DE4307593C1

DE4307593C1 - Fadenstrukturkörper

Info

Publication number: DE4307593C1
Application number: DE4307593A
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl Ing Willy; Gerald Dipl Ing Voegele; Thomas Dipl Ing Weisener
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2013-03-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Fadenstrukturkörper, enthaltend wenigstens eine Metallegierung mit Formge dächtnis (SMA), insbesondere einen Nickel-Titan-Le gierungsdraht.

Die auch im deutschen Sprachgebrauch unter Shape-Me mory-Alloy bekannten und mit den Großbuchstaben SMA abgekürzten Formgedächtnis-Metallegierungen, finden seit ihrer Einfühlung in die Technik zu Beginn der 60iger Jahre einen stark wachsenden und breiter wer denden Markt. Als Halbzeug sind solche Metallegierun gen insbesondere in Drahtform mit unterschiedlichsten Querschnitten und Durchmessern in mannigfaltiger An wendung. SMA-Legierungen, von denen als bekannteste hier die Nickeltitanlegierung erwähnt sei, haben neue Einsatzmöglichkeiten insbesondere in der Medizintech nik erschlossen und finden beispielsweise auch bei der Fertigung von Rohrverbindern und Werkzeugen ein neues Einsatzfeld bis hin zu Brillenfassungen in der optischen Industrie.

Die JP 4-121 135 beschreibt eine Angelschnur aus SMA-Draht, deren "Formgedächtnis" so gewählt ist, daß sie nur im Wasser flexible Eigenschaften zeigt, wäh rend sie in der Luft einen steifen Draht bildet, so daß nach Auswurf der Angelschnur diese bis zum Ein tauchpunkt in das Gewässer für den Angelvorgang unbe weglich bleibt. Als Bespannungsdraht für einen Ten nisschläger wird SMA-Draht in der JP 2-41 426 be schrieben und es ist auch bekannt, SMA-Drähte im Ab stand und parallel zueinanderliegend in eine oder mehrere Schichten einer Epoxidharzplatte einzubetten oder die Einzeldrahtstruktur des Materials wie auch flächenförmige Gebilde mit einer elastischen Oberflä chenschicht zu umhüllen.

Die Formgedächtniseigenschaften von SMA Konstruk tionswerkstoffen zeigen sich als dreidimensionale Effekte bei Wärmezufuhr oder Abfuhr, wobei sich die einzelnen Legierungen durch definiert vorgegebene bzw. vorgebbare Temperaturfenster kennzeichnen. Es gibt SMA-Werkstoffe mit reversiblen Verformungsmecha nismen und solche, deren Phasenübergang von einem Formzustand in den anderen nur in einer Richtung ef fektiv ist. Die bekannten Legierungsgruppen zeigen, daß die jeweils absoluten Größen der Verformungsef fekte, d. h. die damit verbundenden stabilen Arbeits werte, wie sie sich aus dem mit der Verformung ver bundenen Biege- oder Torsionsmoment ergeben, bei dem nur in einer Richtung möglichen Phasenübergang meist doppelt so groß sind, wie bei Legierungen mit rever siblem Phasenübergang. Bei der vorstehend beispiels weise genannten Nickeltitanlegierung handelt es sich um ein SMA-Material mit besonders großen Stellkräften beim Phasenübergang. Als Koeffizient für die Stell kraft wird hier ε_max mit 8% für den Einwegeffekt und ε_max = 4% für den Zweiwegeffekt, also die reversible Phasenveränderung angegeben.

Um eine vollständige Effektausbildung auch bei großer Wiederholbarkeit der Formübergänge gewährleisten zu können, kann jedoch bei der NiTi-Legierungsgruppe nur mit ε = 3% und ε = 5% als sog. stabile Arbeitswerte gerechnet werden.

Da der mit der Formänderung beim Phasenübergang zu erreichende Biegeradius beispielsweise eines Drahtes dessen Durchmesser direkt proportional, dem Wert ε jedoch umgekehrt proportional ist, beschränkt eine geringe Effektgröße den möglichen Biegeradius. Ein gewünschter geringer Biegeradius ist somit zwangsläu fig verbunden mit nur schwach erreichbaren Verfor mungskräften, während umgekehrt wünschenswert starke Verformungskräfte zu unerwünscht großen Biegeradien führen.

Da durch die vorstehend genannte Eigenschaft die Ein satzmöglichkeit der hier interessierenden Konstruk tionswerkstoffe eingeschränkt wird, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Fadenstruktur körper der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbes sern, daß bei einem maximal möglichen Arbeitsvermö gen, d. h. Torsions- bzw. Biegemoment dennoch die er reichbaren Biegeradien bzw. Torsionswinkel erheblich verringert werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erfindungsgemäß erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen die ser Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen ange geben.

Dadurch, daß für einen gegebenen Anwendungsfall er forderliche Verformungskräfte nicht mehr durch die Dicke des SMA-Materials bei einer gegebenen Legie rungsgruppe definiert werden müssen, sondern vielmehr anstelle der Platten- oder Einzeldrahtstärke der Sum mendurchmesser einer Vielzahl von zusammengefaßten dünnen Fäden tritt, läßt sich bei gleichbleibenden Verformungskräften der Biegeradius minimieren, was entsprechend auch für das Torsionsmoment eines Drahtes oder dgl. gilt, da für die Drahtdicke nunmehr nur der Wert der Dicke des Einzeldrahtes des Summen strukturkörpers tritt.

Für das Biegemoment M_b ist beispielsweise bekannt, daß es das Produkt aus der Nutzspannung des SMA-Mate rials σ_N und dem Widerstandsmoment W bei kreisförmi gem Drahtquerschnitt ist. Es ergibt sich also die Formel:

M_b = σ_N · N
mit W = π · d³/32 und
σ_N = 100 N/mm²

Der Durchmesser d des SMA-Drahtes bestimmt jedoch nicht nur das aufbringbare Biegemoment, sondern geht wie vorstehend erwähnt, in den erreichbaren Biege radius R nach der Formel ein:

R = d/2 · ε

Die erfindungsgemäße Lösung bietet somit bei kleinem d entsprechend kleine Biegeradien, da der Durchmesser d für jeden einzelnen Faden des zusammen gefaßten gesamten Fadenstrukturkörpers gilt. Damit können mit der vorliegenden Erfindung gegenläufige Effekte bei regelmäßigen und auch unregelmäßigen Fa denstrukturen aus SMA-Material erreicht werden, wobei die dünnen Drähte systematisch miteinander verbunden, vernetzt, verwirkt, verschweißt, vergossen oder an derweitig verbunden werden, so daß sich die mit den Phasenübergängen ergebenden Kraftaufbringungen gegen seitig abstützen.

Es können Fäden bzw. dünne Drähte unterschiedlicher SMA-Metallegierungsgruppen aber auch unterschiedlich ster Durchmesser und Querschnitte in ein und demsel ben Fadenstrukturkörper Anwendung finden, wobei es auch denkbar ist, solche Strukturkörper aus Gemischen von Einzelfäden und Stapelfasern aufzubauen. Die Ein zelfäden müssen hierbei oder können zumindest teilwei se nicht ausschließlich aus SMA-Material bestehen, sondern beispielsweise auch aus den Fadenstrukturkör per zu einer integralen Einheit zusammenfassenden biegsamen Kunststoffäden und dgl. mehr.

Weiter ist es möglich, aus flächenförmigen Faser strukturkörpern Gebilde zu formen, die im Querschnitt als Hohlkörper ausgebildet sind, oder in flächiger Formgebung beliebige dreidimensionale Strukturen auf weisen. Mit dünnen, miteinander verflochtenen oder nach Art eines Seiles verdrallten SMA-Drähten beste hende Endlosgebilde zeichnen sich durch besonders kleine Biegeradien vorteilhaft aus. Auch ist es vor teilhaft, sowohl seilförmige als auch flächige Faden strukturkörper der erfindungsgemäßen Art durch geeig nete nachgiebige Oberflächenbeschichtungen vor nach teiligen chemischen und/oder physikalischen äußeren Einflüssen zu schützen. Die vorstehend genannten Vor teile gelten nicht nur gleichermaßen für SMA-Stäbe wie SMA-Platten, sondern auch für teppichartige Ge flechte oder Gewirke aus SMA-Fasern und schließlich auch für Wirrfaservliese aus diesem Material oder Materialgemischen.

Wesentlich für derartige Faserstrukturaufbauten ist, daß die Verbindung der einzelnen Fasern, dünnen Dräh te oder dgl. miteinander derart erfolgt, daß bei ih ren formändernden Phasenübergängen die auftretenden Verformungskräfte sich gegenseitig abstützend aufad dieren, wobei die Summe der Kraftwirkungen nicht un bedingt der Summe der Einzelkräfte entsprechen muß oder kann.

In vorteilhafter Weise werden mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Fadenstrukturkörpern hohe Biegemomente und große Torsionsmomente bei gleichzeitig geringen Biegeradien bzw. Drehwinkeln erreicht. Die Herstel lung solcher Fadenstrukturkörper beispielsweise in Seilform aber auch als Wirrfaservlies oder dgl. mehr ist einfach und erfordert keinen höheren Aufwand, als er im Stand der Technik bei der beispielsweise ge nannten Seilherstellung, Faservliesausbildung und dgl. mehr üblich ist. Vorteilhaft ist hierbei der Rückgriff auf solche bewährten konventionellen Her stellungstechniken. Da die vorgebbaren Verformungs kräfte nicht hin bis zu ihren maximal erreichbaren Werten ausgenutzt werden müssen, sondern hier auf durchschnittliche ε-Werte eingestellt werden können, erhöht sich in vorteilhafter Weise auch die Lebens dauer solcher SMA-Fadenstrukturgebilde.

Soll beispielsweise ein Biegemoment von 1 Nm erreicht werden, so ergibt sich wegen der Beziehung M_b = σ_N · W ein minimal erforderlicher Durchmesser für die Faser von 4,67 mm mit dem wiederum ein minimaler Biegeradi us bei einer Vorgabe von ε = 4% von 58,4 mm erreicht werden kann. Wird hingegen ein Seilgeflecht, das aus vier Drähten besteht, wovon zwei einen Durchmesser von 0,3 mm und zwei einen Durchmesser von 3,65 mm aufweisen, eingesetzt, so kann bei einem sich erge benden Gesamtdurchmesser von 7,3 mm das vorstehend genannte Biegemoment von 1 Nm erreicht werden, bei einer Verringerung des Biegeradius auf 45,6 mm.

Die Erfindung soll nachfolgend noch kurz anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, die nur beispielsweise Ausführungsformen in schematischer Wiedergabe darstellen. Es bedeutet:

Fig. 1 den Querschnitt durch ein mit einer Schutz hülle versehenes Seil aus 4 Einzeldrähten;

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Rohrgeflechts als Fadenstrukturkörper mit Schutzhülle und

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2, wobei hier der Rohrkörper aus einem Faservlies ausgeformt ist.

Die Querschnittdarstellung von Fig. 1 bezieht sich auf das vorstehend angegebene Rechenbeispiel unter Verwendung von 4 dünnen Drähten, wobei jeweils 2 un terschiedliche Durchmesser aufweisen. Die 4 Drähte sind nach Art eines Seiles miteinander verdrallt bzw. verflochten, wobei der dünnere Draht 1a im Aus führungsbeispiel einen Durchmesser von 1,3 mm auf weist, während die beiden dickeren Drähte 1b den Durchmesser 3,65 mm besitzen. Das aus den 4 Einzel drähten 1a und 1b bestehende Seil ist mit einer Schutzhülle 2 aus einem nachgiebigen Kunststoff schlauch überzogen. Neben oder anstelle der form- und/oder kraftschlüssigen Verdrillung oder anderwei tigen Verkettung der Einzeldrähte 1a, 1b untereinan der, können diese im Abstand zueinander miteinander verschweißt sein oder bei ausschließlich miteinander verdrillten Einzeldrähten wenigstens an ihren jewei ligen Anfangs- und Endpunkten miteinander vergossen sein.

Das in Fig. 2 gezeigte vernetzte SMA-Geflecht, wel ches zu einem Rohrkörper zusammengefaßt ist, kann für sich selbst tragend ausgebildet sein, oder aber wie dargestellt, mit einem nachgiebigen Schlauchmaterial umhüllt sein, oder wie nicht dargestellt, auf ein tragendes Schlauchmaterial aufgebracht sein. Schließ lich zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 noch einen rohrförmigen Hohlkörper, bei dem der eigentli che Fadenstrukturkörper durch ein Wirrfaservlies ge bildet ist, wobei auch hier die SMA-Wolle 4 entlang der äußeren Umfangsfläche des Rohrkörpers mit einer Schutzhülle 2 überzogen ist. Die ungeordnete Faser struktur der SMA-Wolle ist in eine aushärtende ela stische Schicht eingebettet, damit die beim Phasen übergang auftretenden Verformungskräfte sich gegen seitig abstützend verstärkt werden. Denkbar ist je doch auch eine punktuelle Verschweißung der Legie rungsfasern, wenn diese nur so getroffen wird, daß damit der vorstehend genannte Zweck erreicht werden kann. Für die Übertragung der Einzelbiegemomente der Einzelfäden zu dem gewünschten Summeneffekt ist die erforderliche Verkettung, Verschweißung oder sonstige Verbindung der Einzelfäden unumgänglich.

Claims

1. Fadenstrukturkörper, enthaltend wenigstens eine Metallegierung mit Formgedächtnis (SMA), insbe sondere einen Nickel-Titan-Legierungsdraht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl einzelner relativ dünner Fa denstrukturen aus SMA-Material zu einem Summen strukturkörper zusammengefaßt und so miteinander kraftschlüssig verbunden sind, daß die bei ihrem formändernden Phasenübergang auftretenden Ver formungskräfte sich bei gegenseitiger Abstützung aufaddieren.

2. Fadenstrukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenstruktur aus miteinander verdrallten dünnen Drähten be steht.

3. Fadenstrukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenstruktur aus miteinander nach Art eines Seiles verfloch tenen Fasern bzw. Drähten besteht.

4. Fadenstrukturkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer Einheit zusammengefaßte geordnete Struktur aus Fäden mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Längen gebildet ist.

5. Fadenstrukturkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenstruktur zu einem im Querschnitt beliebigen Hohlkörper zu sammengefügt ist.

6. Fadenstrukturkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenstruktur zu einem flächigen Körper zusammengefügt ist.

7. Fadenstrukturkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden, Fasern und/oder dünnen Drähte miteinander verflochten sind.

8. Fadenstrukturkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden, Fasern und/oder dünnen Drähte miteinander verwebt sind.

9. Fadenstrukturkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden, Fasern und/oder dünnen Drähte gegenseitig wenigstens teilverschweißt sind.

10. Fadenstrukturkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden, Fasern und/oder Drähte in Verbundmaterial eingebettet sind.

11. Fadenstrukturkörper nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern und/oder Drähte ein Wirrfaservlies bilden.

12. Fadenstrukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fadenstruktur körper von einer Schutzhülle umgeben ist.

13. Fadenstrukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Fasern ein bettende Verbundmaterial ein aushärtbares Ela stomer ist.

14. Fadenstrukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fadenstruktur körper aus unterschiedlichen Legierungen bzw. SMA-Materialien zusammengefügt ist.