Systemintegration in Kunststoffbauteile. Sie erhöht zudem die Beständigkeit der SMA gegenüber schädlichen Umgebungseinflüssen wie z.B. Schadgasen oder Lösungsmittel.
Nachfolgend wird auf die Diagramme der 3 bis 8 näher eingegangen. Den Diagrammen lagen dabei Untersuchungen zugrunde, die an SMA-Drähten aus einer Ni-Ti-Memory-Metalllegierung mit der Warenbezeichnung „Nitinol" (Abkürzung für Ni-Ti-„Naval Ordonance Laboratory") vorgenommen wurden. Diese SMA-Drähte waren vom Ein-Weg-Typ, so dass zu einer Rückstellung von ihrer zweiten in die erste Form von Gewichten aufgebrachte Rückstellkräfte angewandt wurden. Die Drähte hatten einen Durchmesser von 200 μm. Die Kontraktion der als Aktorelemente verwendeten Drähte wurde durch einen Stromimpuls mit definierter Impulsdauer herbeigeführt. Die Bewegung des Aktorelementes wurde mit einem Wegaufnehmer aufgezeichnet. Als gummi-elastische Mantelmaterialien wurden zwei Silikonkautschuke untersucht. Wichtige Eigenschaften dieser Produkte sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.
Tabelle
Der Durchmesser der Ummantelung betrug dabei 1 mm. Die Ummantelung der Drähte wurde wie folgt realisiert: Der SMA-Draht wurde zentrisch in eine Aluform gespannt. Die Form wurde so dann mit Silikonharz aufgefüllt. Die Aushärtung des Harzes erfolgt bei Raumtemperatur über 24 Stunden.
3 zeigt schematisch den Verlauf von Stromimpulsen durch den verwendeten Draht (3a) bzw. dessen damit bewirkten Längenänderungen (3b). Ein kurzer Stromimpuls induziert die Martensit-Austenit-Umwandlung und damit eine Kontraktion ε des Aktorelementes. Nach Ende der Bestromung kühlt der Draht ab. Die Kontraktion des Drahtes sinkt ab und der Draht nimmt wieder seine ursprüngliche Länge an.
4 zeigt den Verlauf der Kontraktion ε von SMA-Drähten als Funktion der Stromstärke I. Ein luft-umströmender SMA-Draht mit Luftkonvektion als Randbedingung erreicht bei gleicher Impulsdauer des Stromes den Maximalwert der Kontraktion bei etwas höheren Stromstärken. Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, dass die strömende Luft das Aktorelement auch während der Bestromung kühlt. Die resultierende Deformation des Drahtes ist deshalb etwas geringer. Ein mit dem verwendeten Silikonmaterial „Elastosil RT 622" ummantelter Draht erreicht bei einer Stromstärke von 2 A und einer Stromimpulsdauer von 500 ms ebenfalls den Maximalwert der Kontraktion ε von etwa 4,5 %. Die an den Kurven angegebenen Zeitwerte beziehen sich auf die jeweilige Impulsdauer.
5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kontraktion und Rückstellung verschiedener SMA-Proben. Ein nicht-isolierter SMA-Draht zeigt die langsamste Rückstellung (Kurve a, als „Luft" bezeichnet). Ein Luftstrom mit Konvektion beschleunigt hingegen die Rückstellung des SMA-Drahtes nach der Bestromung (Kurve b, als „Konvektion" bezeichnet). Ein mit dem erwähnten Silikon-Elastomer ummantelter Draht zeigt hingegen eine vergleichbar schnelle Rückstellung (Kurve c; als „Elastosil RT622" bezeichnet) wie der luftumströmte SMA-Draht (Kurve b). Die im Elastomer gespeicherte Deformationsenergie treibt dabei das Aktorelement in die Ausgangsform zurück. Die an den Kurven angegebenen Werte beziehen sich auf die angelegten Stromimpulse. Die an den Kurven angegebenen Strom- und Zeitwerte beziehen sich auf die jeweilige pulsförmige Bestromung.
6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kontraktion und Rückstellung von SMA-Drähten bei kurz aufeinander folgenden Stromimpulsen mit den angegebenen Bestromungsparametern. Ein nicht-ummantelter SMA-Draht wandelt innerhalb der Kühlphase nicht vollständig in den Ausgangszustand zurück. Es bleibt eine Restkontraktion (Kurve d, mit „Luft" gekennzeichnet). Der mit dem erwähnten Silikon-Elastomer umhüllte Draht zeigt hingegen eine deutliche schnelle Rückstellung (Kurve e, mit „Elastosil RT 622" gekennzeichnet). Ein entsprechendes Aktorelement erlaubt deshalb deutlich kürzere Schaltintervalle.
7 zeigt den Zusammenhang zwischen Kontraktion ε und Rückstellzeit t_r. Die erfindungsgemäße gummi-elastische Ummantelung eines SMA-Aktorelementes führt zu einer signifikanten Reduzierung der Aktor-Rückstellzeiten bei nahezu gleicher Kontraktion, d.h, zu einer entsprechenden Erhöhung der Aktor-Effizienz. In dem Diagramm sind unter Angabe der Bestromungsparameter gekennzeichnet mit „Luft" der Punkt für reine Abkühlung in Luft (ohne zusätzlich angefachte Konvektion), mit „Konvektion" der sich für zusätzliche Luftkonvektion ergebende Punkt und mit „Elastosil RT 675 bzw. „Silastic T-2" die sich für erfindungsgemäße Ummmantelungen aus den genannten Materialien ergebenden Punkte.
8 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kontraktion e von zwei Memory-Metall-Drähten, an denen die von den erwähnten Gewichten hervorgerufenen äußeren Rückstellkräfte angreifen. Ein mit dem erwähnten Silikon-Elastomer „Elastosil RT622" zusätzlich ummanteltes Aktorelement wandelt nach einer Bestromung mit den angegebenen Parametern deutlich schneller in die Ausgangsform zurück (Kurve f) als ein nicht-umhüllter Draht (Kurve g).
Unter Bezugnahme auf die Figuren ergeben sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen demnach folgende Vorteile:

– Bei einem mit dem erwähnten Silikon-Elastomer ummantelten Draht wird der Memory-Effekt nicht eingeschränkt. Die Weg-Kraftänderungen unterscheiden sich nicht von den blanker SMA-Drähte (vgl. 4).
– Die Kunststoffummantelung führt aber im Vergleich zu blanken Drähten zu einer verbesserten Abfuhr der durch Bestromung erzeugten Wärme am SMA-Element an die Umgebung. Im Vergleich zu nicht-isolierten SMA-Drähten wird die Rückstellung des SMA-Drahtes nach Bestromung durch eine verstärkte Luftkonvektion beschleunigt. Der mit dem Silikon-Elastomer ummantelte Draht zeigt eine vergleichsweise schnellere Rückstellung wie der Luft-umströmte SMA-Draht (vgl. 5). Die Rückstellzeit reduziert sich bei den ummantelten Drähten um über 50 %.
– Die Kunststoffummantelung übernimmt durch Anpassung der mechanischen Eigenschaften des Polymermantels die Funktion einer Rückstellfeder zur Rückstellung des Aktorelementes. Die im gummi-elastischen Kunststoff gespeicherte elastische Deformationsenergie bewirkt im Vergleich zu einem Standardaktorelement ohne Kunststoffumhüllung damit neben der besseren Wärmeleitung die schnellere Rückstellung des SMA-Aktorelementes während der Austenit-Martensit-Umwandlung, d.h. während der Abkühlphase. Die im Elastomer gespeicherte Deformationsenergie treibt dabei das Aktorelement sozusagen in die Ausgangsform zurück (vgl. 6). Dadurch lassen sich pro Zeiteinheit mehr Aktorbetätigungen realisieren. Unter idealen Bedingungen kann auf zusätzlich von außen auf den Aktor wirkende Rückstellelemente wie z.B. Stahlfedern verzichtet werden. Dies erlaubt den Bau von noch kompakteren Aktoreinrichtungen.
– Die Kunststoffummantelung schützt das SMA-Aktorelement vor schädlichen Umgebungseinflüssen wie z.B. Schmutz, Lösungsmitteln oder Schadgasen.
– Die Kunststoffummantelung schützt das Aktorelement auch vor einer mechanischen Beschädigung an Kontaktstellen wie z.B. an Umlenkrollen.
– Die Kunststoffummantelung bewirkt ferner eine Verbesserung der Gleiteigenschaften des SMA-Aktorelementes.
– Durch die Kunststoffummantelung werden insbesondere dünne SMA-Drähte mit Durchmessern von unter 200 μm einfacher handhabbar, beispielsweise einfacher montierbar.
– Die Kunststoffumhüllung kann bevorzugt elektrisch isolierend wirken und kann so umliegende Bauelemente bzw. Personen vor elektrischen Überschlägen schützen.

Die an den vorstehend angesprochenen Ausführungsbeispielen gewonnenen Eigenschaften gelten generell für alle erfindungsgemäß ausgebildeten Aktoreinrichtungen mit Aktorelementen aus anderen SMAs und anderen Form des kraftschlüssig mit ihnen verbundenen Kunststoffteils.

Claims

Aktoreinrichtung mit einem Aktorelement aus einem Memory-Metall, – das in einem Ausgangszustand eine erste (Niedertemperatur-)Form einnimmt, – dem thermomechanisch eine zweite (Hochtemperatur-)Form eingeprägt ist, – dem Mittel zum Aufheizen auf ein Temperaturniveau zugeordnet sind, bei dem die zweite (Hochtemperatur-)Form eingenommen wird, und – das zumindest in einem Teilbereich mit einem Kunststoffteil kraftschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffteil (3) beim oder zum Übergang des Aktorelementes (2) von seiner zweiten in seine erste Form auf dieses eine Rückstellkraft derart ausübt, dass eine Rückstellung in die erste Form erfolgt oder unterstützt wird, wofür der Kunststoffteil (3) aus einem gummi elastischen Kunststoffmaterial besteht, dessen Glasübergangsbereich (GLB) unterhalb des Temperaturniveaus (A_s) des Übergangs von der ersten in die zweite Form liegt.
Aktoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffteil (3) als eine Ummantelung des Aktorelementes (2) ausgebildet ist.
Aktoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktorelement (2) eine Band- oder Drahtform aufweist.
Aktoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial ein Elastomer ist.
Aktoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kunststoffmaterial mit insbesondere elektrisch isolierenden Funktionsfüllstoffen.
Aktoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kunststoffmaterial mit einer Shore A-Härte unter 80, vorzugsweise unter 50.