WO2016173588A1 - Biegeaktuator mit formgedächtniselement - Google Patents

Biegeaktuator mit formgedächtniselement Download PDF

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WO2016173588A1
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shape memory
base layer
memory element
intermediate layer
bending actuator
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PCT/DE2016/100196
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Moritz Hübler
Lisa Fritz
Sebastian Nissle
Martin Gurka
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Institut Für Verbundwerkstoffe Gmbh
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Definitions

  • This invention relates to a bending actuator comprising a plastic base layer and a shape memory alloy shape memory element active in one
  • Shape memory effect can be shortened, wherein the shape memory element is arranged outside the base layer and mechanically connected to the base layer, so that due to train by contraction of the shape memory element, a bend in the bending actuator occurs.
  • the shape memory elements have, for the purpose of a zugübertragenden attachment at its two ends in each case a common anchor wire which is connected to all shape memory elements at one of its ends.
  • the anchor wires are laminated on the base layer into a layer of short fibers extending in an area around the anchor wires (see Fig. 3 of the article).
  • another layer of fiberglass ply is applied over the layer of short fibers, extending above the layer of
  • Anchor wires and the base layer are produced at both ends.
  • About the Shape memory elements are placed on the outside of the bending actuator for protection a further glass fiber layer, which, however, is substantially thinner than the base layer. Warming of the shape memory alloy causes it to contract, causing the bending actuator to bend sharply, as shown in Figure 6 of the article.
  • the flexible element is disposed between the shape memory element and the fiber composite element and may comprise as the material a thermosetting polymer such as epoxy resin, polyimide or foam.
  • the invention relates to a bending actuator, wherein between the base layer and the shape memory element, an intermediate layer is arranged, which has a
  • Shape memory effect are effective and thus relevant to the active bending of the Biegeaktuators.
  • the intermediate layer according to the invention has several advantageous effects.
  • Shape memory element on the intermediate layer is the strong strain of the
  • Shape memory element initially introduced into the softer compared to the base layer intermediate layer. Due to the lower modulus of elasticity of the intermediate layer, the intermediate layer can deform with the shape memory element, without causing stresses which quickly have a destructive effect on the bending actuator. Due to the deformation of the intermediate layer, the expansions of the shape memory element on one for the base layer and the connection between the base layer and the
  • the intermediate layer increases the distance of the shape memory element from the neutral fiber of the bending actuator. This has the consequence that the elongation of the shape memory element has a lower bending effect on the bending actuator. Therefore, the intermediate layer advantageously causes less bending and less
  • the intermediate layer is preferably arranged between the entire shape memory element and the base layer.
  • the shape memory element can be coated with the intermediate layer before assembly with the base layer. This is easy to do and has the advantage that only relevant areas are covered with the intermediate layer. It is also conceivable to cover the entire base layer on its side directed toward the shape memory element with the intermediate layer. In this way, for example, a precoated starting material can be used.
  • Bend actuator operates in one or more environments with different temperatures and deformed due to this. Upon cooling, the bending actuator returns at least approximately to its original shape.
  • the modulus of elasticity of the bending actuator In one embodiment of the bending actuator, the modulus of elasticity of the
  • Intermediate layer amount to one tenth or less than the elastic modulus of the base layer. This may be the case, for example, if the base layer is off
  • Plastic is made, in particular, the fiber content of the base layer and the intermediate layer can be suitably adapted.
  • the said ratio of the moduli of elasticity can also arise if the base layer consists of a
  • short fiber reinforced plastic is made and the intermediate layer is not made fiber reinforced plastic is made.
  • Another possibility is to make the base layer of a non-fiber reinforced plastic and the intermediate layer of an elastomer.
  • the elastic modulus of the intermediate layer is one-hundredth of the elastic modulus of the base layer or less.
  • Such a difference in elastic moduli can be achieved, for example, with material combinations for the base layer and the intermediate layer in which the base layer is made of long fiber reinforced plastic and the intermediate layer of non-fiber reinforced plastic or the base layer is made of short fiber reinforced plastic and the intermediate layer of elastomer.
  • glass fibers For example, glass fibers, carbon fibers or natural fibers are used.
  • thermoplastic and thermosetting plastics come into question.
  • the choice of materials depends not only on the modulus of elasticity but also on the thickness of the intermediate layer, since a thick intermediate layer can better balance shear stresses between the shape memory elements and the base layer than a thin layer and thus less layer thickness is required for a softer intermediate layer.
  • the shape memory element is preferably a metal shape memory element, in particular of a nickel-titanium alloy. However, it is also conceivable to use other shape memory materials, including materials in the future be developed.
  • the insertion of the intermediate layer shifts a neutral fiber with respect to the bend through the shape memory element by less than 20% of the thickness of the intermediate layer. If this is the case, a particularly good reduction of the bending effect of the shape memory element results. This becomes clear in comparison with a theoretical consideration in which an intermediate layer of the same material as the base layer is inserted as an intermediate layer for the sake of comparison. Then, as in the case of a soft intermediate layer, the neutral fiber shifts towards the intermediate layer, but to such an extent that, after being inserted, the neutral fiber follows the likewise displaced shape memory element due to its considerable displacement. This will win
  • Shape memory element less distance to the neutral fiber than when using a soft intermediate layer, whereby the bending of the shape memory element is reduced to a lesser extent than in a soft intermediate layer. Therefore, to achieve a comparable gap effect, much more rigid material than soft material would have to be added, which would strongly stiffen the bending actuator. In order to achieve a smaller shift of the neutral fiber, an appropriate choice of material for the intermediate layer can be made. In addition, the thickness of the intermediate layer has an effect on the amount of displacement of the neutral fiber, which is larger the larger the elastic modulus of the intermediate layer.
  • the neutral fiber shifts by 10% of the thickness of the intermediate layer or less.
  • the thickness of the intermediate layer is at least 50% of the thickness of the base layer.
  • the intermediate layer when an elastomer is used as the intermediate layer, its modulus of elasticity may be between 3 and 20 MPa, preferably about 8 MPa.
  • the bending actuator is strip-shaped.
  • the intermediate layer is arranged on which extend one or more shape memory elements to both ends in the longitudinal direction. Due to the length and the relatively small thickness of the strip results in a good bending ability, which not only marginal rashes can be achieved.
  • the shape memory elements are formed as one or more wires which run parallel on or in the edge region of the intermediate layer.
  • the formation as wires allows rapid heating and cooling to effect and undo the shape memory effect.
  • the longitudinal grid bars are in
  • Shape memory effect formed as shape memory wires. They preferably have uniform distances from each other.
  • the transverse grid bars oriented at an angle, preferably at an angle of 90 °, are preferably made of a material that does not exhibit a shape memory effect. In this way, the deformation is effected by only one bending axis, which is preferably transverse to a longitudinal direction of the
  • the transverse grid bars may be embedded in plastic, directly or indirectly, namely in particular via the intermediate layer, with the
  • this plastic is fiber reinforced in order to better withstand the surface pressure by the anchor element can.
  • Short fibers are particularly preferably used for reinforcement, since they can easily be adapted to the shape of the anchor element.
  • the transverse grid bars are preferably evenly spaced and may be omitted in a middle region in the shape memory effective direction of the shape memory element. This is advantageous if, as in many cases, there are small changes in the bending radius in the middle of the bending actuator, which results in lower requirements for the attachment of the shape memory element to the bending actuator. This saves on manufacturing and material costs
  • an anchor element at a location where the bending stiffness of the bending actuator changes in the direction of the curvature caused by the shape memory element. This can, for example, at a point of a thickness and / or width change or a
  • Deformation of the bending actuator is caused. This in turn means that at these points increased shear forces between the shape memory element and the base layer must be transmitted. This can be supported at such locations by one or more anchor elements.
  • the shape memory element is also conceivable to design the shape memory element as one or more thin strips, a foil or a thin plate.
  • Shape memory elements connected by means of an anchor element with the base layer, so that the shape memory element via the anchor element tensile forces in
  • Shape memory effect can be transferred to the base layer.
  • tensile forces are transmitted by positive engagement between the anchor element and the base layer.
  • adhesion can be used.
  • the anchor element is an anchor wire, which is embedded in a plastic, which is materially connected and possibly also positively connected to the base layer.
  • the anchor element is firmly connected to the shape memory element, for example, form-fitting or by material bond, such as by welding.
  • the anchor element and the shape memory element may be connected together by prefabrication prior to insertion into the bending actuator.
  • the anchor element is substantially transverse to the shape memory effective direction. In this way, a good anchor effect is possible.
  • Shape memory element can act as anchoring elements. Through the anchor element can flow current, which serves to heat the shape memory element.
  • Figure 1 a schematic plan view of a Biegeaktuator with a
  • Figure 2 is a schematic view of an undeformed Biegeaktuators with a enlarged section on an intermediate layer between a base layer and a shape memory element
  • FIG. 3 shows a schematic view of a deformed bending actuator
  • Figure 4a shows a schematic cross section through a bending actuator without
  • FIG. 4b shows a schematic cross section through an inventive device
  • FIG. 1 shows schematically a plan view of a bending actuator 1.
  • the bending actuator 1 comprises a base layer 2, to which an intermediate layer 6 is applied.
  • Young's modulus of the intermediate layer 6 is less than the Young's modulus of the
  • a shape memory element 3 is applied, which comprises wires 3a and 3b made of shape memory alloy and an anchor wire 4.
  • the anchor wire 4 is embedded in plastic material, not shown, whereby it is positively and materially connected to the base layer 2.
  • Intermediate layer 6 may be omitted at the point at which the
  • the bending actuator 1 comprises two lead wires 5a and 5b [Hübier, M4].
  • the connecting wires 5a and 5b are preferably arranged at least approximately transversely to the shape memory effective direction and act in this way also as anchor wires. They can be embedded in the same way as conventional anchor wires.
  • an electric current can be introduced into the bending actuator 1 via the connecting wires and can be discharged therefrom.
  • a lead wire 5a, 5b extends beyond the boundaries of the base layer, whereby it can be contacted well. The electric current flows from the lead wire 5a to one or more, in this embodiment, three, the shape memory alloy wires 3a.
  • Anchor wire 4 the electric current flows to one or more further, in this embodiment also three, wires 3b shape memory alloy. These three wires 3b are connected to the lead wire 5b. By small arrows is the
  • Figure 2 illustrates the structure of the bending actuator 1 with reference to a schematic side view, which additionally comprises an enlarged section of the bending actuator 1.
  • the greatly enlarged intermediate layer 6 is applied touching.
  • the intermediate layer 6 is represented by a plurality of small support symbols, which are intended to illustrate that the intermediate layer 6 creates a spacing between the base layer 2 and the shape memory element 3.
  • forces can be transmitted from the shape memory element 3 into the base layer 2 via the intermediate layer 6.
  • Figure 4a shows schematically a cross section through a bending actuator 1 without an intermediate layer and thus the prior art.
  • the bending actuator 1 has a neutral fiber 7, which in a bending of the bending actuator in
  • Shape memory effect no change in length undergoes.
  • a prerequisite for successful bending is that the shape memory element 3 is arranged at a distance from the neutral fiber 7.
  • a shortening of the shape memory element 3 thus causes a bending of the bending actuator 1. Due to the relatively small distance of
  • Shape memory element 3 of the neutral fiber 7 takes a strong bend of the bending actuator 1 instead.
  • Shape memory element 3 is heavily loaded due to the strong strain of the shape memory element 3, which may be up to 5%, for example. this is the
  • Figure 4b shows schematically a cross section through a bending actuator 1 with an intermediate layer 6 and thus the invention.
  • the intermediate layer 6 causes by their cross-section in conjunction with their modulus of elasticity
  • the intermediate layer 6 has a lower modulus of elasticity than the base layer 2, so that the displacement of the neutral fiber 7 is preferably slight.
  • the shape memory element 3 is significantly further away from the neutral fiber 7 than in the prior art shown in FIG. 4a. This results in a significantly reduced bending of the bending actuator 1 with the same contraction of
  • Shape memory element 3 In addition, the strong elongation of the
  • Shape memory element 3 transferred from the soft intermediate layer 6 to the base layer 2, wherein the large difference in strain can be compensated. Due to its flexibility, the intermediate layer 6 causes a significantly longer life of the bending actuator 1, which in particular also includes the connecting surfaces 62, 63 between the intermediate layer 6 and the base layer 2 or the shape memory element 3.

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Abstract

Diese Erfindung betrifft einen Biegeaktuator (1), der eine Kunststoff-Basisschicht (2) und ein Formgedachtniselement (3) aus Formgedächtnismaterial umfasst, das aktiv in eine Formgedächtniswirkrichtung verkürzbar ist, wobei das Formgedächtniselement (3) außerhalb der Basisschicht (2) angeordnet und mit der Basisschicht (2) mechanisch verbunden ist, sodass auf Grund von Zug durch Kontraktion (K) des Formgedächtniselements (3) in eine Formgedächtniswirkrichtung eine Biegung in dem Biegeaktuator (1 ) auftritt, wobei zum Zwecke der Verbesserung der Kraftübertragung zwischen der Basisschicht (2) und dem Formgedächtniselement (3), zur Verlängerung der Lebensdauer und zur Verringerung des Ausmaßes der Biegung des Biegeaktuators (1 ) zwischen dem Formgedächtniselement (3) und der Basisschicht (2) eine Zwischenschicht (6) angeordnet ist, deren Elastizitätsmodul geringer als der Elastizitätsmodul der Basisschicht (2) ist.

Description

Titel: Biegeaktuator mit Formgedächtniselement Beschreibung
Diese Erfindung betrifft einen Biegeaktuator, der eine Kunststoff-Basisschicht und ein Formgedächtniselement aus Formgedächtnislegierung umfasst, das aktiv in eine
Formgedächtniswirkrichtung verkürzbar ist, wobei das Formgedächtniselement außerhalb der Basisschicht angeordnet und mit der Basisschicht mechanisch verbunden ist, sodass auf Grund von Zug durch Kontraktion des Formgedächtniselements eine Biegung in dem Biegeaktuator auftritt.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Elemente aus Formgedächtnislegierung in ein Kunststoffmaterial einzubetten. Auf diese Weise kann ein Aktuator hergestellt werden, welcher die Spannungen und Dehnungen der Formgedächtnislegierung nutzt, um eine Verformung eines ganzen Aktuators zu bewirken. Insbesondere kann eine Biegung durch eine Kontraktion einer Formgedächtnislegierung, die außerhalb einer neutralen Faser des- Kunststoffverbundes angeordnet ist, bewirkt werden.
Beispielsweise ist in dem Artikel„Load Comforming Design and Manufacturing of Active Hybrid Fiber Reinfroced Polymer Structure with Integrated Shape Memory Alloy Wires for Actuation Purposes" von M. Hübler, S. Nissle, M. Gurka und U. Breuer in den Proceedings zur ACTUATOR 2014, 14th International Conference on New Actuators, Bremen,
Germany, 23-25 June 2014 ein Biegeaktuator veröffentlicht worden, in welchem ein faserverstärkter Kunststoff mit Drähten aus einer Formgedächtnislegierung kombiniert ist. Bei dieser Lösung sind die Formgedächtniselemente auf eine Basisschicht aus
faserverstärktem Kunststoff aufgebracht. Die Formgedächtniselemente weisen zum Zwecke einer zugübertragenden Befestigung an ihren beiden Enden jeweils einen gemeinsamen Ankerdraht auf, der mit allen Formgedächtniselementen an einem ihrer Enden verbunden ist. Die Ankerdrähte sind auf der Basisschicht in eine Schicht aus Kurzfasern einlaminiert, die sich in einem Bereich um die Ankerdrähte erstreckt (s. Fig.3 des Artikels). Zur Verstärkung des Bereichs ist über der Schicht aus Kurzfasern eine weitere Schicht mit einer Glasfaserlage aufgebracht, die sich über der Schicht aus
Kurzfasern erstreckt. Auf diese Weise kann eine feste Verbindung zwischen den
Ankerdrähten und der Basisschicht an deren beiden Enden hergestellt werden. Über die Formgedächtniselemente ist auf der Außenseite des Biegeaktuators als Schutz eine weitere Glasfaserschicht gelegt, welche jedoch wesentlich dünner als die Basisschicht ist. Eine Erwärmung der Formgedächtnislegierung bewirkt deren Zusammenziehen, wodurch der Biegeaktuator stark gebogen wird, wie in der Figur 6 des Artikels dargestellt ist.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sich eine sehr starke Biegung ergibt, die für viele Anwendungen ein zu großes Ausmaß erreicht. Außerdem führt die enorme Biegung zu schneller Zerstörung des Biegeaktuators.
Aus der Patentanmeldung US 2009/0301094 A1 ist bekannt, am internen Ende einer Flugzeugturbine verstellbare Klappen anzubringen. Diese Klappen umfassen ein Gelenk mit einem Element aus Faserverbundwerkstoff, einem flexiblen Element und einem
Element aus Formgedächtnismaterial, dessen Temperaturänderung eine Verstellung der Klappe bewirken kann. Das flexible Element ist zwischen dem Formgedächtniselement und dem Element aus Faserverbundwerkstoff angeordnet und kann als Material ein duroplastisches Polymer wie Epoxidharz, Polyimid oder Schaum umfassen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Biegeaktuator, bei dem zwischen der Basisschicht und dem Formgedächtniselement eine Zwischenschicht angeordnet ist, welche einen
Elastizitätsmodul aufweist, der geringer als der Elastizitätsmodul der Basisschicht ist. Mit den genannten Elastizitätsmoduln sind Elastizitätsmoduln gemeint, die in der
Formgedächtniswirkrichtung wirksam und somit für die aktive Biegung des Biegeaktuators relevant sind. Die erfindungsgemäße Zwischenschicht hat mehrere vorteilhafte Effekte.
Auf Grund des außerordentlichen Dehnungsvermögens des Formgedächtniselements ergeben sich zwischen der Basisschicht und dem Formgedächtniselement sehr hohe Schubspannungen, die zu schnellem Versagen der Verbindung zwischen der Basisschicht und dem Formgedächtniselement führen können. Durch die Anordnung des
Formgedächtniselements an der Zwischenschicht wird die starke Dehnung des
Formgedächtniselementes zunächst in die im Vergleich zu der Basisschicht weichere Zwischenschicht eingeleitet. Durch den geringeren Elastizitätsmodul der Zwischenschicht kann sich die Zwischenschicht mit dem Formgedächtniselement verformen, ohne dass dabei Spannungen auftreten, die für den Biegeaktuator schnell zerstörerisch wirken. Durch die Verformung der Zwischenschicht können die Dehnungen des Formgedächtniselements auf ein für die Basisschicht und die Verbindung zwischen der Basisschicht und der
Zwischenschicht erträgliches Maß reduziert werden. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer des Biegeaktuators.
Außerdem erhöht die Zwischenschicht den Abstand des Formgedächtniselements von der neutralen Faser des Biegeaktuators. Dies hat zur Folge, dass die Längendehnung des Formgedächtniselementes eine geringere Biegewirkung auf den Biegeaktuator hat. Daher bewirkt die Zwischenschicht vorteilhaft eine geringere Biegung und eine geringere
Bewegung des Endes des Biegeaktuators. Durch die Wahl der Dicke der Zwischenschicht kann ein gewünschter Ausschlag eingestellt werden.
Bevorzugt ist die Zwischenschicht zwischen dem gesamten Formgedächtniselement und der Basisschicht angeordnet. Dazu kann beispielsweise das Formgedächtniselement vor dem Zusammenbau mit der Basisschicht mit der Zwischenschicht beschichtet werden. Dies ist einfach zu bewerkstelligen und hat den Vorteil, dass nur relevante Bereiche mit der Zwischenschicht bedeckt sind. Es ist auch denkbar, die gesamte Basisschicht auf ihrer zu dem Formgedächtniselement gerichteten Seite mit der Zwischenschicht zu belegen. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein vorbeschichtetes Ausgangsmaterial verwendet werden. tHübier, Mi]
Vorzugsweise wird die Aktivierung des Formgedächtniselementes durch joulesche
Erwärmung mit elektrischem Strom bewirkt. Es ist jedoch auch denkbar, dass der
Biegeaktuator in einer oder mehreren Umgebungen mit verschiedenen Temperaturen arbeitet und sich auf Grund dessen verformt. Beim Abkühlen kehrt der Biegeaktuator zumindest näherungsweise in seine Ausgangsform zurück.
In einer Ausführungsform des Biegeaktuators kann der Elastizitätsmodul der
Zwischenschicht ein Zehntel oder weniger als der Elastizitätsmoduls der Basisschicht betragen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Basisschicht aus
langfaserverstärktem Kunststoff und die Zwischenschicht aus kurzfaserverstärktem
Kunststoff hergestellt ist, wobei insbesondere die Faseranteile der Basisschicht und der Zwischenschicht geeignet angepasst werden können. Das genannte Verhältnis der Elastizitätsmoduln kann sich auch ergeben, wenn die Basisschicht aus einem
kurzfaserverstärkten Kunststoff hergestellt ist und die Zwischenschicht aus nicht faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. Eine weitere Möglichkeit ist, die Basisschicht aus einem nicht faserverstärkten Kunststoff herzustellen und die Zwischenschicht aus einem Elastomer.
Es ist auch möglich, dass der Elastizitätsmodul der Zwischenschicht ein Hundertstel des Elastizitätsmoduls der Basisschicht oder weniger beträgt. Ein solcher Unterschied der Elastizitätsmoduln kann beispielsweise mit Materialkombinationen für die Basisschicht und die Zwischenschicht erreicht werden, in denen die Basisschicht aus langfaserverstärktem Kunststoff und die Zwischenschicht aus nicht faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist oder die Basisschicht aus kurzfaserverstärktem Kunststoff und die Zwischenschicht aus Elastomer hergestellt ist.
Grundsätzlich sind jedoch eine Basisschicht aus lang- oder kurzfaserverstärktem oder nicht faserverstärktem Kunststoff und eine Zwischenschicht aus lang- oder
kurzfaserverstärktem oder nicht faserverstärktem Kunststoff oder faserverstärktem oder nicht faserverstärktem Elastomer in beliebigen Kombinationen denkbar, in welchen ein ausreichender Unterschied der Elastizitätsmoduln besteht. Als Fasern können
beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Naturfasern eingesetzt werden.
Es ist auch denkbar, den Faseranteil von Langfasern oder Kurzfasern in denselben oder verschiedenen Matrixmaterialien so stark zu variieren, dass sich ein ausreichend großer Unterschied der Elastizitätsmoduln ergibt.
Als Kunststoffmaterial für eine Basisschicht und/oder eine Zwischenschicht kommen beispielsweise thermoplastische und duroplastische Kunststoffe in Frage.
Die Auswahl der Materialien hängt neben dem Elastizitätsmodul auch von der Dicke der Zwischenschicht ab, da eine dicke Zwischenschicht Schubspannungen zwischen dem Formgedächtniselementen und der Basisschicht besser ausgleichen kann als eine dünne und somit bei einer weicheren Zwischenschicht weniger Schichtdicke erforderlich ist.
Das Formgedächtniselement ist vorzugsweise ein metallisches Formgedächtniselement, insbesondere aus einer Nickel-Titan-Legierung. Es ist jedoch auch denkbar, andere Formgedächtnismaterialien einzusetzen, einschließlich Materialien, die in der Zukunft entwickelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Biegeaktuators verschiebt das Einfügen der Zwischenschicht eine neutrale Faser bzgl. der Biegung durch das Formgedächtniselement um weniger als 20% der Dicke der Zwischenschicht. Wenn dies der Fall ist, ergibt sich eine besonders gute Verringerung der Biegewirkung des Formgedächtniselements. Dies wird im Vergleich zu einer theoretischen Überlegung klar, in der vergleichshalber eine Zwischenschicht aus demselben Material wie die Basisschicht als Zwischenschicht eingefügt wird. Dann verschiebt sich die neutrale Faser, wie auch bei einer weichen Zwischenschicht, in Richtung der Zwischenschicht, jedoch in einem solchen Ausmaß, dass die neutrale Faser nach der Einfügung durch ihre erhebliche Verschiebung dem ebenfalls verschobenen Formgedächtniselement nachfolgt. Dadurch gewinnt das
Formgedächtniselement weniger Abstand zu der neutralen Faser als bei Verwendung einer weichen Zwischenschicht, wodurch die Biegung des Formgedächtniselements in geringerem Ausmaß verringert wird als bei einer weichen Zwischenschicht. Um einen vergleichbaren Abstandseffekt zu erreichen, müsste daher sehr viel mehr starres Material als weiches Material hinzugefügt werden, was den Biegeaktuator stark versteifen würde. Um eine geringere Verschiebung der neutral Faser zu erreichen, kann eine entsprechende Materialwahl für die Zwischenschicht getroffen werden. Außerdem hat die Dicke der Zwischenschicht eine Auswirkung auf das Ausmaß der Verschiebung der neutralen Faser, die umso größer ausfällt, je größer der Elastizitätsmodul der Zwischenschicht ist. Durch geeignete Auswahl der beiden genannten Größen, nämlich der Dicke der Zwischenschicht und deren Elastizitätsmoduls, und durch Berechnung der Lage der neutralen Faser kann ein Fachmann erreichen, dass sich die neutrale Faser durch das Hinzufügen der
Zwischenschicht um weniger als 20% der Dicke der Zwischenschicht verschiebt.
Besonders bevorzugt wird jedoch, dass sich die neutrale Faser um 10% der Dicke der Zwischenschicht oder weniger verschiebt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der Zwischenschicht wenigstens 50% der Dicke der Basisschicht. Die Praxis zeigt, dass mit einer solchen Konstruktionsregel ein Abstand zwischen dem Formgedächtniselement und der
Basisschicht geschaffen wird, der für viele Anwendungen des Biegeaktuator geeignet ist.. Wenn ein Elastomer als Zwischenschicht benutzt wird, kann dessen Elastizitätsmodul beispielsweise zwischen 3 und 20MPa, vorzugsweise etwa 8MPa, betragen. [Hübier, M2] In einer weiteren Ausführungsform ist der Biegeaktuator streifenförmig ausgebildet. Auf der ebenfalls streifenförmigen Basisschicht ist die Zwischenschicht angeordnet, auf der sich bis zu beiden Enden in Längsrichtung ein oder mehrere Formgedächtniselemente erstrecken. Aufgrund der Länge und der relativ geringen Dicke des Streifens ergibt sich eine gute Biegefähigkeit, wodurch nicht nur marginale Ausschläge erzielt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Formgedächtniselemente als ein oder mehrere Drähte ausgebildet, welche parallel auf oder im Randbereich der Zwischenschicht verlaufen. Die Ausbildung als Drähte ermöglicht ein schnelles Erwärmen und Abkühlen, um den Formgedächtniseffekt zu bewirken und rückgängig zu machen. Weiter ist denkbar, das Formgedächtniselement als Gitter auszubilden, das zumindest abschnittsweise aus Formgedächtnisdraht hergestellt ist. Dabei sind die Längsgitterstäbe in
Formgedächtniswirkrichtung als Formgedächtnisdrähte ausgebildet. Sie haben zueinander vorzugsweise gleichmäßige Abstände. Die unter einem Winkel, bevorzugt einem Winkel von 90°, dazu ausgerichteten Quergitterstäbe sind vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das keinen Formgedächtniseffekt zeigt. Auf diese Weise wird die Verformung um nur eine Biegeachse bewirkt, die bevorzugt quer zu einer Längsrichtung des
Biegeaktuator angeordnet ist. Die Quergitterstäbe können in Kunststoff eingebettet sein, der direkt oder indirekt, nämlich insbesondere über die Zwischenschicht, mit der
Basisschicht verbunden ist. Vorzugsweise ist dieser Kunststoff faserverstärkt, um der Flächenpressung durch das Ankerelement besser widerstehen zu können. Besonders bevorzugt werden zur Verstärkung Kurzfasern verwendet, da sich diese leicht an die Form des Ankerelements anpassen können. Die Quergitterstäbe sind vorzugsweise gleichmäßig beabstandet und können in einem mittleren Bereich in Formgedächtniswirkrichtung des Formgedächtniselementes weggelassen sein. Dies ist vorteilhaft, wenn, wie in vielen Fällen, in der Mitte des Biegeaktuators geringe Änderungen des Biegeradius vorliegen, was zu geringeren Anforderungen an die Befestigung des Formgedächtniselementes an dem Biegeaktuator führt. Somit kann dadurch Fertigungs- und Materialaufwand eingespart werden|[Hübier, M3] . Unabhängig davon kann es sinnvoll sein, ein Ankerelement an einer Stelle vorzusehen, an der sich die Biegesteifigkeit des Biegeaktuators in Richtung der Krümmung ändert, die mit dem Formgedächtniselement hervorgerufen wird. Dies kann beispielsweise an einer Stelle einer Dicken- und/oder Breitenänderung oder einer
Änderung des Materials oder seiner Faserverstärkung oder einer sonstigen Änderung des Flächenträgheitsmoments, das bezüglich der aktiv hervorgerufenen Biegung wirksam ist, der Fall sein. An solchen Stellen ändert sich der Biegeradius, die durch die aktive
Verformung des Biegeaktuator hervorgerufen wird. Dies wiederum führt dazu, dass an diesen Stellen erhöhte Schubkräfte zwischen dem Formgedächtniselement und der Basisschicht übertragen werden müssen. Dies kann an solchen Stellen durch ein oder mehrere Ankerelemente unterstützt werden.
Es ist auch denkbar, das Formgedächtniselement als einen oder mehrere dünne Streifen, eine Folie oder eine dünne Platte auszuführen.
In einer weiteren Ausführungsform des Biegeaktuators sind ein oder mehrere
Formgedächtniselemente mittels eines Ankerelementes mit der Basisschicht verbunden, sodass das Formgedächtniselement über das Ankerelement Zugkräfte in
Formgedächtniswirkrichtung auf die Basisschicht übertragen kann. Vorzugsweise werden Zugkräfte durch Formschluss zwischen dem Ankerelement und der Basisschicht übertragen. Zusätzlich kann Stoffschluss eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist für das Ankerelement ein Ankerdraht, der in einem Kunststoff eingebettet ist, welcher stoffschlüssig und möglicherweise auch formschlüssig mit der Basisschicht verbunden ist. Vorzugsweise ist das Ankerelement fest mit dem Formgedächtniselement verbunden, beispielsweise formschlüssig oder durch Stoffschluss, etwa durch Anschweißen. Das Ankerelement und das Formgedächtniselement können vor dem Einbringen in den Biegeaktuator durch Vorfertigung miteinander verbunden sein. Vorzugsweise verläuft das Ankerelement im Wesentlichen quer zu der Formgedächtniswirkrichtung. Auf diese Weise ist ein guter Ankereffekt möglich. Quergitterstäbe eines gitterförmigen
Formgedächtniselementes können als Ankerelemente wirken. Durch das Ankerelement kann Strom fließen, welcher zum Erwärmen des Formgedächtniselementes dient.
Im Folgenden werden an Hand der Figuren im Anhang Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft beschrieben. In den Figuren sind:
Figur 1 : eine schematische Draufsicht auf einen Biegeaktuator mit einem
Formgedächtniselement,
Figur 2 eine schematische Ansicht eines unverformten Biegeaktuators mit einem vergrößerten Ausschnitt auf eine Zwischenschicht zwischen einer Basisschicht und einem Formgedächtniselement,
Figur 3 eine schematische Ansicht eines verformten Biegeaktuators,
Figur 4a ein schematischer Querschnitt durch einen Biegeaktuator ohne
Zwischenschicht zum Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik und
Figur 4b ein schematischer Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Biegeaktuator mit Zwischenschicht.
Figur 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Biegeaktuator 1 . Der Biegeaktuator 1 umfasst eine Basisschicht 2, auf die eine Zwischenschicht 6 aufgebracht ist. Der
Elastizitätsmodul der Zwischenschicht 6 ist geringer als der Elastizitätsmodul der
Basisschicht 2. Auf die Zwischenschicht 6 ist ein Formgedächtniselement 3 aufgebracht, welches Drähte 3a und 3b aus Formgedächtnislegierung sowie einen Ankerdraht 4 umfasst. Der Ankerdraht 4 ist in nicht dargestelltes Kunststoffmaterial eingebettet, wodurch er formschlüssig und stoffschlüssig mit der Basisschicht 2 verbunden ist. Die
Zwischenschicht 6 kann an der Stelle weggelassen sein, an der sich das
Kunststoffmaterial zur Einbettung des Ankerdrahtes 4 befindet. Weiter umfasst der Biegeaktuator 1 zwei Anschlussdrähte 5a und 5b[Hübier, M4] . Die Anschlussdrähte 5a und 5b sind vorzugsweise zumindest angenähert quer zu der Formgedächtniswirkrichtung angeordnet und wirken auf diese Weise ebenfalls als Ankerdrähte. Sie können auf gleiche Weise wie herkömmliche Ankerdrähte eingebettet sein. Über die Anschlussdrähte kann, wie mit Pfeilen dargestellt, ein elektrischer Strom in den Biegeaktuator 1 eingeleitet und daraus ausgeleitet werden. Vorzugsweise erstreckt sich ein Anschlussdraht 5a, 5b über die Begrenzungen der Basisschicht hinaus, wodurch er gut kontaktiert werden kann. Der elektrische Strom fließt von dem Anschlussdraht 5a zu einem oder mehreren, in diesem Ausführungsbeispiel drei, der Drähte 3a aus Formgedächtnislegierung. Über den
Ankerdraht 4 fließt der elektrische Strom zu einem oder mehreren weiteren, in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls drei, Drähten 3b aus Formgedächtnislegierung. Diese drei Drähte 3b sind mit dem Anschlussdraht 5b verbunden. Durch kleine Pfeile ist der
Stromfluss durch das Formgedächtniselement dargestellt, durch den sich das Formgedächtniselement erwärmt. Dadurch wird eine Kontraktion der Drähte 3a und 3b bewirkt, was wiederum eine Biegung des Biegeaktuators aus der Ebene der Figur 1 heraus auf den Betrachter zu bewirkt.
Figur 2 verdeutlicht den Aufbau des Biegeaktuators 1 an Hand einer schematischen Seitenansicht, die zusätzlich einen vergrößerten Ausschnitt des Biegeaktuators 1 umfasst. Auf der schematisch dargestellten Basisschicht 2 ist die stark vergrößert dargestellte Zwischenschicht 6 berührend aufgebracht. Die Zwischenschicht 6 ist durch eine Vielzahl kleiner Auflagersymbole dargestellt, die verdeutlichen sollen, dass die Zwischenschicht 6 einen Abstand zwischen der Basisschicht 2 und dem Formgedächtniselement 3 schafft. Zugleich können über die Zwischenschicht 6 Kräfte von dem Formgedächtniselement 3 in die Basisschicht 2 übertragen werden. Insbesondere bewegen sich die
Befestigungsstellen des Formgedächtniselementes 3 an den virtuellen Auflagerpunkten der Zwischenschicht 6 aufeinander zu, wenn die Kontraktion des Formgedächtniselements 3 eintritt.
Wie in Figur 3 schematisch dargestellt ist, führen die durch Pfeile dargestellten
Kontraktionen K zwischen den Befestigungspunkten des Formgedächtniselementes 3 an den virtuellen Auflagerpunkten der Zwischenschicht 6 dazu, dass sich die Basisschicht einschließlich der Zwischenschicht und dem Formgedächtniselement 3 verbiegt. Es ergibt sich eine erhebliche Auslenkung im Vergleich zu einer unverformten Ausgangslage A.
Figur 4a zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Biegeaktuator 1 ohne eine Zwischenschicht und somit den Stand der Technik. Der Biegeaktuator 1 weist eine neutrale Faser 7 auf, die bei einer Biegung des Biegeaktuators in
Formgedächtniswirkrichtung keine Längenänderung erfährt. Eine Voraussetzung für eine erfolgreiche Biegung ist, dass das Formgedächtniselement 3 in einem Abstand zu der neutralen Faser 7 angeordnet ist. Eine Verkürzung des Formgedächtniselements 3 bewirkt somit eine Biegung des Biegeaktuators 1 . Durch den relativ geringen Abstand des
Formgedächtniselementes 3 von der neutralen Faser 7 findet eine starke Biegung des Biegeaktuator 1 statt. Die Berührungsfläche 37 zwischen der Basisschicht und dem
Formgedächtniselement 3 wird wegen der starken Dehnung des Formgedächtniselements 3, die beispielsweise bis 5% betragen kann, stark auf Schub belastet. Dies ist der
Lebensdauer des Biegeaktuators 1 stark abträglich. Figur 4b zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Biegeaktuator 1 mit einer Zwischenschicht 6 und somit die Erfindung. Durch die zwischen dem
Formgedächtniselement 3 und der Basisschicht 2 eingefügte Zwischenschicht 6 verschiebt sich die neutrale Faser 7 in Richtung des Formgedächtniselements 3. Die Zwischenschicht 6 bewirkt durch ihren Querschnitt in Verbindung mit ihrem Elastizitätsmodul diese
Verschiebung. Die Zwischenschicht 6 hat einen geringeren Elastizitätsmodul als die Basisschicht 2, sodass die Verschiebung der neutralen Faser 7 bevorzugt geringfügig ausfällt. Durch den Abstand, den die Zwischenschicht 6 zwischen dem
Formgedächtniselement 3 und der Basisschicht 2 schafft, ist das Formgedächtniselement 3 jedoch trotz der Verschiebung der neutralen Faser 7 erheblich weiter von der neutralen Faser 7 entfernt als bei dem in Figur 4a gezeigten Stand der Technik. Dadurch ergibt sich eine deutlich verringerte Biegung des Biegeaktuator 1 bei gleicher Kontraktion des
Formgedächtniselements 3. Außerdem wird die starke Dehnung des
Formgedächtniselements 3 von der weichen Zwischenschicht 6 zu der Basisschicht 2 übertragen, wobei der starke Dehnungsunterschied ausgeglichen werden kann. Auf Grund ihrer Nachgiebigkeit bewirkt die Zwischenschicht 6 eine deutlich verlängerte Lebensdauer des Biegeaktuators 1 , was insbesondere auch die Verbindungsflächen 62, 63 zwischen der Zwischenschicht 6 und der Basisschicht 2 bzw. dem Formgedächtniselement 3 einschließt.

Claims

Patentansprüche
1 . Biegeaktuator (1 ), der
eine Kunststoff-Basisschicht (2) und ein Formgedächtniselement (3) aus
Formgedächtnismaterial umfasst, das aktiv in eine Formgedächtniswirkrichtung verkürzbar ist, wobei das Formgedächtniselement (3) außerhalb der Basisschicht (2) angeordnet und mit der Basisschicht (2) mechanisch verbunden ist,
sodass der Biegeaktuator (1 ) dazu eingerichtet ist, dass auf Grund von Zug durch Kontraktion (K) des Formgedächtniselements (3) in eine Formgedächtniswirkrichtung eine Biegung in dem Biegeaktuator (1 ) auftritt,
wobei zwischen dem Formgedächtniselement (3) und der Basisschicht (2) eine Zwischenschicht (6) angeordnet ist, deren Elastizitätsmodul geringer als der
Elastizitätsmodul der Basisschicht (2) ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (2) aus einem langfaserverstärkten Kunststoff, einem kurzfaserverstärkten Kunststoff, oder einem nicht faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist, und die Zwischenschicht (6) aus einem Elastomer hergestellt ist.
2. Biegeaktuator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Elastizitätsmodul der Zwischenschicht (6) ein Zehntel des Elastizitätsmoduls der Basisschicht (2) oder weniger beträgt, wobei der Elastizitätsmodul der
Zwischenschicht (6) vorzugsweise ein Hundertstel oder weniger beträgt.
3. Biegeaktuator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) zwischen der Basisschicht (2) und der Formgedächtniselement (3) bewirkt, dass die neutrale Faser (6) in Vergleich zu einem Biegeaktuator (1 ) ohne die Zwischenschicht (6) um höchstens 10% der Dicke der Zwischenschicht
verschoben ist.
4. Biegeaktuator (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht wenigstens 50% der Dicke der Basisschicht beträgt.
5. Biegeaktuator (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (2) als ein langgestreckter Streifen ausgebildet ist, wobei sich vorzugsweise das Formgedächtniselement (3) zumindest
näherungsweise von einem Ende der Basisschicht (2) in Längsrichtung zu dem anderen Ende der Basisschicht (2) in Längsrichtung erstreckt.
6 . Biegeaktuator (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Formgedächtniselement (3) im Wesentlichen die Form von einem oder mehreren Drähten (3a, 3b) hat, die bevorzugt parallel zueinander und in einer Ebene angeordnet sind.
7. Biegeaktuator (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Formgedächtniselement (3) an zumindest einem Ende der Basisschicht (2) gegen Verschiebung in die Formgedächtniswirkrichtung verankert ist, insbesondere durch mindestens einen mit dem Formgedächtniselement (3) verbundenen Ankerdraht (4), der bevorzugt in Kunststoff eingebettet ist, der mit der Basisschicht (2) mechanisch verbunden ist.
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