DE69921185T2

DE69921185T2 - Verfahren zur laserbehandlung eines werkstücks aus einem formgedächtnismaterial

Info

Publication number: DE69921185T2
Application number: DE69921185T
Authority: DE
Inventors: Yves Bellouard; Thomas Lehnert; Jacques-Eric Bidaux; Reymond Clavel
Original assignee: ETA SA Manufacture Horlogere Suisse
Current assignee: ETA SA Manufacture Horlogere Suisse
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2019-12-04
Also published as: WO2000034536A1; EP1141423A1; JP2002531707A; US6669794B1; FR2786790B1; ATE279539T1; DE69921185D1; FR2786790A1; EP1141423B1

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines Gegenstandes aus einem Werkstoff, der eine martensitische Umwandlung aufweist, insbesondere aus einem Werkstoff mit Formerinnerung.
Die Erfindung wird für die Herstellung von aktiven oder passiven monolithischen Strukturen (d.h. Einblockstrukturen) aus Werkstoffen mit Formerinnerung und insbesondere für die Herstellung von monolithischen Schaltern ("actuators"), Verbindungsstücken, aktiven Befestigungsbauteilen und Greifern ("grippers") mit sehr kleinen Abmessungen aus Werkstoffen mit Formerinnerung verwendet.
LAGE DES STANDES DER TECHNIK
Hinsichtlich der Werkstoffe mit Formerinnerung soll in die beiden folgenden Dokumente Einsicht genommen werden:

[1] Engineering Aspects of Shape Memory Alloys, T.W. Duerig et al., Ed. Butterworth-Heinemann, 1990.
[2] Shape memory materials, Edited by K. Otsuka und C.M. Wayman, Cambridge University Press, 1998, Kapitel 10, Seiten 221 bis 237.

Es soll ebenfalls in das folgende Dokument Einsicht genommen werden, welches besondere Anwendungen dieser Werkstoffe verbreitet:

[3] Französische Patentanmeldung Nr. 9615013 vom 6. Dezember 1996, "Dispositif de préhension en matériau á mémoire de forme et procédé de réalisation", Erfindung von Y. Bellouard, J.E. Bidaux und T. Sidler – siehe auch internationale Anmeldung Nr. PCT/EP97/06966, internationale Publikationsnummer WO 98/24594.

Es soll in Erinnerung gerufen werden, dass die Werkstoffe mit Formerinnerung mehrere Feststoff-Phasen in metastabilem Gleichgewicht aufweisen. Der Phasenübergang von einer Feststoff-Phase in eine andere kann unter Spannung ("Superelastizität") und/oder durch Temperaturänderung (Formerinnerungseffekt) induziert werden.
Wenn der Phasenübergang thermisch induziert wird, kann er von einer makroskopischen Formänderung begleitet sein. Somit kann ein Werkstoff mit Formerinnerung, der in seiner Niedrigtemperaturphase, die "Martensitphase" genannt wird, scheinbar verformt wird, durch Erwärmung bis zu seiner Hochtemperaturphase, die "Austenitphase" genannt wird, wieder seine anfängliche Form annehmen.
Die charakteristischen Anfangs- und Endtemperaturen der Austenit-Martensit-Umwandlung werden mit M_s bzw. M_f bezeichnet. Die charakteristischen Anfangs- und Endtemperaturen der Martensit-Austenit-Umwandlung werden mit A_s bzw. A_f bezeichnet.
Eine besondere Aufmerksamkeit muss der Tatsache geschenkt werden, dass in einem Werkstoff mit Formerinnerung nur eine einzige "gespeicherte" Form, nämlich die austenitische Form, vorhanden ist: das Phänomen ist also nicht intrinsisch reversibel.
Das Erhalten eines intrinsisch reversiblen Effekts für einen solchen Werkstoff benötigt entweder die Anwendung einer sehr besonderen Methode für die Herstellung des Werkstoffs (zum Beispiel die unter dem Namen "Melt Spinning" bekannte Methode) oder die Anwendung einer themo-mechanischen Behandlung, die allgemein "Bildungsverfahren" genannt wird und die gewissermassen eine bevorzugte Martensit-Form "speichert".
Eine weitere bekannte Technik besteht darin, dass die Tatsache, dass sich das mechanische Merkmal des Werkstoffs beim Phasenübergang verändert, genutzt wird. Somit besitzt eine mechanische Verbindung, die einerseits ein Element aus einem solchen Werkstoff und andererseits ein weiteres Element, dessen Merkmal konstant bleibt, umfasst, zwei stabile Arbeitspunkte, die den Temperatur- und Spannungszonen entsprechen, welche die Feststoff-Phasen dieses Werkstoffs mit Formerinnerung definieren.
Wenn man einen Schalter mit sehr kleinen Abmessungen ausführen will, ist es jedoch sehr schwierig, eine solche Verbindung auszuführen. Deshalb besteht eine bekannte Technik darin, eine Einblockstruktur, die ebenfalls monolithische Struktur genannt wird, auszuführen: der Schalter wird dann aus einem einzigen Element aus einem Werkstoff mit Formerinnerung hergestellt.
Diesbezüglich soll in folgendes Dokument Einsicht genommen werden:

[4] Y. Bellouard et al., "A concept for monolithic SMA microdevices", Physikzeitschrift IV, Nr. 11, Seiten 603-608 (1997).

Die Schwierigkeit besteht dann darin, einen reversiblen Effekt erhalten zu können und zu diesem Zweck verschiedene mechanische Eigenschaften in diesem gleichen Element zu erhalten. Dazu ist es nötig, dieses letztere lokal zu erwärmen, damit nur ein Teil davon einen Formerinnerungseffekt aufweist, während der andere Teil passiv bleibt.
Damit eine Verschiebung eintritt, ist es jedoch zwingend, eine anfängliche Vorverformung des Elements mechanisch auszuführen (ausser wenn ein Zweirichtungs-Formerinnerungseffekt vorhanden ist).
EP-A-0 086 357 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses, gemäss welchem man den Werkstoff von oberflächlichen Schichten des Gehäuses von einem ferritischen Zustand in einen merklich martensitischen Zustand übergehen lässt.
MESSER K ET AL: "STAND DES LASERSTRAHLHÄRTENS" HÄRTEREI TECHNISCHE MITTEILUNGEN, DE, CARL HANSER VERLAG, MÜNCHEN, Vol. 52, Nr. 2, 1. März 1997 (1997-03-01 ), Seiten 74-82 beschreibt die Härtung durch ein Laserstrahlenbündel von Eisenlegierungen.
MIGLIORE LR: "HEAT TREATING WITH LASERS" ADVANCED MATERIALS & PROCESSES, US, AMERICA SOCIETY FOR METALS, METALS PARK, OHIO, Vol. 154, Nr. 2, 1. August 1998 (1998-08-01), Seiten H25-H29 beschreibt die Laserbehandlung von Stahlen.
FR-A-2 393 075 beschreibt das Ausglühen mittels eines Lasers eines Stücks aus nicht eisenhaltigem Metall.
CHEMICAL ABSTRACTS, Vol. 126, Nr. 24, 16. Juni 1997 (1997-06-16) Columbus, Ohio, US; Auszug Nr. 319898, VILLERMAUX, F. ET AL: "Corrosion kinetics of laser treated NiTi shape memory alloy biomaterials" & MATER. RES. SOC. SYMP. PROC. (1997), 459 (MATERIALS FOR SMART SYSTEMS II), 477-482, 1997 beschreibt die Laserbehandlung von legierten Werkstoffen mit Formerinnerung.
WO-A-89 10421 beschreibt Wärmebehandlungen von legierten Werkstoffen mit Formerinnerung.
DARLEGUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, das Problem der lokalen Veränderung (d.h. der Veränderung in wenigstens einer vordefinierten Zone) der Mikrostruktur eines Gegenstandes aus einem Werkstoff, der für einen Formerinnerungseffekt geeignet ist, zu lösen.
Unter "lokaler Veränderung der Mikrostruktur" eines solchen Gegenstandes versteht man:

– die lokale Kristallisation des Gegenstandes, wenn der Werkstoff amorph ist
– oder die lokale Rekristallisation des Gegenstandes, wenn der Werkstoff federhart ist
– oder die lokale sekundäre Kristallisation des Gegenstandes, wenn der Werkstoff bereits kristallisiert ist (um beispielsweise lokal eine Veränderung der Umwandlungstemperatur zu induzieren)
– oder die kontrollierte Bildung von Niederschlägen oder noch die Zerstrahlung von Kristallfehlern, und zwar lokal, im Gegenstand (um die mechanischen Eigenschaften dieses letzteren lokal zu verändern).

Die vorliegende Erfindung ist im Patentanspruch 1 genau definiert. Dieses Laserstrahlenbündel dient also dazu, diesen Gegenstand lokal auszuglühen, indem dieser letztere auf eine Temperatur T gebracht wird, die viel höher liegt als die Temperatur A_f des Werkstoffs mit Formerinnerung, aus welchem der Gegenstand gemacht ist.
Es soll jedoch festgehalten werden, dass die Ausglühtemperatur und -zeitspanne derart sind, dass keine Amorphisierung des Werkstoffs erhalten werden kann.
Es soll ebenfalls festgehalten werden, dass der Werkstoff sogar vor dem Durchführen des Verfahrens, welches Gegenstand von der Erfindung ist, in einem Ofen ausgeglüht werden könnte.
Gewiss ist aus den Dokumenten EP0360455A und EP0310294A (Catheter Research Inc.) das Bestrahlen mittels eines Laserstrahlenbündels von einer Zone eines legierten Elements mit Formerinnerung bekannt. Man verbreitet darin die Verwendung eines Lasers für die Abwandlung und Veränderung der Kristallstruktur, damit die martensitische Umwandlung nicht mehr eintreten kann. Der Begriff des Veränderns ist insofern wichtig, als im Fall dieser Dokumente der Laser verwendet wird, um ein Kristallgitter zu "zerstören", und nicht um es "aufzubauen". Dies bedeutet, dass das Element zuvor ausgeglüht und dann lokal "amorphisiert" wird, um die Wanderung von kontaminierenden Ionen, wie die Silberionen in der NiTi-Matrix des Elements, zu verhindern. Es handelt sich also um ein Verfahren mit einem Ziel, das demjenigen des Verfahrens, welches Gegenstand von der vorliegenden Erfindung ist, entgegengesetzt ist. Das lokale Ausglühen durch Laser hat nämlich zum Ziel, einen Werkstoff, der eine martensitische Umwandlung aufweist, (insbesondere einen Werkstoff mit Formerinnerung), lokal zu kristallisieren oder rekristallisieren, und ihn nicht zu amorphisieren. Die Amorphisierung durch Erwärmung kann erhalten werden, wenn die Temperaturerhöhung sehr gross ist, d.h. nahe der Schmelztemperatur, und wenn die Abkühlung extrem schnell stattfindet.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Vorteile:

• Dieses Verfahren kann mit einer wenig kostspieligen Vorrichtung ausgeführt werden und ermöglicht, auf einfache Weise Ausglühungen von Strukturen aus Werkstoffen mit Formerinnerung auszuführen, ohne einen Ofen zu benutzen (wobei die Dauer der Behandlung gemäss der Erfindung viel kürzer ist als diejenige eines mittels eines Ofens ausgeführten Ausglühens). Ferner kann ein solches Verfahren einfach in eine Fertigungskette eingebaut werden.
• Dieses Verfahren ermöglicht, auf sehr präzise Weise in komplexen Strukturen vordefinierte kleine Zonen auszuglühen.
• Dieses Verfahren ist mit einer grossen Freiheit für die Konzeption der Strukturen, auf welche man es anwenden will, vereinbar (während ein lokales Ausglühen mittels eines elektrischen Stroms eine gut definierte und bemessene Strombahn benötigen würde).
• Mit diesem Verfahren wird die Temperaturerhöhung sehr schnell ausgeführt und die Abkühlung hängt nur von der Grösse des auszuglühenden Gegenstandes ab. Dies ermöglicht, Ausglühqualitäten zu erhalten, die schwer mit einem Ofen erhalten werden können. Zum Beispiel ist ein Abschrecken am Ende des Ausglühens mit der Erfindung nicht mehr nötig.
• Dieses Verfahren ist sehr gut für die Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen ("micro-electro-mechanical systems") oder MEMS geeignet, es kann in ein Verfahren zur Fertigung von Mikrosystemen eingefügt werden, und es ermöglicht eine schnelle Herstellung dieser letzteren.
• Dieses Verfahren ist das einzige, das ermöglicht, reversible Schalter mit sehr kleinen Abmessungen auszuführen, ohne sie durch eine mechanische Vorverformung, welche durch einen Bedienungsmann ausgeführt wird, einer Spannung zu unterwerfen. Die Erfindung ermöglicht, diese Vorverformung beim Ausglühen einzuführen.
• Die Anwendungen der Erfindung sind zahlreich, und sie sind insbesondere in den Mikrotechniken (MEMS) vorzufinden: beispielsweise ermöglicht sie die Herstellung von monolithischen Mikroumschaltern für Lichtleitfasern, Modulatoren, Greifern, aktiven Befestigungen, Translationsachsen und Drehachsen.

Gemäss einer ersten besonderen Durchführungsform des Verfahrens, das Gegenstand von der Erfindung ist, verwendet man ferner diese Bestrahlung der Zone, um eine dauerhafte Verformung dieser Zone hervorzurufen, was ermöglicht, den Gegenstand einer Spannung zu unterwerfen. In diesem Fall dient der Laser also dazu, den Gegenstand durch Ausglühen vorzuverformen.
Gemäss einer zweiten besonderen Ausführungsform wird der Gegenstand vor und während, oder nach, der Bestrahlung der Zone durch Verformung des Gegenstandes einer Spannung unterworfen. Im Gegensatz zum vorhergehenden Fall führt man also in diesem Fall eine anfängliche mechanische Vorverformung des Gegenstandes aus.
Der nicht bestrahlte Abschnitt des Gegenstandes kann einteilig ausgebildet sein, oder dieser nicht bestrahlte Abschnitt kann im Gegenteil wenigstens zwei Zonen aufweisen, die durch die bestrahlte Zone getrennt sind.
Gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Gegenstand ein dünnes Element, und man bestrahlt mittels des Laserstrahlenbündels Zonen dieses Elements, die auf dem Element verteilt sind, um dieses letztere zu versteifen.
In der vorliegenden Erfindung kann man die von dem Laser auf den Werkstoff übertragene Energie in Abhängigkeit von der Position des Laserstrahlenbündels auf dem Gegenstand variieren lassen.
Dafür kann man in Abhängigkeit von dieser Position beispielsweise die Leistung des Lasers, die Dauer des Laserimpulses, die Sequenz von aufeinanderfolgenden Impulsen variieren lassen, oder man kann die Geschwindigkeit des Durchfahrens der Zone durch das Laserstrahlenbündel variieren lassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die weiter unten allein zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkungen gegeben sind, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung ist, die ermöglicht, das Verfahren, welches der Gegenstand von der Erfindung ist, einzusetzen,
2 eine schematische Ansicht eines Gegenstandes ist, dessen nicht ausgeglühter Teil nicht einteilig ausgebildet ist,
3 eine schematische Ansicht eines Gegenstandes ist, dessen nicht ausgeglühter Teil einteilig ausgebildet ist,
4 eine schematische Ansicht eines Plättchens ist, das durch ein Verfahren gemäss der Erfindung versteift wird,
5 eine schematische Ansicht von einer Stufe einer Translation entlang einer Achse ist, deren Herstellung das Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung ist,
6 eine schematische Ansicht eines Greifers ist, dessen Herstellung das Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung ist,
7 eine schematische Ansicht eines optischen Umschalters ist, dessen Herstellung das Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung ist,
8 eine schematische Ansicht eines Schalters ist, dessen Herstellung das Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung ist,
9A eine schematische Draufsicht eines weiteren Schalters ist, dessen Herstellung ein Ausglühen gemäss dem Verfahren, welches der Gegenstand von der Erfindung ist, verwendet, während die 9B eine Profilansicht dieses weiteren Schalters nach diesem Ausglühen ist,
10 eine schematische Ansicht einer Translationsplatte ist, die Führungselemente mit Gelenken umfasst und deren Herstellung das Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung ist, und
die 11 bis 25 weitere Anwendungen des Verfahrens, welches der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, schematisch illustrieren.
AUSFÜHRLICHE DARLEGUNG VON BESONDEREN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die ermöglicht, ein Verfahren gemäss der Erfindung einzusetzen.
Gemäss diesem Verfahren bestrahlt man durch ein Laserstrahlenbündel 4 eine oder mehrere Zonen, wie die Zone A eines Gegenstandes 2 aus einem Werkstoff, der eine martensitische Umwandlung aufweist, zum Beispiel aus einem Werkstoff mit Formerinnerung. Dieses Strahlenbündel 4 kann die Zone A auf eine für die Kristallisation, die Rekristallisation, oder die sekundäre Kristallisation dieser Zone, oder die kontrollierte Bildung von Niederschlägen oder die Zerstrahlung von Kristallfehlern in dieser Zone ausreichende Temperatur T bringen. Ferner, wie man dies bereits gesehen hat, sind die Erwärmungstemperatur und -zeitspanne derart, dass keine Amorphisierung des Werkstoffs eintritt.
Allein zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkung soll erwähnt sein, dass der den Gegenstand 2 bildende Werkstoff mit Formerinnerung eine NiTi-Legierung ist, für welche eine Temperatur T in der Grössenordnung von 500°C geeignet ist.
Es können jedoch weitere Werkstoffe mit Formerinnerung, wie CuZnAl oder NiTiCu, in der Erfindung verwendet werden.
In dieser letzteren kann man ebenfalls diejenigen Werkstoffe verwenden, die im Dokument [1], Kapitel 1, Seiten 3 bis 20, verfasst von C.M. Wayman und betitelt mit: "Introduction to martensite and shape memory", beschrieben sind.
Die Vorrichtung der 1 umfasst einen Laser 6, zum Beispiel eine derartige Laserdiode wie diejenigen, die durch die Gesellschaft Siemens unter der Referenz S/N 150001B kommerzialisiert werden und deren Wellenlänge 810,5 nm beträgt.
Der Gegenstand 2 ist auf einem Positioniersystem mit drei Freiheitsgraden montiert, das durch die Achsen X, Y und Z, welche senkrecht zueinander stehen, symbolisch dargestellt ist und ermöglicht, den Gegenstand 2 im Laserstrahlenbündel 4, welches durch die Diode 6 gelasert wird, zu plazieren.
Dieses Laserstrahlenbündel wird nacheinander über eine Kollimationslinse 8, einen halbtransparenten Spiegel 10, eine Blende 12 und eine Linse 14 zur Fokussierung des Strahlenbündels auf dem Gegenstand auf die Zone A gelasert.
Wie man dies auf 1 erkennt, ist eine Kamera 16, zum Beispiel eine CCD-Kamera, vorgesehen, um die bestrahlte Zone A nacheinander über die Linse 14, die Blende 12, den halbtransparenten Spiegel 10 und ein optisches Element 18 zu beobachten.
Diese Kamera ermöglicht, die Position des Gegenstandes im Laserstrahlenbündel 4 einzustellen.
Die Stromversorgung der Laserdiode umfasst einen Arbiträrsignalgeber (nicht dargestellt), der ermöglicht, Laserimpulse von bestimmter Leistung und Dauer zu erhalten.
Das Interesse, in einem gleichen Werkstoff mit Formerinnerung eine oder mehrere Zonen im kristallinen Zustand und eine oder mehrere Zonen im amorphen oder federharten Zustand zu haben, liegt darin, dass man zwei oder mehrere verschiedene mechanische Verhaltensweisen (zum Beispiel Formerinnerungseffekt, Superelastizität, verschiedene Umwandlungstemperaturen) in diesem gleichen Werkstoff erhalten kann. Man kann somit einen Schalter herstellen, dessen aktiver Teil die durch den Laser ausgeglühte Zone ist, wobei die nicht ausgeglühten Zonen eine weitere aktive Funktion (Bewegung bei unterschiedlicher Temperatur) oder eine passive Funktion (zum Beispiel eine Führungs- oder Spannfederfunktion) in diesem Schalter ausüben können.
2 ist eine schematische Ansicht eines nicht ausgeglühten, zum Beispiel amorphen, dünnen Plättchens 20 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung.
Eine kreisförmige Zone 22 dieses dünnen Plättchens ist einem Ausglühen durch ein Laserstrahlenbündel gemäss der Erfindung unterworfen worden.
Man erkennt auf 2 Zonen 24 und 26, die diesem Ausglühen nicht unterworfen worden sind. Die Zone 24 wird von der Zone 22 umgeben, und die Zone 26 umgibt diese Zone 22.
Dank der Form der ausgeglühten Zone 22 werden diese Zonen 24 und 26 einer Spannung unterworfen, wodurch ein reversibler Formerinnerungseffekt und die Möglichkeit, einen reversiblen Schalter zu erlangen, erhalten wird.
Im Beispiel der 2 ist die Zone, die nicht durch den Laser ausgeglüht wird, nicht einteilig ausgebildet: sie wird von den Zonen 24 und 26 gebildet, welche durch die Zone 22 voneinander getrennt sind.
Hingegen erkennt man im Beispiel der 3 noch ein nicht lokal ausgeglühtes, zum Beispiel amorphes, dünnes Plättchen 20 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung, bei dem eine merklich geradlinige Zone 28 einem Ausglühen durch Laser gemäss der Erfindung unterworfen worden ist, wobei sich diese Zone 28 vom Rand des Plättchens 20 zur Mitte dieses letzteren hin erstreckt. Deshalb ist die Zone 30, die nicht einem Ausglühen durch Laser unterworfen wird, einteilig ausgebildet.
Diese Zone 30 wird auch einer Spannung unterworfen, was einen reversiblen Formerinnerungseffekt erzeugt.
Bei der Ausführung der Erfindung ist es möglich, die Ausglühtemperatur variieren zu lassen, indem man während dem Ausglühen die Leistung des Laserstrahlenbündels, oder allgemeiner, die durch den Laser auf den Gegenstand übertragene Energie (im Beispiel der 1 durch Veränderung der Intensität des Versorgungsstroms der Diode 6) in Abhängigkeit von der Position des Laserpunkts auf dem zu behandelnden Gegenstand variieren lässt.
Es ist bekannt, dass sich die Umwandlungstemperaturen in Abhängigkeit von den Parametern (Zeitspanne, Temperatur) des Ausglühens verändern.
Die auszuglühende Zone kann zum Beispiel mit dem Ziel durchfahren werden, die charakteristischen Temperaturen des Werkstoffs mit Formerinnerung, woraus der Gegenstand besteht, d.h. die Parameter M_s, M_f, A_s und A_f dieses Werkstoffs, variieren zu lassen.
Darin liegt das Interesse, die Martensit-Austenit-Umwandlungszone dieses Werkstoffs auszubreiten.
Es soll festgehalten werden, dass der gemäss der Erfindung ausgeglühte Werkstoff mit Formerinnerung in der ausgeglühten Zone superelastisch werden kann. Das Verfahren, das der Gegenstand von der Erfindung ist, kann also auch angewendet werden, wenn man einen Werkstoff mit Formerinnerung lokal superelastisch werden lassen will.
4 illustriert schematisch eine weitere Anwendung der Erfindung für die Versteifung eines dünnen Plättchens 20 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung.
Man führt das Ausglühen durch Laser an Punkten 32 des Plättchens 20 aus, wobei diese Punkte merklich gleichmässig auf der Oberfläche dieses Plättchens verteilt sind.
Es werden also im Plättchen 20 rings um die Einfallspunkte 32 des Lasers lokal Spannungen erzeugt. Dies ermöglicht, das Plättchen zu versteifen, und zwar insbesondere bei Biegung.
Die 5, 6, 7, 8 und 9A, 9B illustrieren schematisch verschiedene Vorrichtungen, die sehr kleine Abmessungen aufweisen können und bei deren Herstellung ein Verfahren gemäss der Erfindung verwendet wird.
Allein zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkung soll erwähnt sein, dass diese Vorrichtungen mit Abmessungen, die weniger als 500 μm betragen, und mit Dicken in der Grössenordnung von 1 μm bis 200 μm ausgeführt werden können, so dass sie dann als Mikrovorrichtungen betrachtet werden können.
Im Fall jeder der 5 und 6 muss ein Bedienungsmann die Vorrichtung derart verformen, dass diese letztere einer Spannung unterworfen wird, nachdem ein Teil dieser Vorrichtung gemäss der Erfindung ausgeglüht worden ist.
Im Fall der 5 kann jedoch die durch einen Bedienungsmann ausgeführte Verformung auch vor (und während) dem Ausglühen stattfinden.
In diesem Fall befestigt man zuerst die Vorrichtung über ihre Klötzchen auf einem Träger; der bewegliche Mittelteil wird durch den Bedienungsmann verlagert und dann unter Spannung gehalten, und das Ausglühen der wegen dieser Spannung zusammengedrückten Federn wird ausgeführt. Dann kehrt die Vorrichtung in eine Gleichgewichtsposition zurück.
Im Fall einer Verformung, die nach dem Ausglühen ausgeführt wird (Fall des weiter unten betrachteten Beispiels), ist die Vorrichtung frei, ein Teil (auf 5 die beiden linken Federn) wird ausgeglüht; dann wird die Vorrichtung einer Spannung unterworfen und fixiert.
Im Fall von jeder der Vorrichtungen der 7, 8 und 9A, 9B kann man im Gegenteil die durch das Ausglühen induzierte dauerhafte Verformung der Zone nutzen, welche diesem Ausglühen unterworfen wird: dieses letztere ermöglicht also, dass die Vorrichtung einer Spannung unterworfen wird.
Es soll präzisiert werden, dass beim Ausglühen durch Laser immer eine Verformung des Gegenstandes eintritt. Diese Verformung ist in Bezug auf eine Verformung, die ein Bedienungsmann induzieren kann, klein.
Man nutzt also diese Verformung a priori in den Vorrichtungen, die sie verstärken (Fall der Beispiele der 7 und 9A, 9B) oder im Fall von sehr kleinen Bewegungen (Beispiel der 8).
Diese Verformung kann in Abhängigkeit von den Parametern des Laserimpulses eine dauerhafte Zusammenziehung oder Ausdehnung sein.
Ferner handelt es sich im Fall von jeder der 5 bis 8 um eine ebene monolithische Vorrichtung, wovon ein Teil einer reversiblen Bewegung in der Ebene der Vorrichtung unterworfen werden kann.
Die Vorrichtung der 9A und 9B ist im Gegenteil eine monolithische Vorrichtung, die einen ersten ebenen Teil und einen zweiten Teil umfasst, der einer reversiblen Bewegung über die Ebene des ersten Teils hinaus unterworfen werden kann.
Ferner ist im Fall von jeder der Vorrichtungen der 7 und 9A, 9B das zur Vorspannung dieser Vorrichtung dienende Element ebenfalls das aktive Element der Vorrichtung, während im Fall der Vorrichtung der 8 das zur Vorspannung der Vorrichtung dienende Element verschieden vom aktiven Element dieser Vorrichtung ist.
Die Vorrichtung der 5 ist eine Stufe von einer Translation entlang einer Achse X.
Diese Vorrichtung wird ausgehend von einem dünnen Plättchen aus einer Legierung mit Formerinnerung durch Laser ausgeschnitten.
Man erkennt, dass diese Vorrichtung einen beweglichen Mittelteil 34, zwei Federn 36, die auf einer Seite an diesem letzteren und auf der anderen Seite an zwei Klötzchen 38 befestigt sind, sowie zwei weitere Federn 40, die auf einer Seite am beweglichen Teil und auf der anderen Seite an zwei weiteren Klötzchen 42 befestigt sind, umfasst.
Die beiden Federn 36, die auf der linken Seite der Figur liegen, werden gemäss der Erfindung durch ein Laserstrahlenbündel bis auf ihre Ausglühtemperatur erwärmt.
Die beiden Federn 40, die auf der rechten Seite der Figur liegen, bleiben merklich bei der Umgebungstemperatur (etwa 20°C).
Nach Abkühlung der Gesamtheit der Vorrichtung bis auf die Umgebungstemperatur werden die vier Federn gemäss der Achse X (Translationsachse) vorgespannt, und die Vorrichtung wird über die vier Klötzchen auf einem ebenen Substrat 44 befestigt.
Das Arbeitsprinzip dieser Vorrichtung ist folgendes: die Federn 36 werden auf eine Temperatur erwärmt, die über der Umwandlungstemperatur A_s liegt, die für eine NiTi- oder NiTiCu-Legierung in der Grössenordnung von 60°C ist.
Die Erwärmung kann beispielsweise durch einen elektrischen Strom ausgeführt werden, den man in diesen beiden Federn fliessen lässt.
Diese letzteren werden einer Austenit-Umwandlung unterworfen, nehmen somit wieder ihre anfängliche Form an und ziehen den beweglichen Teil nach links. Bei der Abkühlung kehren diese beiden Federn 36 in ihren martensitischen Zustand zurück, und der bewegliche Teil wird wegen der Elastizität der Federn 40, die nicht ausgeglüht worden sind und die Spannungsfedern für die Vorrichtung bilden, nach rechts gezogen.
Weiter oben ist bereits eine weitere mögliche Arbeitsweise (Verformung vor – und während – dem Ausglühen) erklärt worden.
Die Vorrichtung, wovon 6 eine schematische Draufsicht ist, ist ein Mikrogreifer, der ausgehend von einem dünnen Plättchen aus einem Werkstoff mit Formerinnerung durch einen Laser ausgeschnitten wird.
Diese Vorrichtung umfasst einen festen Teil 46, der zwei Befestigungszonen 48 aufweist, und einen Betätigungsteil 50, der dazu bestimmt ist, eine Spannfeder zu bilden.
Ein Endabschnitt dieses Betätigungsteils ist über einen halbkreisförmigen Teil 52 mit dem festen Teil 46 verbunden, welcher halbkreisförmige Teil dazu bestimmt ist, gemäss der Erfindung durch Laser ausgeglüht zu werden.
Der andere Endabschnitt 54 des Betätigungsteils und die Zone 56 des festen Teils, die gegenüber diesem anderen Endabschnitt 54 liegt, bilden die Klemmbacken der Vorrichtung.
Für das lokale Ausglühen der Zone 52 wird ein Laserstrahlenbündel auf diese letztere gelasert.
Nach Rückkehr zur Umgebungstemperatur wird dann der Arm des Greifers (d.h. der Teil 50 dieses letzteren) ausserhalb seines elastischen Bereichs verformt, um die offene Position dieses Greifers zu definieren.
Diese Vorrichtung bleibt dann offen und hat eine gewisse Elastizität.
Wenn man einen Gegenstand mit dem Greifer fassen will, erwärmt man die Gesamtheit dieses letzteren zum Beispiel mittels eines Pettier-Elements. Der Greifer geht wegen der Kraft, die durch die Phasenumwandlung im ausgeglühten Teil erzeugt wird, zu.
Bei der Abkühlung, wenn der Betätigungsteil in den martensitischen Zustand zurückgekehrt ist, kann die Spannfeder den Arm in seine offene Position ziehen.
Die Vorrichtung der 7 ist ein optischer Umschalter, der zum Beispiel durch Laser ausgehend von einem dünnen Plättchen aus einem amorphen Werkstoff mit Formerinnerung ausgeschnitten wird.
Sie umfasst einen Arm 58, der dazu bestimmt ist, sich zu verlagern, damit einer seiner beiden Endabschnitte ein von einer optischen Faser 60 abstammendes Lichtbündel unterbrechen oder im Gegenteil passieren lassen kann.
Im anderen Endabschnitt dieses Arms befindet sich ein virtueller Momentdrehpunkt 62.
Man erkennt auch einen festen Teil 64 der Vorrichtung, der C-förmig ist und über ein Element 66, das eine Feder bildet, mit einer Seite des Endabsschnitts des Arms 58, wo sich der virtuelle Momentendrehpunkt befindet, und über ein anderes Element 68, das dazu bestimmt ist, gemäss der Erfindung durch Laser ausgeglüht zu werden, mit der anderen Seite dieses Endabschnitts verbunden ist.
Man erkennt auch zwei merklich geradlinige Führungselemente 70, die auch den festen Teil 64 mit diesem Endabschnitt des Arms, wo sich der virtuelle Momentendrehpunkt befindet, derart verbinden, dass sich die virtuellen Verlängerungen dieser beiden Elemente 70 in diesem virtuellen Momentendrehpunkt schneiden.
Es soll präzisiert werden, dass sich das eine Feder bildende Element 66 und das Element 68, welches dazu bestimmt ist, durch Laser ausgeglüht zu werden, beiderseits einer Linie L befinden, die durch den virtuellen Momentendrehpunkt führt und merklich senkrecht zum Arm 58 ist.
Nehmen wir an, dass sich das Element 68 im Laufe seines Ausglühens verlängert hat.
Die Austenit-Form dieses Elements 68 ist dann eine längliche Form.
Bei Umgebungstemperatur, bei der das Element 68 in seinem martensitischen Zustand ist, tendiert die Feder 66 dazu, das Element 68 zu komprimieren. Der Arm 58 nimmt (ungefähr) wieder seine anfängliche Position an.
Beim Erwärmen des Elements 68 geht dieses Element 68 in die Austenit-Phase über, verlängert sich und lässt den Arm 58 im Gegenuhrzeigersinn (im Beispiel der 7 nach oben) drehen.
Die Form der Elemente 66 und 68 kann gemäss den gewünschten Merkmalen angepasst werden.
Es soll präzisiert werden, dass die beiden Elemente 70 fakultative Führungsmittel sind.
Die Vorrichtung der 8 wird ausgehend von einem dünnen Plättchen aus einem amorphen Werkstoff mit Formerinnerung gebildet.
Es handelt sich um einen Schalter, der einen festen Teil 72 umfasst, der merklich die Form eines rechteckigen Rahmens hat, wovon zwei Seiten 74 nicht durch Laser ausgeglüht werden, während die beiden anderen Seiten 76 gemäss der Erfindung durch Laser ausgeglüht werden.
Ferner umfasst diese Vorrichtung einen beweglichen Teil 78, der sich zwischen den beiden Seiten 76 befindet, und dieser bewegliche Teil ist über ein Element 80, das ebenfalls gemäss der Erfindung durch Laser ausgeglüht wird, bzw. über ein anderes, nicht ausgeglühtes Element 82, das eine Spannfeder bildet, mit den beiden nicht ausgeglühten Seiten 74 verbunden.
Der bewegliche Teil ist dazu bestimmt, sich merklich parallel zu den beiden ausgeglühten Seiten 76 translatorisch zu verlagern.
Beim Ausglühen des Elements 80 dehnt sich dieses letztere sehr gering aus.
Beim Ausglühen der beiden Seiten 76 (durch ein Laserstrahlenbündel, um diese Seiten unter den gleichen Bedingungen auszuglühen) dehnen sich diese beiden Seiten mehr als das Element 80 aus und unterwerfen die Vorrichtung einer Zugspannung.
Wenn man dieses Element 80 erwärmt (natürlich ohne dieses letztere erneut auszuglühen), zieht es sich zusammen und zieht den beweglichen Teil 78.
Wenn die Vorrichtung wieder die Umgebungstemperatur annimmt, zieht das eine Feder bildende Element 82 den beweglichen Teil 78.
Die Vorrichtung, welche auf 9A in Draufsicht dargestellt ist, wird ausgehend von einem dünnen Plättchen aus einem amorphen Werkstoff mit Formerinnerung ausgeschnitten.
Diese Vorrichtung umfasst einen Arm 84, wovon ein Endabschnitt durch zwei Stäbe 86 verlängert ist, die an zwei Klötzchen 88 befestigt sind.
Ein Stab 90 befindet sich zwischen diesen beiden Stäben 86, und einer seiner Endabschnitte ist ebenfalls an diesem Endabschnitt des Arms 84 befestigt.
Der andere Endabschnitt des Stabes 90 ist an einem Klötzchen 92 befestigt. Die so erhaltene Vorrichtung ist über die Klötzchen 88 und 92 auf einem ebenen Träger (nicht dargestellt) befestigt.
Der mittlere Stab 90 wird dann gemäss der Erfindung durch Laser ausgeglüht.
Die Verformung, die gemäss den Parametern des Laserimpulses eine Zusammenziehung oder eine Ausdehnung sein kann, wie man dies weiter oben gesehen hat, und die beim Ausglühen induziert wird, ruft eine Verlagerung des Arms 84 aus der Ebene des Trägers hinaus hervor, wie dies 9B zeigt, die eine schematische Profilansicht der Vorrichtung nach dem Laserausglühen ist.
Man erkennt auf dieser 9B, dass die Vorrichtung auf ihrem Träger 94 derart befestigt ist, dass sich der Arm 84 ausserhalb dieses Trägers befindet.
Im Beispiel der 9B hat man angenommen, dass sich der durch Laser ausgeglühte Arm verlängert hat.
Die nicht ausgeglühten Stäbe 86 bilden Spannfedern, die während dem Ausglühen einer Spannung unterworfen worden sind.
Wenn man die Gesamtheit der Vorrichtung oder nur den ausgeglühten Stab erwärmt (zum Beispiel durch ein Pettier-Element oder durch Joulesche Wärme oder noch durch ein Laserstrahlenbündel mit sehr geringer Leistung), um die martensitische Umformung des ausgeglühten Stabes 90 zu erhalten, verformt sich dieser letztere, was die Gesamtheit des Arms 84 bewegen lässt.
Die Vorrichtung der 9A und 9B kann als optischer Umschalter oder allgemeiner als Schalter verwendet werden.
Indem man zwei oder drei Vorrichtungen dieser Art kombiniert, kann man sogar einen Greifer bilden, wobei die zwei oder drei beweglichen Arme dieses letzteren dann dazu dienen, einen Gegenstand zu fassen.
Die vorliegende Erfindung hat weitere Anwendungen:
Der gemäss der Erfindung behandelte Gegenstand kann eine monolithische Struktur sein, die besondere Zonen, zum Beispiel Gelenke, umfasst, und man bestrahlt dann durch das Laserstrahlenbündel die besonderen Zonen, um diese Zonen superelastisch werden zu lassen.
In einem anderen Beispiel ist der Gegenstand ein Einblocksystem, das man durch Bestrahlung mittels eines Laserstrahlenbündels von verschiedenen Zonen dieses Systems multifunktional werden lässt, indem man auf diese Zonen mittels des Lasers verschiedene Energien überträgt, wobei die Zonen beispielsweise dazu bestimmt sind, verschiedene Schalter zu bilden, die bei verschiedenen Temperaturen arbeiten.
Noch in einem weiteren Beispiel ist der Gegenstand eine monolithische Struktur, die Zonen umfasst, die man durch das Laserstrahlenbündel bei verschiedenen Energien bestrahlt, damit in gewissen dieser Zonen ein Formerinnerungseffekt erhalten wird, um beispielsweise ausgehend von diesen letzteren Schalter zu bilden, und damit die anderen Zonen superelastisch werden, um beispielsweise mit diesen anderen Zonen Führungsgelenke zu bilden.
Dies wird schematisch durch 10 illustriert.
Das auf dieser 10 dargestellte Einblocksystem aus einem Werkstoff mit Formerinnerung umfasst eine Translationsvorrichtung 96, die man mit der Vorrichtung der 5 vergleichen kann und die eine bewegliche Platte 98 umfasst, die über zwei Federn 102 mit zwei Befestigungsklötzchen 100 verbunden ist.
Die Klötzchen sind dazu bestimmt, auf einem Träger (nicht dargestellt) befestigt zu werden.
Das System umfasst ferner eine weitere Vorrichtung 104, die dazu bestimmt ist, über ihre beiden Endabschnitte 106 auf dem Träger befestigt zu werden.
Diese weitere Vorrichtung 104 umfasst einen beweglichen Stabilisierstab 108 und Elemente 110, die dazu bestimmt sind, Gelenke zu bilden.
Wie man dies auf 10 erkennt, ist der Stab 108 über gewisse der Elemente 110 mit den festen Endabschnitten 106 und über die anderen Elemente 110 mit der beweglichen Platte 98 verbunden.
Man glüht durch ein Laserstrahlenbündel gemäss der Erfindung die Elemente 110 aus, damit sie superelastische flexible Elemente bilden.
Man glüht auch durch ein Laserstrahlenbündel gemäss der Erfindung eine der beiden Federn 102, zum Beispiel diejenige, die links liegt, aus, damit sie einen Formerinnerungseffekt aufweist.
Die andere Feder, die nicht durch das Laserstrahlenbündel ausgeglüht wird, bildet eine Spannfeder.
Allein zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkung soll erwähnt sein, dass Werkstoffe mit Formerinnerung, die in der Erfindung verwendbar sind, die folgenden sind:
AgCd, AuCd, CuZn, CuZnX (wobei X=Si, Sn, Al oder Ga ist), CuAlNi, CuSn, CuAuZn, NiAl, TiNi, TiNiX (wobei X=HF, Cu, Nb, Pd, Co ist), TiPdNi, InTl, InCd und MnCd.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Gegenstände aus Werkstoffen mit "magnetischer" Formerinnerung. Es sind Werkstoffe, deren martensitische Umwandlung durch ein Magnetfeld induziert werden kann. Dies trifft zum Beispiel für die Ni₂MnGa-Legierungen zu. In Bezug auf solche Werkstoffe soll beispielsweise in folgendes Dokument Einsicht genommen werden:
R.D. James, M. Wuttig, "Magnetostriction of Martensite", Philosophical Magazine A, 1998, Vol. 77, Nr. 5, Seiten 1273 bis 1299.
Die Erfindung kann für irgendwelchen Typ der Formgebung von Werkstoffen verwendet werden. Somit betrifft sie insbesondere Drähte, Plättchen, Röhren, Federn, Rechteckstangen aus Legierungen mit Formerinnerung.
Die 11 bis 25 illustrieren schematisch verschiedene besondere Anwendungen der Erfindung.
11 ist eine schematische, teilweise und geschnittene Draufsicht eines Armbands, zum Beispiel eines Ohrenarmbands, das in Serie angeordnete Glieder, wie die Glieder 112, 113 und 114, umfasst. Dieses Ohrenarmband umfasst ferner Befestigungen ("Klips"), wie die Befestigungen 115 und 116, wobei jede Befestigung dazu bestimmt ist, zwei benachbarte Glieder miteinander zu verbinden. Zum Beispiel ist die Befestigung 115 dazu bestimmt, die Glieder 112 und 113 miteinander zu verbinden, und die Befestigung 116 ist dazu bestimmt, die Glieder 113 und 114 miteinander zu verbinden. Jede Befestigung, die sich in einem der Glieder befindet, besteht aus einem Werkstoff mit Formerinnerung und umfasst im dargestellten Beispiel einen kreisförmigen peripheren Teil 117a, der mit zwei diametral entgegengesetzten Zapfen 117b ausgerüstet ist, die dazu bestimmt sind, die beiden entsprechenden Glieder miteinander zu verbinden, und eine gewellte mittlere Zone 117c, die sich merklich gemäss dem den Zapfen entsprechenden Durchmesser erstreckt. Der periphere Teil 117a ist mit zwei diametral entgegengesetzten Verlängerungen 117d versehen, die senkrecht zu den Zapfen 117b angeordnet sind. Wie man dies auf 11 erkennt, sind diese Verlängerungen mit länglichen Löchern versehen, welche von zwei Stiften 117e durchquert werden, die ermöglichen, die betrachtete Befestigung mit einem der beiden entsprechenden Glieder zu verbinden und auch die Führung der Befestigung sicherzustellen. Jede mittlere Zone wird gemäss der Erfindung ausgeglüht.
Die Konzeption dieses Armbands ermöglicht, ein oder mehrere Glieder auf einfache Weise zu entfernen oder hinzuzufügen. Um ein Glied zu entfernen, genügt es, zwei benachbarte Befestigungen herauszunehmen, was ermöglicht, das entsprechende Glied zu entfernen; mittels einer der beiden Befestigungen stellt man dann die Kontinuität des Armbands wieder her. Um ein Glied hinzuzufügen, nimmt man eine Befestigung, die einem bereits vorhandenen Glied zugeordnet ist, heraus, man fügt das zusätzliche Glied hinzu, man ordnet die Befestigung wieder an, um das zusätzliche Glied mit dem bereits vorhandenen Glied zu verbinden, und man stellt mittels einer zusätzlichen Befestigung die Kontinuität des Armbands wieder her.
Um eine Befestigung hinzuzufügen oder herauszunehmen, erwärmt man sie, oder man erwärmt lokal das entsprechende Glied. Die ausgeglühte Zone 117c der Befestigung dient dann als Betätigungsorgan, um die von der nicht ausgeglühten Zone gebildete elastische Struktur, d.h. den Rest 117a, 117b, 117d der Befestigung, zu verformen. Durch Verformung kann diese elastische Struktur in ein Glied eingefügt werden (siehe Befestigung 116 der 11) oder aus diesem letzteren herausgenommen werden.
12 ist ein lokal ausgeglühtes Halterungsbeispiel aus einem Werkstoff mit Formerinnerung, das durch Biegen eines Blechs mit gleichmässiger Dicke erhalten wird. Das lokale Ausglühen durch ein Verfahren gemäss der Erfindung kann verwendet werden, um nur den die Feder bildenden Teil aktiv oder superelastisch werden zu lassen. Somit sind auf 12 die nicht ausgeglühten Zonen starrer als die ausgeglühte Zone, was ermöglicht, ein gutes Klemmen sicherzustellen. Diese Halterung kann zum Beispiel verwendet werden, um einen Stapel von kleinen Elementen 123, wie zum Beispiel piezoresistiven Keramiken, zu fixieren.
Auf dieser 12 wird der Stapel mit dem Bezugszeichen 124 bezeichnet, die Halterung wird mit dem Bezugszeichen 126 bezeichnet, die nicht ausgeglühten Zonen dieser Halterung werden mit dem Bezugszeichen 127 bezeichnet, und die ausgeglühte Zone wird mit dem Bezugszeichen 128 bezeichnet. Die Immobilisierung des Stapels durch die Halterung wird thermisch induziert.
Ferner können im Fall eines Werkstoffs mit Formerinnerung auch die Superelastizitätseigenschaften genutzt werden, um eine Kraft zu haben, die sozusagen unabhängig von den Toleranzen der Stapelelemente ist.
13 stellt eine Rastfeder dar, die häufig in der Uhrmacherei verwendet wird. Die Elastizität ist durch die Zone gegeben, die durch ein Verfahren gemäss der Erfindung lokal ausgeglüht wird. Dank den Superelastizitätseigenschaften (Sättigungseffekt der Kraft) kann man eine Rastfeder mit einer Halterungskraft haben, die wenig von den Toleranzen des festzuhaltenden Gegenstands abhängt.
Auf dieser 13 stellt das Bezugszeichen 130 ein Stück, wie zum Beispiel eine Ohrenkrone, dar, welches sich gemäss dem Pfeil 132 translatorisch verlagern kann, die Rastfeder aus einem Werkstoff mit Formerinnerung ist mit dem Bezugszeichen 134 bezeichnet, die ausgeglühte Zone dieser Feder (mittlere Zone) ist mit dem Bezugszeichen 136 bezeichnet, die nicht ausgeglühten Zonen dieser Feder (Endabschnittzonen) sind mit dem Bezugszeichen 138 bezeichnet. Im Fall der 13 wird die Superelastizität der Zone 136 thermisch induziert. Auf 13 soll auch der Träger 139 beachtet werden, an welchem eine der beiden Zonen 138 befestigt ist, wobei die andere Zone 138 dazu bestimmt ist, sich auf der Krone 130 abzustützen.
14 zeigt die Kurve der Variationen der Kraft F, die durch die Feder 134 in Abhängigkeit von der Verlagerung δ dieser Feder auf die Krone 130 ausgeübt wird. Diese Kurve drückt das mechanische Verhalten der ausgeglühten Zone 136 aus. Man erkennt, dass F über einen breiten Bereich Δ von Verlagerungen δ wenig variiert.
15 stellt einen Draht 140 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung dar, bei dem nur ein Endabschnittteil 142 durch ein Verfahren gemäss der Erfindung ausgeglüht wird. Dieser Draht kann als Führungsdraht in der mini-invasiven Chirurgie verwendet werden, um einen Katheter zu führen. Einzig der Endabschnitt ist superelastisch, was ermöglicht, den Kurven der Arterien und Venen des menschlichen Körpers zu folgen, ohne die Gewebe zu beschädigen. Was den starren Teil 144 betrifft, so ermöglicht er, eine gute Torsionssteifigkeit sicherzustellen, womit dann der "Peitschenschlag"-Effekt vermieden wird.
Die Superelastizität des Teils 142 wird mechanisch induziert.
Anfänglich befindet sich der Draht 140 in einem Katheter 146. Man stösst dann den Endabschnitt 142 aus diesem Katheter hinaus (auf 15 nach rechts), und dieser Endabschnitt krümmt sich wegen seiner Superelastizität.
16 stellt ein Biopsiezangenbeispiel 148 dar, das in der mini-invasiven Chirugie verwendet werden kann, um dem menschlichen Körper Gewebeproben zu entnehmen. Diese Zange aus einem Werkstoff mit Formerinnerung bildet ein Lasso, bei dem einzig die Schlaufe 150 durch ein Verfahren gemäss der Erfindung ausgeglüht wird. Diese Schlaufe 150 kann zum Beispiel durch eine Schweissung 152 geschlossen werden. Der starrere, nicht ausgeglühte Teil 154 ermöglicht, eine gute Torsions- und Biegesteifigkeit zu haben.
Die Superelastizität der Schlaufe 150 wird mechanisch induziert: anfänglich befindet sich die Zange in einem Katheter 156. Man stösst dann den der Schlaufe entsprechenden Endabschnitt aus diesem Katheter hinaus (auf 16 nach rechts), und dieser Endabschnitt nimmt wegen seiner Superelastizität diese Schlaufenform an.
17 stellt ein Endokalibrierer- oder Stentbeispiel 158 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung dar. Das lokale Ausglühen durch ein Verfahren gemäss der Erfindung ermöglicht im Fall der Endokalibrierer oder Stents, unabhängig vom Maschenwerktyp mehr oder weniger starre Zonen zu bilden. Somit weisen die nicht ausgeglühten Zonen am Ausgang des Katheters nicht die gleiche Ausdehnung wie die ausgeglühten Zonen auf. Ein kegelförmiger Stent kann zum Beispiel ausgeführt werden, indem ein progressives Ausglühen auf dem Maschenwerk des Stents ausgeführt wird. Auf 17 ist der Endabschnitt 160 des Stents nicht ausgeglüht.
Der Rest des Stents wird progressiv ausgeglüht, d.h. dass man bis zum anderen Endabschnitt 162 die Ausglühtemperatur variieren lässt, um eine variable Anfangsspannung der superelastischen Umwandlung zu erhalten. Im Fall der 17 wird die Superelastizität mechanisch induziert: anfänglich befindet sich der Stent 158 in einem Katheter (nicht dargestellt). Man stösst dann den Stent aus dem Katheter hinaus, und dieser Stent nimmt seine Kegelform an, wie man dies auf 17 erkennt.
Die 18 bis 21 zeigen weitere Beispiele von Stents aus einem Werkstoff mit Formerinnerung, die dem gleichen Prinzip wie derjenige der 17 gehorchen. Im Fall der 18 handelt es sich um einen Stent 164, der eine längliche Form mit zwei Durchmessern annehmen kann. Weitere Hüllegeometrien sind für ein Stent möglich: im Fall der 19 nimmt der Stent 166 eine Form mit zwei Endabschnitten an, deren Durchmesser grösser als derjenige des Rests des Stents ist. Im Fall der 20 nimmt der Stent 168 eine konisch erweiterte Form an. Im Fall der 21 nimmt der Stent 170 eine in seiner Mitte ausgebauchte Form an.
22 ist eine schematische Ansicht eines Dämpfersystems aus einem Werkstoff mit Formerinnerung und umfasst zwei Teile 172 und 174, die durch zwei Elemente 176 und 178, die gewellt und merklich parallel zueinander sind, miteinander verbunden sind. Das Element 176 ist nicht ausgeglüht, während das Element 178 durch ein Verfahren gemäss der Erfindung ausgeglüht wird. Man weiss, dass die Legierungen mit Formerinnerung die Eigenschaft aufweisen, im martensitischen Zustand einen sehr hohen Dämpfungsgrad zu haben (was auf die inneren Reibungen im Material zurückzuführen ist). Mit dem lokalen Ausglühen kann man eine Feder mit integriertem Dämpfer ausführen. Somit verhält sich das nicht ausgeglühte Element 176 wie eine normale Feder, während das ausgeglühte Element 178 fähig ist, die Dämpfungsfunktion zu übernehmen.
23 ist eine schematische Ansicht eines auseinandergebreiteten monolithischen Armbands 180 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung. Einzig die Endabschnitte 182 und 184 des Armbands sind nicht ausgeglüht, da sie am Gehäuse der Uhr (nicht dargestellt) befestigt werden müssen. Der mittlere Teil 186 des Armbands, und zwar der Teil, welcher zwischen den Teilen 182 und 184 liegt, wird also durch ein Verfahren gemäss der Erfindung ausgeglüht, und sein Ausglühen kann gemäss der gewünschten Steifigkeit progressiv sein. Verschiedene dekorative Elemente (nicht dargestellt), zum Beispiel Keramikplatten, können der so erhaltenen Struktur beigefügt werden. Ein solches Armband kann nach Mass hergestellt werden.
24 ist eine schematische und teilweise Ansicht eines Stents 188 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung. Ausser einer begrenzten Anzahl N von Maschen mit 1 ≤ N ≤ 10 (auf 24 die mit dem Bezugszeichen 190 bezeichnete Zone) wird die Gesamtheit des Maschenwerks des Stents durch ein Verfahren gemäss der Erfindung ausgeglüht.
25 illustriert schematisch eine Anwendung des Stents der 24. Dieser Stent 188 wird in einer Arterie 192 angeordnet. Man erkennt eine weitere Arterie 194, die mit der Arterie 192 in Verbindung steht aber durch das Maschenwerk des Stents 188 blockiert ist. Um diesen Nachteil zu beheben, werden die nicht ausgeglühten Maschen mit Hilfe eines chirurgischen Ballons 196, der durch die Arterie 194 hindurch mit diesen Maschen in Kontakt gebracht wird und von der gleichen Art ist wie diejenigen, die für das Ausbreiten von Stents aus Stahl verwendet werden, plastisch verformt. Diese so verformten Maschen ermöglichen die Wiederherstellung der Blutzirkulation in der Arterie 194.
Dank eines Führungsdrahtes, der zuvor in die Arterie 192 eingeführt worden ist und in die Arterie 194 abzweigt, kann der Ballon auch über die Arterie 192 eingeführt werden, wobei er durch den Stent selbst führt und dann in Höhe der Arterie 194 abzweigt.

Claims

Verfahren zum Behandeln eines Gegenstandes (2, 20) aus einem Werkstoff, der geeignet ist, einen Formerinnerungseffekt zu zeigen und sich vor der Behandlung im amorphen oder federharten Zustand befindet, wobei der Gegenstand in diesem Stadium keinen Erinnerungseffekt besitzt, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teil dieses Gegenstandes in einer oder mehreren vordefinierten Zonen (A; 36; 52; 68; 76, 80; 90) mit einem Laserstrahlenbündel (4) bestrahlt wird, das diese Zone auf eine Temperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs liegt, ausreichend erwärmen kann, um in dieser Zone eine Änderung der Mikrostruktur, die aus einer Kristallisation, einer Rekristallisation, einer sekundären Kristallisation, einer kontrollierten Bildung von Niederschlägen und einer Zerstrahlung von Kristallfehlern gewählt ist, hervorzurufen, wobei diese Zone auf eine Temperatur und während einer Zeitspanne erwärmt wird, die geeignet sind, dass kein Übergang in den amorphen Zustand des Werkstoffs hervorgerufen wird, und derart, dass in der erwärmten Zone ein Formerinnerungseffekt erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ausserdem die Bestrahlung der Zone (68, 76, 90) genutzt wird, um eine dauerhafte Verformung dieser Zone hervorzurufen, was ermöglicht, den Gegenstand einer Spannung zu unterwerfen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor und während oder nach der Bestrahlung der Zone (36, 52) der Gegenstand durch Verformung des Gegenstandes einer Spannung unterworfen wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der nicht bestrahlte Abschnitt (30) des Gegenstandes (20) einteilig ausgebildet ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der nicht bestrahlte Abschnitt des Gegenstandes (20) wenigstens zwei Zonen (24, 26) aufweist, die durch die bestrahlte Zone (22) getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gegenstand ein dünnes Element (20) ist und Zonen (32) dieses Elements, die auf dem Element verteilt sind, mittels des Laserstrahlenbündels bestrahlt werden, um das Element zu versteifen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem man die von dem Laser auf den Werkstoff übertragene Energie in Abhängigkeit von der Position des Laserstrahlenbündels auf dem Gegenstand variieren lässt.