WO2020099288A1 - Method for producing single-piece components from shape memory material, and single-piece components made of shape memory material and use of same - Google Patents

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WO2020099288A1
WO2020099288A1 PCT/EP2019/080791 EP2019080791W WO2020099288A1 WO 2020099288 A1 WO2020099288 A1 WO 2020099288A1 EP 2019080791 W EP2019080791 W EP 2019080791W WO 2020099288 A1 WO2020099288 A1 WO 2020099288A1
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shape memory
memory material
component
layer
additive manufacturing
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PCT/EP2019/080791
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Simon Pauly
Konrad Kosiba
Uta KÜHN
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Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
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Definitions

  • the invention relates to the fields of materials science, electrical engineering, medicine and process engineering and relates to a method for producing one-piece components from shape memory material and one-piece components from shape memory material.
  • the one-piece components made of shape memory material can be used, for example, as joints, actuators, sensors or as spring elements in damping systems.
  • Shape memory materials consist of specific metallic alloys that can exist in two different crystal structures. In this way, shape memory materials can be returned to their previous shape after being strongly deformed. This effect of the shape memory material is due to the reversible martensitic phase transformation of the material structure and can be caused thermally or mechanically.
  • the austenitic high-temperature phase changes into the martensitic low-temperature phase reversibly and without diffusion.
  • the formation of martensite begins when the martensite start temperature M s of the shape memory material is reached. Its formation is complete below the martensite end temperature M f .
  • the martensitic phase change is reversible.
  • the martensite therefore changes to austenite when the temperature rises accordingly.
  • austenite start temperature A s is reached, austenite begins to form.
  • the structure is then completely austenitic above the austenite end temperature A.
  • the martensitic structure of a shape memory alloy usually has a high density of twin grain boundaries, the interfaces of which are highly mobile. If a shape memory alloy is deformed in the martensitic state above the elastic yield point up to a maximum of 8% elongation, the martensitic structure is reoriented and derogated. The resulting deformation of the martensitic structure is called "pseudoplastic" and is permanent.
  • This shape memory effect is referred to as a one-way effect (EWE) and is characterized by the unique change in shape of a material structure that is pseudoplastic deformed in the martensitic state while it is being heated.
  • EWE one-way effect
  • a spring can be pretensioned by a phase transformation into austenite during heating.
  • the shape memory effect can occur both in the high temperature and in the low temperature phase. This effect, which is based on the one-way effect with additional deforming force, is referred to as the two-way effect (ZWE).
  • austenite to martensite can be stress-induced, i.e. caused by mechanical forces.
  • austenite changes into martensite and the latter is first elastically deformed.
  • the martensite then twists.
  • This so-called “pseudo-elastic" stretch range of up to a maximum of 8% follows the elastic deformation.
  • twin martensite converts back to austenite and its shape change.
  • the pseudo-elastic expansion behavior is completely reversible and can exceed the elasticity of metals many times over.
  • Joints are movable connections between two components, which usually consist of several components. Joints are classified based on the relative movement and the number of degrees of freedom and are used in robotics, for example. Previously used joints and actuators are assembled from prefabricated components into components.
  • Feathers made from shape memory alloys are also known. Such springs in damping systems have the task of absorbing vibrations and vibrations, for example to minimize noise or dampen irregular movements. They can be based on either a spring-loaded, pneumatic, hydraulic or electromagnetic operating principle.
  • shape memory material is briefly heated above the A F temperature by current pulses.
  • the accompanying change in shape leads to the movement of the spring.
  • Various components made of shape memory material are known from the prior art.
  • a spiral spring made of a shape memory alloy with at least a first and a second fastening surface, a connecting piece, at least two spring arms bent in the form of turns of a spiral is known, the turns of the spring arms being at a distance from one another and each spring arm between the Windings of the other spring arm is arranged and the spring arms have two ends, wherein the first end is connected to the fastening surface and the second end to the connecting piece.
  • DE 3 910 839 A1 discloses a device for controlling an organ for opening and closing a ventilation opening in a room, the organ being connected to at least one actuator consisting of a shape memory alloy, by means of which the organ opens in a first form of the actuator - or closed position is set.
  • the actuator is arranged in a control circuit containing an electrochemical sensor. Depending on the concentration of pollutants in the atmosphere, the sensor acted upon by the air from the external atmosphere triggers a current flow through the actuator, which causes a change in shape of the actuator through heating, by means of which the organ is set in the closed or open position.
  • WO 2009/137 767 discloses an overheating protection system that is designed for use with an actuator that contains at least one shape memory alloy element that is coupled to a source to selectively receive an activation signal therefrom, the actuator element being a first one Forming configuration to be activated by the source for a first period of time and coupled to a load in terms of drive technology, the system comprising at least one shape memory alloy switching element, which is optionally coupled to the source and / or the actuator element and forms a second configuration to be activated by the source and / or by the actuator element for a second period of time that is longer than the first, wherein the actuator element, the source and the switching element are configured cooperatively so that the switching element for preventing the reception of the signal by the actuator element, when the switching element is activated, is operable .
  • a thermostat for flow regulation which comprises a thermostat housing with a valve chamber and an inlet and an outlet which are connected to the valve chamber.
  • An activatable actuator with a shape memory working element is also provided on the thermostat and is configured to act as a function of thermal activation by an electrical one Power source to increase a gradual opening position of the valve closing body, regardless of a setting of the passive actuator, or to close and open a valve, in a bypass formed on the thermostat body to the valve chamber.
  • DE 10 2005 059 605 A1 is a device for adjusting a motor vehicle component, with at least one actuator element, which has a shape memory material, and with at least one power supply device, which can be activated for energizing the at least one actuator element depending on a desired change in shape is.
  • the object of the present invention is to provide a component and a method for producing a component with which the disadvantages of the prior art are eliminated.
  • the object is achieved by a method for producing one-piece components from at least one shape memory material, in which a first layer of a shape memory material is formed and solidified by means of an additive manufacturing method, then a second layer of a shape memory material is arranged on the first layer, and subsequently the first and the second layer is melted at least in the area of the mutually arranged interfaces of the layers and the first and second layers are bonded together, further layers being able to be applied by means of an additive manufacturing process, at least one local area of the shape memory material being thermally treated to below the liquidus temperature by means of a heat source being, by the thermal treatment in the local area the shape memory properties can be deactivated.
  • a thermally, mechanically and / or magnetically excitable shape memory material is advantageously used.
  • Cu-based alloys are also advantageously used as shape memory material, particularly advantageously CuNiAl-, CuZnAI- or CuNiAIZr-based alloys.
  • one of the further layers of a shape memory material is treated completely thermally by means of a heat source during the additive manufacturing process.
  • Laser cladding, electron beam welding and / or laser beam melting are advantageously used as additive manufacturing processes.
  • the thermal treatment is carried out by means of electromagnetic radiation, in particular by means of laser radiation, electron beams and / or X-rays.
  • non-shape memory material particularly advantageously one or more insulation materials or electrically conductive materials, are arranged in regions.
  • the object is also achieved with a one-piece component which has one or more shape memory materials, the one or more shape memory materials having at least one local area in which the shape memory properties are deactivated.
  • the local areas of the shape memory materials with deactivated shape memory properties advantageously have martensite or austenite with phase deposits.
  • Alloys based on CuNiAl, CuZnAI or CuNiAIZr are particularly advantageous.
  • a non-shape memory material is present in some areas, the non-shape memory material being particularly advantageously an insulation layer or heating layer.
  • the number and / or the volumes of the local areas with deactivated shape memory properties are designed to be graded over the height and / or width of the component.
  • shape memory material is designed in such a way that there are several layers with changing deactivated and active shape memory properties.
  • the one-piece component is made up of one or more members.
  • the claimed one-piece component can be used as a joint, as an actuator, as a sensor, as a lifting and adjusting element, as actuators in control loops and / or as a spring assembly in damping systems.
  • components which are formed in one piece, consist of one or more shape memory materials and are produced in one process step.
  • a component is to be understood as a component which can be integrated in a system, a circuit or in a device.
  • a one-part component is to be understood to mean a component which is composed of only one component or component, the one-part component being formed in one or more parts.
  • the additively manufactured component made of one or more shape memory materials can be realized, for example, in such a way that a powder, a wire, foil or suspension made of a shape memory alloy is arranged and solidified on a construction platform, subsequently the construction platform is lowered by a defined layer thickness and again with a layer of one Shape memory material is coated. The interfaces created by the layer structure are melted, and the layers lying on top of one another are thus bonded and essentially without interfaces. This additive and layered construction of the component is continued until the desired component with the desired dimensions and contours is completed.
  • the additive manufacturing method used in accordance with the invention thus makes it possible, for example, to produce entire spring assemblies in one process step.
  • a subsequent time-consuming and costly assembly of individual components to form a component is eliminated, as is the occurrence of interfaces within a component, as is the case, for example, with the ex-situ combination of a shape memory material with a conventional metal.
  • the shape memory material is thermally treated at least in a local area by means of a heat source, the shape memory properties in the thermally treated local area being deactivated by the thermal treatment.
  • the structure of the shape memory material is specifically manipulated and adjusted by the additional thermal treatment of local areas of the shape memory material by means of a heat source.
  • the thermal treatment with a heat source creates different phases with a special morphology in which the shape memory properties are specifically suppressed and deactivated.
  • the thermal treatment of the shape memory material by means of a heat source is always carried out below the liquidus temperature.
  • the thermal treatment of the shape memory materials below the liquidus temperature ensures that phase deposits occur at the grain boundaries of the austenite or martensite, which have the effect that the shape memory properties are and are deactivated.
  • a first layer, further referred to as the first layer component, of a CuNiAIZr-based shape memory alloy is arranged without thermal treatment by a heat source.
  • This first layer component of the CuNiAIZr-based shape memory alloy consists almost exclusively of martensite with dissolved Zr and finely divided sub-pm-sized Y phase deposits.
  • the first layer component of this Shape memory alloy can transform martensitic during heating.
  • the shape memory material of the first layer component is first deformed pseudoplastic.
  • a second layer - further referred to as the second layer component - of the same shape memory alloy is then arranged on the first layer component by means of an additive manufacturing process and the second layer component is thermally treated in local areas of the structure by means of a heat source.
  • the structure of the second layer component consists either of a martensitic or also austenitic matrix with coarsened Y-phase deposits, on the basis of which the second layer component of the shape memory alloy shows no martensitic transformation or no longer has shape memory properties.
  • a typical phase separation when using a CuNiAIZr-based shape memory alloy is a Heusler-Cu 2 ZrAI phase (Y phase).
  • the heating and cooling described is called a cycle of a two-way effect and can be repeated as often as required.
  • the change in shape and thus the extent of movement of, for example, an actuator or a spring assembly consisting of several layers of active and inactive shape memory material can be precisely controlled, since the volume of the individual local areas of the component made of shape memory material can be adjusted precisely by means of additive manufacturing.
  • a Another advantage is that the extent of movement of the component can be increased by stringing together several layers of shape memory material with local areas with a deactivated shape memory effect.
  • Cu-based alloys in particular CuNiAl, CuZnAI and / or CuNiAIZr-based alloys, are used as the shape memory material.
  • Cu-based shape memory alloys with operating temperatures of over 100 ° C are classified as high-temperature shape memory alloys and are cheaper compared to TiNi-based shape memory alloys.
  • the use of Cu-based shape memory alloys in conjunction with an additive manufacturing process advantageously leads to the formation of fine-grained structures, which prevents brittle failure of the one-piece component.
  • the shape memory alloys that are preferably used, in conjunction with the additive manufacturing processes also allow the cooling rate to be controlled and the grain size distribution of the structure to be specifically adjusted in order to obtain the desired material properties of the component.
  • At least one further layer of the shape memory material is completely thermally treated by means of a heat source.
  • a complete thermal treatment of a layer in particular a one-piece actuator or a spring pact can be produced that also mutually arranged layers consist of deactivated and active shape memory material.
  • the additional thermal treatment of local areas of the shape memory material by means of a heat source is advantageously carried out by a laser.
  • a laser as a heat source offers the advantage that targeted and precisely only defined local areas of the shape memory material are reached and thermally treated, whereby a locally limited deactivation of the shape memory properties is achieved. This allows the conversion properties of the shape memory material to the respective Individually set requirements for the area of application and specifically functionalize defined local areas of the component according to the application requirements.
  • one-piece components are made available for the first time, which consist of one or more shape memory materials.
  • the one-piece components have at least one local area in the structure in which the shape memory properties are deactivated.
  • the advantage of the one-part components according to the invention made of one or more shape memory materials is that the one-part design of the component made of shape memory material and the functionalized local areas with deactivated shape memory properties result in a significantly improved service life of the component. Joining points of several components, as are necessarily present in multi-part components, are not present according to the invention.
  • a further advantage of the one-piece component is that, in the case of a component consisting, for example, of a spring assembly, the damping capacity through the number, the extent, the arrangement and the number of pseudo and only elastic springs made of shape memory material are targeted for the first time through the formation of the local areas disable shape memory properties can be set.
  • the entire spring assembly thus shows defined damping properties.
  • a non-shape memory material can be arranged in regions on the component and / or within the component by means of the additive manufacturing method according to the invention.
  • the non-shape memory material can be made of an insulating material and serve as an insulation layer against thermal entry into the adjacent shape memory material.
  • the non-shape memory material may consist of an electrically conductive material and to serve as a heating layer for the adjacent shape memory materials in order, for example, to deactivate the shape memory properties by thermal treatment only in the border area between the electrically conductive material and shape memory materials.
  • actuators and damping systems with a graded structure or sharp interfaces can be provided by intelligently tailoring the structure.
  • the structure can be specifically set to a sub-pm order of magnitude.
  • Phase volume fractions and / or phase morphology are modified and graded in a defined manner.
  • the one-piece components according to the invention can be used, for example, as highly efficient miniature actuators, joints or springs in advanced surgical robots, which are used, for example, for neuromedicine.
  • the technical advantage of the solution according to the invention is that components made of shape memory material are provided which are produced very simply and inexpensively by an additive manufacturing process.
  • a gas-atomized powder (Cu-1 1.35AI-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) with a particle size of 30 pm to 76 pm is turned into a cuboid component using a selective laser melting system (SLM 250 HL , 400 W: YAG laser) the dimensions 1.0 mm x 0.5mm x 1.0mm (wxhx I).
  • SLM 250 HL , 400 W: YAG laser selective laser melting system
  • the cuboid component consists of two layers with the same composition but a different structure, which varies along the height.
  • the volume of the component that can convert martensitic is measured with a powder layer thickness, S D , of 80 pm, laser power, P, of 300 W, scanning speed, S v , of 800 mm / s and a hatching distance, S A of 50%.
  • the additively manufactured component in the form of a one-piece actuator is now heated to a temperature above A f by means of a current pulse (square wave signal, current strength of 1 A and pulse duration of 500 ms).
  • a change in shape takes place so that the one-piece actuator is stretched through and is present as a straight component.
  • the current pulse After the current pulse has passed this one-piece actuator, its temperature decreases and the component bends back into its original shape from the M s temperature. The deflection is below completed.
  • the actuator described can be used in a medical device.

Abstract

The invention concerns the fields of materials science, electrical engineering, medical technology and process technology, and relates to a method for producing single-piece components from shape memory material, as well as single-piece components made of shape memory material. The single-piece components can be used as hinges or actuators. The fact that hinges, actuators and damping systems consist of several parts, which must be joined together at high effort and cost is a disadvantage of the prior art. The problem addressed by the present invention consists in overcoming the disadvantages of the prior art. According to the invention, the problem is solved by a method in which, using an additive manufacturing process, a first layer of a shape memory material is formed and solidified, then a second layer of a shape memory material is applied on the first layer, and at least one local region of the shape memory material is thermally treated to below the liquidus temperature by means of a heat source.

Description

Verfahren zur Herstellung von einteiligen Bauelementen aus Formgedächtnismaterial sowie einteilige Bauelemente aus Formgedächtnismaterial und deren Verwendung  Method for producing one-piece components from shape memory material and one-piece components from shape memory material and their use
Beschreibung description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaft, Elektro-, Medizin-, und der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einteiligen Bauelementen aus Formgedächtnismaterial sowie einteilige Bauelemente aus Formgedächtnismaterial. Die einteiligen Bauelemente aus Formgedächtnismaterial können beispielsweise als Gelenke, Aktoren, Sensoren oder als Federelemente in Dämpfungssystemen Verwendung finden. The invention relates to the fields of materials science, electrical engineering, medicine and process engineering and relates to a method for producing one-piece components from shape memory material and one-piece components from shape memory material. The one-piece components made of shape memory material can be used, for example, as joints, actuators, sensors or as spring elements in damping systems.
Formgedächtnismaterialien bestehen aus spezifischen metallischen Legierungen, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen vorliegen können. So können Formgedächtnismaterialien nach einer starken Verformung in ihre vorherige Gestalt zurückgeführt werden. Dieser Effekt des Formgedächtnismaterials ist in der reversiblen martensitischen Phasenumwandlung des Werkstoffgefüges begründet und kann thermisch oder mechanisch hervorgerufen werden. Shape memory materials consist of specific metallic alloys that can exist in two different crystal structures. In this way, shape memory materials can be returned to their previous shape after being strongly deformed. This effect of the shape memory material is due to the reversible martensitic phase transformation of the material structure and can be caused thermally or mechanically.
Wird eine Formgedächtnislegierung von einer Hochtemperatur abgekühlt, so geht die austenitische Hochtemperaturphase in die martensitische Tieftemperaturphase reversibel und diffusionslos über. Die Bildung von Martensit beginnt, wenn die Martensit-Start- Temperatur Ms des Formgedächtnismaterials erreicht ist. Dessen Bildung ist unterhalb der Martensit-Ende-Temperatur Mf abgeschlossen. Die martensitische Phasenumwandlung ist reversibel. Daher geht der Martensit bei entsprechender Temperaturerhöhung in Austenit über. Ist die Austenit-Start-Temperatur As erreicht, beginnt sich Austenit zu bilden. Das Gefüge ist oberhalb der Austenit-Ende-Temperatur A dann vollständig austenitisch. If a shape memory alloy is cooled from a high temperature, the austenitic high-temperature phase changes into the martensitic low-temperature phase reversibly and without diffusion. The formation of martensite begins when the martensite start temperature M s of the shape memory material is reached. Its formation is complete below the martensite end temperature M f . The martensitic phase change is reversible. The martensite therefore changes to austenite when the temperature rises accordingly. When the austenite start temperature A s is reached, austenite begins to form. The structure is then completely austenitic above the austenite end temperature A.
Das martensitische Gefüge einer Formgedächtnislegierung weist in der Regel eine hohe Dichte an Zwillingskorngrenzen auf, deren Grenzflächen hochbeweglich sind. Wird eine Formgedächtnislegierung im martensitischen Zustand oberhalb der elastischen Dehngrenze bis maximal 8% Dehnung verformt, erfolgt eine Umorientierung und Entzwilligung des martensitischen Gefüges. Die resultierende Verformung des martensitischen Gefüges wird als„pseudoplastisch“ bezeichnet und ist bleibend. The martensitic structure of a shape memory alloy usually has a high density of twin grain boundaries, the interfaces of which are highly mobile. If a shape memory alloy is deformed in the martensitic state above the elastic yield point up to a maximum of 8% elongation, the martensitic structure is reoriented and derogated. The resulting deformation of the martensitic structure is called "pseudoplastic" and is permanent.
Wird jedoch ein pseudoplastisch verformtes Gefüge oberhalb der As- und weiter bis auf dieHowever, if a pseudoplastic structure is formed above the A s - and further down to the
Af-Temperatur erhitzt, stellt sich die ursprüngliche Kristallorientierung des Austenits und folglich die ursprüngliche Form des Werkstoffs wieder ein. Darauffolgendes Abkühlen des austenitischen Gefüges bis zu Temperaturen unterhalb der MrTemperatur im spannungsfreien Zustand führt zur Bildung eines vollständig martensitischen Gefüges ohne Formänderung. Dieser Formgedächtnis-Effekt wird als Ein-Wege-Effekt (EWE) bezeichnet und ist durch die einmalige Formänderung eines im martensitischen Zustand pseudoplastisch verformten Werkstoffgefüges, während dieser aufgeheizt wird, gekennzeichnet. A f temperature heated, the original crystal orientation of the austenite and consequently the original shape of the material is restored. Subsequent cooling of the austenitic structure down to temperatures below the M r temperature in the stress-free state leads to the formation of a completely martensitic structure without a change in shape. This shape memory effect is referred to as a one-way effect (EWE) and is characterized by the unique change in shape of a material structure that is pseudoplastic deformed in the martensitic state while it is being heated.
Wird hingegen während des Abkühlens des Austenits, der dann unterhalb Mf vollständig als Martensit vorliegt, eine Kraft aufgebracht, so dass er pseudoplastisch verformt wird, erfolgt eine Formänderung auch beim Abkühlen. If, on the other hand, a force is applied during the cooling of the austenite, which is then completely present as martensite below M f , so that it is deformed pseudoplastic, a change in shape also takes place during cooling.
Während der Formänderung kann so eine Feder durch eine Phasenumwandlung in Austenit beim Aufheizen vorgespannt werden. Der Formgedächtnis-Effekt kann sowohl in der Hochtemperatur- als auch in der Tieftemperaturphase auftreten. Dieser Effekt, der auf dem Ein-Wege-Effekt mit zusätzlich verformender Kraft beruht, wird als Zwei-Wege-Effekt (ZWE) bezeichnet. During the change in shape, a spring can be pretensioned by a phase transformation into austenite during heating. The shape memory effect can occur both in the high temperature and in the low temperature phase. This effect, which is based on the one-way effect with additional deforming force, is referred to as the two-way effect (ZWE).
Des Weiteren kann die Umwandlung von Austenit in Martensit spannungsinduziert erfolgen, also durch mechanische Kräfte hervorgerufen werden. Bei gleichbleibender Spannung geht der Austenit in Martensit über und letzterer wird zuerst elastisch verformt. Anschließend entzwillingt der Martensit. Dieser sogenannte„pseudoelastische“ Dehnungsbereich von bis zu maximal 8% ist der elastischen Verformung nachgelagert. Nach vollständiger Entlastung wandelt der entzwillingte Martensit wieder in Austenit samt Formänderung um. Das pseudoelastische Dehnungsverhalten ist vollständig reversibel und kann die Elastizität von Metallen um ein Vielfaches übertreffen. Furthermore, the transformation from austenite to martensite can be stress-induced, i.e. caused by mechanical forces. With constant tension, the austenite changes into martensite and the latter is first elastically deformed. The martensite then twists. This so-called "pseudo-elastic" stretch range of up to a maximum of 8% follows the elastic deformation. After complete relief, the twin martensite converts back to austenite and its shape change. The pseudo-elastic expansion behavior is completely reversible and can exceed the elasticity of metals many times over.
Gelenke sind bewegliche Verbindungen zwischen zwei Bauteilen, die üblicherweise aus mehreren Komponenten/Bauteilen bestehen. Anhand der Relativbewegung und der Anzahl an Freiheitsgraden werden Gelenke klassifiziert und finden Anwendung in beispielsweise der Robotik. Bisher eingesetzte Gelenke und Aktoren werden aus vorgefertigten Bauteilen zu Bauelementen zusammengesetzt. Joints are movable connections between two components, which usually consist of several components. Joints are classified based on the relative movement and the number of degrees of freedom and are used in robotics, for example. Previously used joints and actuators are assembled from prefabricated components into components.
Bekannt sind auch Federn aus Formgedächtnislegierungen. Derartige Federn in Dämpfungssystemen haben die Aufgabe, Vibrationen und Schwingungen aufzunehmen, um beispielsweise Geräusche zu minimieren oder ungleichförmige Bewegungen zu dämpfen. Sie können entweder auf einem federgelagerten, pneumatischen, hydraulischen oder elektromagnetischen Wirkprinzip beruhen. Feathers made from shape memory alloys are also known. Such springs in damping systems have the task of absorbing vibrations and vibrations, for example to minimize noise or dampen irregular movements. They can be based on either a spring-loaded, pneumatic, hydraulic or electromagnetic operating principle.
Dabei wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, wobei durch Stromimpulse das Formgedächtnismaterial kurzfristig über die AF-Temperatur erhitzt wird. Die einhergehende Formänderung führt zur Bewegung der Feder. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bauelemente aus Formgedächtnismaterial bekannt. Electrical energy is converted into mechanical energy, whereby the shape memory material is briefly heated above the A F temperature by current pulses. The accompanying change in shape leads to the movement of the spring. Various components made of shape memory material are known from the prior art.
Aus der DE 000029606249 U1 ist eine Spiralfeder aus einer Formgedächtnislegierung mit mindestens einer ersten und einer zweiten Befestigungsfläche, einem Verbindungstück, mindestens zwei in Form von Windungen einer Spirale gebogenen Federarmen bekannt, wobei die Windungen der Federarme zueinander in einem Abstand stehen und jeder Federarm zwischen den Windungen des anderen Federarms angeordnet ist und die Federarme zwei Enden aufweisen, wobei jeweils das erste Ende mit der Befestigungsfläche und das zweite Ende mit dem Verbindungsstück verbunden ist. From DE 000029606249 U1 a spiral spring made of a shape memory alloy with at least a first and a second fastening surface, a connecting piece, at least two spring arms bent in the form of turns of a spiral is known, the turns of the spring arms being at a distance from one another and each spring arm between the Windings of the other spring arm is arranged and the spring arms have two ends, wherein the first end is connected to the fastening surface and the second end to the connecting piece.
Aus der DE 3 910 839 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung eines Organs zum Öffnen und Verschließen einer Lüftungsöffnung eines Raums bekannt, wobei das Organ mit mindestens einem aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Aktor verbunden ist, durch den das Organ bei einer ersten Form des Aktors in Öffnungs- oder Schließstellung eingestellt ist. Der Aktor ist in einem, einen elektrochemischen Sensor enthaltenden Steuerkreis angeordnet. Der von der Luft der äußeren Atmosphäre beaufschlagte Sensor löst in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration der Atmosphäre einen Stromfluß über den Aktor aus, der durch Erwärmung eine Formänderung des Aktors hervorruft, durch den das Organ in Schließ- oder Öffnungsstellung eingestellt wird. DE 3 910 839 A1 discloses a device for controlling an organ for opening and closing a ventilation opening in a room, the organ being connected to at least one actuator consisting of a shape memory alloy, by means of which the organ opens in a first form of the actuator - or closed position is set. The actuator is arranged in a control circuit containing an electrochemical sensor. Depending on the concentration of pollutants in the atmosphere, the sensor acted upon by the air from the external atmosphere triggers a current flow through the actuator, which causes a change in shape of the actuator through heating, by means of which the organ is set in the closed or open position.
Aus der WO 2009 / 137 767 ist ein Überhitzungsschutzsystem bekannt, das zur Verwendung mit einem Aktor ausgelegt ist, der wenigstens ein Formgedächtnislegierungs-Element enthält, das mit einer Quelle gekoppelt ist, um wahlweise ein Aktivierungssignal von ihr zu empfangen, wobei das Aktorelement eine erste Konfiguration bildet, um über einen ersten Zeitraum durch die Quelle aktiviert zu werden, und antriebstechnisch mit einer Last gekoppelt ist, wobei das System wenigstens ein Formgedächtnislegierungs-Schaltelement umfasst, das wahlweise mit der Quelle und/oder dem Aktorelement gekoppelt ist und eine zweite Konfiguration bildet, um durch die Quelle und/oder durch das Aktorelement über eine zweite Zeitdauer aktiviert zu werden, die länger als die erste ist, wobei das Aktorelement, die Quelle und das Schaltelement zusammenwirkend so konfiguriert sind, dass das Schaltelement zum Verhindern des Empfangs des Signals durch das Aktorelement, wenn das Schaltelement aktiviert ist, betreibbar ist. WO 2009/137 767 discloses an overheating protection system that is designed for use with an actuator that contains at least one shape memory alloy element that is coupled to a source to selectively receive an activation signal therefrom, the actuator element being a first one Forming configuration to be activated by the source for a first period of time and coupled to a load in terms of drive technology, the system comprising at least one shape memory alloy switching element, which is optionally coupled to the source and / or the actuator element and forms a second configuration to be activated by the source and / or by the actuator element for a second period of time that is longer than the first, wherein the actuator element, the source and the switching element are configured cooperatively so that the switching element for preventing the reception of the signal by the actuator element, when the switching element is activated, is operable .
Aus der DE 10 2017 106 158 A1 ist ein Thermostat zur Strömungsregulierung bekannt, der ein Thermostatgehäuse mit einer Ventilkammer sowie einen Eingang und einen Ausgang, die mit der Ventilkammer verbunden sind, umfasst. An dem Thermostat ist ferner ein aktivierbarer Aktor mit einem Formgedächtnis-Arbeitselement bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer thermischen Aktivierung durch eine elektrische Leistungsquelle, eine graduelle Öffnungsposition des Ventilschließkörpers, unabhängig von einer Einstellung des passiven Aktors, zu erhöhen, oder ein Schließen und Öffnen eines Ventils, in einem am Thermostatkörper ausgebildeten Bypasses zu der Ventilkammer, einzustellen. From DE 10 2017 106 158 A1 a thermostat for flow regulation is known which comprises a thermostat housing with a valve chamber and an inlet and an outlet which are connected to the valve chamber. An activatable actuator with a shape memory working element is also provided on the thermostat and is configured to act as a function of thermal activation by an electrical one Power source to increase a gradual opening position of the valve closing body, regardless of a setting of the passive actuator, or to close and open a valve, in a bypass formed on the thermostat body to the valve chamber.
Und auch bekannt aus der DE 10 2005 059 605 A1 ist eine Vorrichtung zum Verstellen einer Kraftfahrzeugkomponente, mit mindestens einem Aktorelement, welches ein Formgedächtnismaterial aufweist, und mit mindestens einer Stromversorgungseinrichtung, welche für eine Bestromung des mindestens einen Aktorelementes in Abhängigkeit einer gewünschten Formänderung desselben ansteuerbar ist. And also known from DE 10 2005 059 605 A1 is a device for adjusting a motor vehicle component, with at least one actuator element, which has a shape memory material, and with at least one power supply device, which can be activated for energizing the at least one actuator element depending on a desired change in shape is.
Nachteilig aus dem Stand der Technik ist, dass bekannte Gelenke, Aktoren und Dämpfungssysteme mit oder ohne Formgedächtnislegierungen aus mehreren Bauteilen bestehen, die mit hohem Aufwand und Kosten zu einem Bauelement zusammengefügt werden müssen. A disadvantage of the prior art is that known joints, actuators and damping systems, with or without shape memory alloys, consist of several components which have to be assembled into one component at great expense and expense.
Zudem ist nachteilig, dass zusammengesetzte Bauelemente aufgrund ihrer Mehrteiligkeit Funktionsfehler aufweisen können und somit die gesamte Baugruppe versagensanfälliger ist. Zudem können mehrteilige Bauelemente nicht beliebig miniaturisiert werden. It is also disadvantageous that, due to their multipart nature, assembled components can have functional errors and the entire assembly is therefore more prone to failure. In addition, multi-part components cannot be miniaturized arbitrarily.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Bauelementes und eines Verfahrens zu Herstellung eines Bauelementes, mit dem die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden. The object of the present invention is to provide a component and a method for producing a component with which the disadvantages of the prior art are eliminated.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und- Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen. The object is achieved by the invention specified in the patent claims. Advantageous refinements are the subject of the subclaims, the invention also including combinations of the individual dependent claims in the sense of an AND link, as long as they are not mutually exclusive.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von einteiligen Bauelementen aus mindestens einem Formgedächtnismaterial gelöst, bei dem mittels additivem Fertigungsverfahren eine erste Schicht eines Formgedächtnismaterials ausgebildet und verfestigt wird, anschließend eine zweite Schicht eines Formgedächtnismaterials auf der ersten Schicht angeordnet wird, und nachfolgend die erste und die zweite Schicht mindestens im Bereich der zueinander angeordneten Grenzflächen der Schichten aufgeschmolzen und die erste und zweite Schicht stoffschlüssig verbunden werden, wobei weitere Schichten mittels additivem Fertigungsverfahren aufgebracht werden können, wobei mindestens ein lokaler Bereich des Formgedächtnismaterials bis unterhalb der Liquidustemperatur mittels einer Wärmequelle thermisch behandelt wird, wobei durch die thermische Behandlung in dem lokalen Bereich die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden. According to the invention, the object is achieved by a method for producing one-piece components from at least one shape memory material, in which a first layer of a shape memory material is formed and solidified by means of an additive manufacturing method, then a second layer of a shape memory material is arranged on the first layer, and subsequently the first and the second layer is melted at least in the area of the mutually arranged interfaces of the layers and the first and second layers are bonded together, further layers being able to be applied by means of an additive manufacturing process, at least one local area of the shape memory material being thermally treated to below the liquidus temperature by means of a heat source being, by the thermal treatment in the local area the shape memory properties can be deactivated.
Vorteilhafterweise wird ein thermisch, mechanisch und/oder magnetisch anregbares Formgedächtnismaterial eingesetzt. A thermally, mechanically and / or magnetically excitable shape memory material is advantageously used.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, besonders vorteilhaft CuNiAl-, CuZnAI- oder CuNiAIZr-basierte Legierungen, eingesetzt. Cu-based alloys are also advantageously used as shape memory material, particularly advantageously CuNiAl-, CuZnAI- or CuNiAIZr-based alloys.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mindestens zwei weitere Schichten eines oder mehrerer Formgedächtnismaterialien mittels additivem Fertigungsverfahren auf der ersten Schicht aus Formgedächtnismaterial angeordnet werden. It is furthermore advantageous if at least two further layers of one or more shape memory materials are arranged on the first layer of shape memory material by means of an additive manufacturing method.
Und auch vorteilhafterweise ist es, wenn während des additiven Fertigungsverfahrens eine der weiteren Schichten eines Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle vollständig thermisch behandelt wird. And it is also advantageous if one of the further layers of a shape memory material is treated completely thermally by means of a heat source during the additive manufacturing process.
Vorteilhafterweise werden als additives Fertigungsverfahren das Laserauftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen und/oder das Laser-Strahlschmelzen eingesetzt. Laser cladding, electron beam welding and / or laser beam melting are advantageously used as additive manufacturing processes.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die thermische Behandlung mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, Elektronenstrahlung und/oder Röntgenstrahlung realisiert. In an advantageous embodiment, the thermal treatment is carried out by means of electromagnetic radiation, in particular by means of laser radiation, electron beams and / or X-rays.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial, besonders vorteilhaft eine oder mehrere Isolationsmaterialien oder elektrisch leitende Materialien, angeordnet werden. It is particularly advantageous if a non-shape memory material, particularly advantageously one or more insulation materials or electrically conductive materials, are arranged in regions.
Die Aufgabe wird zudem mit einem einteiligen Bauelement gelöst, das ein oder mehrere Formgedächtnismaterialien aufweist, wobei das eine oder die mehreren Formgedächtnismaterialien mindestens einen lokalen Bereich aufweisen, bei dem die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert sind. The object is also achieved with a one-piece component which has one or more shape memory materials, the one or more shape memory materials having at least one local area in which the shape memory properties are deactivated.
Vorteilhafterweise weisen die lokalen Bereiche der Formgedächtnismaterialien mit deaktivierten Formgedächtniseigenschaften Martensit oder Austenit mit Phasenausscheidungen auf. The local areas of the shape memory materials with deactivated shape memory properties advantageously have martensite or austenite with phase deposits.
Besonders vorteilhaft sind als Formgedächtnismaterial CuNiAl-, CuZnAI- oder CuNiAIZr- basierte Legierungen vorhanden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des einteiligen Bauelementes ist bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial vorhanden, wobei besonders vorteilhaft das Nicht- Formgedächtnismaterial eine Isolationsschicht oder Heizschicht ist. Alloys based on CuNiAl, CuZnAI or CuNiAIZr are particularly advantageous. In an advantageous embodiment of the one-piece component, a non-shape memory material is present in some areas, the non-shape memory material being particularly advantageously an insulation layer or heating layer.
Vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl und/oder die Volumina der lokalen Bereiche mit deaktiven Formgedächtniseigenschaften gradiert über die Höhe und/oder Breite des Bauelementes ausgebildet ist. It is advantageous if the number and / or the volumes of the local areas with deactivated shape memory properties are designed to be graded over the height and / or width of the component.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Formgedächtnismaterial derart ausgebildet ist, dass mehrere Schichten mit wechselnden deaktiven und aktiven Formgedächtniseigenschaften vorhanden sind. It is also advantageous if the shape memory material is designed in such a way that there are several layers with changing deactivated and active shape memory properties.
In einer vorteilhaften Ausführung ist das einteilige Bauelement ein- oder mehrgliedrig ausgebildet. In an advantageous embodiment, the one-piece component is made up of one or more members.
Erfindungsgemäß kann das beanspruchte einteilige Bauelement als Gelenk, als Aktor, als Sensor, als Hub-und Verstellelement, als Stellglieder in Regelkreisen und/oder als Federpaket in Dämpfungssystemen verwendet werden. According to the invention, the claimed one-piece component can be used as a joint, as an actuator, as a sensor, as a lifting and adjusting element, as actuators in control loops and / or as a spring assembly in damping systems.
Mit der vorliegenden Erfindung werden erstmalig Bauelemente bereitgestellt, die einteilig ausgebildet sind, aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialien bestehen und in einem Prozessschritt hergestellt werden. With the present invention, for the first time components are provided which are formed in one piece, consist of one or more shape memory materials and are produced in one process step.
Erreicht wird dies durch ein additives Fertigungsverfahren, bei dem das Bauelement aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialen und schichtweise aufgebaut und hergestellt wird. This is achieved by means of an additive manufacturing process, in which the component is built up and manufactured in layers from one or more shape memory materials.
Im Rahmen der Erfindung soll unter einem Bauelement eine Komponente verstanden werden, die in einem System, einer Schaltung oder in einer Vorrichtung integriert sein kann. In the context of the invention, a component is to be understood as a component which can be integrated in a system, a circuit or in a device.
Unter einem einteiligen Bauelement soll im Rahmen der Erfindung ein Bauelemente verstanden werden, das nur aus einer Komponente oder Bauteil zusammengesetzt ist, wobei das einteilige Bauelement eingliedrig oder mehrgliedrig ausgebildet ist. In the context of the invention, a one-part component is to be understood to mean a component which is composed of only one component or component, the one-part component being formed in one or more parts.
Das additiv gefertigte Bauelement aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialen kann beispielsweise derart realisiert werden, dass ein Pulver, ein Draht, Folie oder Suspension aus einer Formgedächtnislegierung auf einer Bauplattform angeordnet und verfestigt wird, nachfolgend die Bauplattform um eine definierte Schichtdicke abgesenkt und erneut mit einer Schicht eines Formgedächtnismaterials beschichtet wird. Die durch den Schichtaufbau entstehenden Grenzflächen werden aufgeschmolzen und die aufeinanderliegenden Schichten dadurch stoffschlüssig und im Wesentlichen grenzflächenfrei verbunden. Dieser additive und schichtweise Aufbau des Bauelementes wird kontinuierlich weitergeführt, bis das gewünschte Bauteil mit den gewünschten Abmessungen und Konturen fertiggestellt ist. The additively manufactured component made of one or more shape memory materials can be realized, for example, in such a way that a powder, a wire, foil or suspension made of a shape memory alloy is arranged and solidified on a construction platform, subsequently the construction platform is lowered by a defined layer thickness and again with a layer of one Shape memory material is coated. The interfaces created by the layer structure are melted, and the layers lying on top of one another are thus bonded and essentially without interfaces. This additive and layered construction of the component is continued until the desired component with the desired dimensions and contours is completed.
Das erfindungsgemäß eingesetzte additive Fertigungsverfahren ermöglicht so beispielweise ganze Federpakete in einem Prozessschritt zu fertigen. Ein nachfolgendes zeit- und kostenintensives Zusammensetzen einzelner Bauteile zu einem Bauelement entfällt ebenso wie das Auftreten von Grenzflächen innerhalb eines Bauelementes, wie es beispielsweise bei der ex-situ Kombination eines Formgedächtnismaterials mit einem konventionellen Metall der Fall ist. The additive manufacturing method used in accordance with the invention thus makes it possible, for example, to produce entire spring assemblies in one process step. A subsequent time-consuming and costly assembly of individual components to form a component is eliminated, as is the occurrence of interfaces within a component, as is the case, for example, with the ex-situ combination of a shape memory material with a conventional metal.
Nach jeder Schichtanordnung und stoffschlüssigen Verbindung oder auch nach Fertigstellung mehrerer Schichten wird mittels einer Wärmequelle das Formgedächtnismaterial mindestens in einem lokalen Bereich thermisch behandelt, wobei durch die thermische Behandlung die Formgedächtniseigenschaften in dem thermisch behandelten lokalen Bereich deaktiviert werden. After each layer arrangement and cohesive connection or also after the completion of several layers, the shape memory material is thermally treated at least in a local area by means of a heat source, the shape memory properties in the thermally treated local area being deactivated by the thermal treatment.
Durch die zusätzliche thermische Behandlung lokaler Bereiche des Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle wird das Gefüge des Formgedächtnismaterials gezielt manipuliert und eingestellt. Durch die thermische Behandlung mit einer Wärmequelle entstehen im Gefüge unterschiedliche Phasen mit spezieller Morphologie, bei denen die Formgedächtniseigenschaften gezielt unterdrückt und deaktiviert sind. The structure of the shape memory material is specifically manipulated and adjusted by the additional thermal treatment of local areas of the shape memory material by means of a heat source. The thermal treatment with a heat source creates different phases with a special morphology in which the shape memory properties are specifically suppressed and deactivated.
Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die thermische Behandlung des Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle stets unterhalb der Liquidustemperatur durchgeführt wird. Durch die thermische Behandlung der Formgedächtnismaterialien unterhalb der Liquidustemperatur wird erreicht, dass Phasenausscheidungen an den Korngrenzen des Austenits beziehungsweise Martensits entstehen, die bewirken, dass die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden und sind. It is particularly important that the thermal treatment of the shape memory material by means of a heat source is always carried out below the liquidus temperature. The thermal treatment of the shape memory materials below the liquidus temperature ensures that phase deposits occur at the grain boundaries of the austenite or martensite, which have the effect that the shape memory properties are and are deactivated.
Am Beispiel einer CuNiAIZr-basierten Formgedächtnislegierung soll dieser technische Effekt und die technische Wirkung der Erfindung näher erläutert werden. This technical effect and the technical effect of the invention will be explained in more detail using the example of a CuNiAIZr-based shape memory alloy.
Eine erste Schicht, - weiter als erster Schichtbestandteil bezeichnet - einer CuNiAIZr- basierten Formgedächtnislegierung wird ohne thermische Behandlung durch eine Wärmequelle angeordnet. Dieser erste Schichtbestandteil der CuNiAIZr-basierten Formgedächtnislegierung besteht fast ausschließlich aus Martensit mit gelöstem Zr und fein verteilten sub-pm-großen Y-Phasenausscheidungen. Der erste Schichtbestandteil dieser Formgedächtnislegierung kann während einer Erhitzung martensitisch umwandeln. Das Formgedächtnismaterial des ersten Schichtbestandteiles wird zuerst pseudoplastisch verformt. Auf dem ersten Schichtbestanteil wird anschließend eine zweite Schicht - weiter als zweiter Schichtbestandteil bezeichnet - derselben Formgedächtnislegierung mittels additivem Fertigungsverfahrens angeordnet und der zweite Schichtbestandteil mittels Wärmequelle in lokalen Bereichen des Gefüges thermisch behandelt. Das Gefüge des zweiten Schichtbestandteiles besteht nach der thermischen Behandlung entweder aus einer martensitischen oder auch austenitischen Matrix mit vergröberten Y-Phasenausscheidungen, aufgrund dessen der zweite Schichtbestandteil der Formgedächtnislegierung keine martensitische Umwandlung zeigt beziehungsweise keine Formgedächtniseigenschaften mehr aufweist. Eine typische Phasenausscheidung bei Verwendung einer CuNiAIZr- basierten Formgedächtnislegierung ist eine Heusler-Cu2ZrAI-Phase (Y-Phase). A first layer, further referred to as the first layer component, of a CuNiAIZr-based shape memory alloy is arranged without thermal treatment by a heat source. This first layer component of the CuNiAIZr-based shape memory alloy consists almost exclusively of martensite with dissolved Zr and finely divided sub-pm-sized Y phase deposits. The first layer component of this Shape memory alloy can transform martensitic during heating. The shape memory material of the first layer component is first deformed pseudoplastic. A second layer - further referred to as the second layer component - of the same shape memory alloy is then arranged on the first layer component by means of an additive manufacturing process and the second layer component is thermally treated in local areas of the structure by means of a heat source. After the thermal treatment, the structure of the second layer component consists either of a martensitic or also austenitic matrix with coarsened Y-phase deposits, on the basis of which the second layer component of the shape memory alloy shows no martensitic transformation or no longer has shape memory properties. A typical phase separation when using a CuNiAIZr-based shape memory alloy is a Heusler-Cu 2 ZrAI phase (Y phase).
Ein anschließendes Erhitzen des so hergestellten Bauelementes bis über die Austenit-End- Temperatur A, beispielsweise mittels eines Stromimpulses, führt zur Phasenumwandlung des pseudoplastisch verformten Martensits in Austenit. Dabei geht der erste Schichtbestandteil aufgrund seiner aktiven Formgedächtniseigenschaften in seine Ursprungsform durch Formänderung zurück. Der zweite Schichtbestandteil mit den vergröberten Y-Phasenausscheidungen wird während der Formänderung lediglich elastisch mit verformt. Dabei wird Energie gespeichert und der vorher unverformte zweite Schichtbestandteil wird analog einer Feder vorgespannt. Subsequent heating of the component produced in this way to above the austenite end temperature A, for example by means of a current pulse, leads to the phase transformation of the pseudoplastic deformed martensite into austenite. Due to its active shape memory properties, the first layer component returns to its original shape through a change in shape. The second layer component with the coarsened Y phase precipitations is only deformed elastically during the change in shape. Energy is stored and the previously undeformed second layer component is preloaded like a spring.
Danach erfolgt eine Abkühlung bis unterhalb der A//rTemperatur. Der nicht vorgespannte austenitische zweite Schichtbestandteil mit gleichmäßig fein verteilter sub-pm-großen Y- Phasenausscheidungen geht ab der Martensit-Start-Temperatur A//S-Temperatur in Martensit über. Dieser besitzt eine deutlich geringere Streck-, Stauch- bzw. Biegegrenze als der elastisch vorgespannte Austenit, der aufgrund der grob ausgeschiedenen Y- Phasenausscheidung keine reversible martensitische Umwandlung während des Abkühlens zeigt. Folglich entlastet dieser und verformt dabei gleichzeitig den martensitischen Bestandteil pseudoplastisch. Erneutes Erhitzen dieses Bauteils auf Temperaturen oberhalb A führt zur Formänderung und wieder elastischen Vorspannung des nicht umgewandelten Bestandteils. This is followed by cooling to below the A // r temperature. The non-tempered austenitic second layer component with uniformly finely distributed sub-pm-sized Y phase precipitates changes into martensite from the martensite start temperature A // S temperature. This has a significantly lower yield, compression or bending limit than the elastically prestressed austenite, which shows no reversible martensitic transformation during cooling due to the roughly excreted Y-phase precipitation. Consequently, this relieves and at the same time deforms the martensitic component pseudoplastic. Heating this component again to temperatures above A leads to a change in shape and elastic pretensioning of the unconverted component.
Das beschriebene Erhitzen und Abkühlen wird als Zyklus eines Zwei-Wege-Effekts bezeichnet und kann beliebig oft wiederholt werden. Die Formänderung und somit das Bewegungsausmaß beispielsweise eines Aktors oder eines Federpaketes aus mehreren Schichten von aktivem und deaktivem Formgedächtnismaterial kann dabei genau gesteuert werden, da das Volumen der einzelnen lokalen Bereiche des Bauelementes aus Formgedächtnismaterial exakt mittels der additiven Fertigung eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht zudem darin, dass das Bewegungsausmaß des Bauelementes durch die Aneinanderreihung mehrerer Schichten aus Formgedächtnismaterial mit lokalen Bereichen mit deaktiviertem Formgedächtnis-Effekt erhöht werden kann. The heating and cooling described is called a cycle of a two-way effect and can be repeated as often as required. The change in shape and thus the extent of movement of, for example, an actuator or a spring assembly consisting of several layers of active and inactive shape memory material can be precisely controlled, since the volume of the individual local areas of the component made of shape memory material can be adjusted precisely by means of additive manufacturing. A Another advantage is that the extent of movement of the component can be increased by stringing together several layers of shape memory material with local areas with a deactivated shape memory effect.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, insbesondere CuNiAl-, CuZnAI- und/oder CuNiAIZr-basierte Legierungen eingesetzt werden. Cu-basierte Formgedächtnislegierungen mit Einsatztemperaturen von über 100 °C werden als Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen klassifiziert und sind verglichen mit TiNi- basierten Formgedächtnislegierungen kostengünstiger. It is particularly advantageous if Cu-based alloys, in particular CuNiAl, CuZnAI and / or CuNiAIZr-based alloys, are used as the shape memory material. Cu-based shape memory alloys with operating temperatures of over 100 ° C are classified as high-temperature shape memory alloys and are cheaper compared to TiNi-based shape memory alloys.
Der Einsatz von Cu-basierten Formgedächtnislegierungen in Verbindung mit einem additiven Fertigungsverfahren führt vorteilhafterweise zur Ausbildung von feinkörnigen Gefügen, wodurch ein sprödes Versagen des einteiligen Bauelementes verhindert wird. Die bevorzugt verwendeten Formgedächtnislegierungen ermöglichen zudem im Zusammenwirken mit den additiven Fertigungsverfahren, die Abkühlrate zu kontrollieren und somit die Korngrößenverteilung des Gefüges gezielt einzustellen, um so die gewünschten Materialeigenschaften des Bauelementes zu erhalten. The use of Cu-based shape memory alloys in conjunction with an additive manufacturing process advantageously leads to the formation of fine-grained structures, which prevents brittle failure of the one-piece component. The shape memory alloys that are preferably used, in conjunction with the additive manufacturing processes, also allow the cooling rate to be controlled and the grain size distribution of the structure to be specifically adjusted in order to obtain the desired material properties of the component.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eine weitere Schicht des Formgedächtnismaterials vollständig mittels Wärmequelle thermisch behandelt. Mit einer vollständigen thermischen Behandlung einer Schicht kann insbesondere ein eingliedriger Aktor oder auch ein Federpakt hergestellt werden, dass auch wechselseitig angeordneten Schichten aus deaktivem und aktivem Formgedächtnismaterial besteht. In a further advantageous embodiment of the method, at least one further layer of the shape memory material is completely thermally treated by means of a heat source. With a complete thermal treatment of a layer, in particular a one-piece actuator or a spring pact can be produced that also mutually arranged layers consist of deactivated and active shape memory material.
Vorteilhaft ist auch, wenn als additives Fertigungsverfahren das Laserauftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen und/oder das Laser-Strahlschmelzen eingesetzt wird. Diese vorteilhaften Fertigungsverfahren ermöglichen in vorteilhafter Weise einen definierten Energieeintrag in die jeweilige Schicht, wodurch das Gefüge des Formgedächtnismaterials gezielt variiert und eingestellt werden kann. Zudem lassen sich mit diesen Verfahren besonders kleine und filigrane einteilige Bauelemente in nur einem Prozessschritt hersteilen, wodurch Kosten und Zeit bei der Herstellung des Bauelementes gespart werden und Bauelemente im pm- bis cm-Bereich hergestellt werden können. It is also advantageous if laser cladding, electron beam welding and / or laser beam melting is used as the additive manufacturing method. These advantageous manufacturing methods advantageously allow a defined energy input into the respective layer, as a result of which the structure of the shape memory material can be varied and adjusted in a targeted manner. In addition, with these processes, particularly small and filigree one-piece components can be produced in only one process step, which saves costs and time in the production of the component and can produce components in the pm to cm range.
Die zusätzliche thermische Behandlung lokaler Bereiche des Formgedächtnismaterials mittels einer Wärmequelle erfolgt vorteilhafter durch einen Laser. Der Einsatz eines Lasers als Wärmequelle bietet den Vorteil, dass gezielt und genau nur definierte lokale Bereiche des Formgedächtnismaterials erreicht und thermisch behandelt werden, wodurch eine örtlich begrenzte Deaktivierung der Formgedächtniseigenschaften erreicht wird. Dadurch lassen sich die Umwandlungseigenschaften des Formgedächtnismaterials auf die jeweiligen Anforderungen an das Einsatzgebiet individuell einstellen und definierte lokale Bereiche des Bauelementes entsprechend den Anwendungsanforderungen konkret funktionalisieren. The additional thermal treatment of local areas of the shape memory material by means of a heat source is advantageously carried out by a laser. The use of a laser as a heat source offers the advantage that targeted and precisely only defined local areas of the shape memory material are reached and thermally treated, whereby a locally limited deactivation of the shape memory properties is achieved. This allows the conversion properties of the shape memory material to the respective Individually set requirements for the area of application and specifically functionalize defined local areas of the component according to the application requirements.
Erfindungsgemäß werden erstmals einteilige Bauelemente bereitgestellt, die aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialien bestehen. Die einteiligen Bauelemente weisen dabei mindestens einen lokalen Bereich im Gefüge auf, in dem die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert sind. According to the invention, one-piece components are made available for the first time, which consist of one or more shape memory materials. The one-piece components have at least one local area in the structure in which the shape memory properties are deactivated.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen einteiligen Bauelemente aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialien besteht darin, dass durch die einteilige Gestaltung des Bauelementes aus Formgedächtnismaterial und die funktionalisierten lokalen Bereiche mit deaktivierten Formgedächtniseigenschaften eine wesentlich verbesserte Standzeit des Bauelementes erreicht wird. Fügestellen mehrerer Komponenten, wie sie bei mehrteiligen Bauelementen notwendigerweise vorhanden sind, sind erfindungsgemäß nicht vorhanden. The advantage of the one-part components according to the invention made of one or more shape memory materials is that the one-part design of the component made of shape memory material and the functionalized local areas with deactivated shape memory properties result in a significantly improved service life of the component. Joining points of several components, as are necessarily present in multi-part components, are not present according to the invention.
Zudem besteht ein weiterer Vorteil des einteilig ausgeführten Bauelementes darin, das bei einem beispielsweise aus einem Federpaket bestehenden Bauelement das Dämpfungsvermögen durch die Anzahl, das Ausmaß, Anordnung sowie Anzahl an pseudo- und nur elastischen Federn aus Formgedächtnismaterial erstmals gezielt durch die Ausbildung der lokalen Bereiche mit deaktiven Formgedächtniseigenschaften eingestellt werden kann. Das gesamte Federpaket zeigt somit definierte Dämpfungseigenschaften. In addition, a further advantage of the one-piece component is that, in the case of a component consisting, for example, of a spring assembly, the damping capacity through the number, the extent, the arrangement and the number of pseudo and only elastic springs made of shape memory material are targeted for the first time through the formation of the local areas disable shape memory properties can be set. The entire spring assembly thus shows defined damping properties.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann mittels dem erfindungsgemäßen additivem Fertigungsverfahren auf dem Bauelement und/oder innerhalb des Bauelementes bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial angeordnet werden. Dabei kann das Nicht-Formgedächtnismaterial aus einem isolierenden Material sein und als Isolationsschicht gegen einen thermischen Eintrag in das angrenzende Formgedächtnismaterial dienen. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a non-shape memory material can be arranged in regions on the component and / or within the component by means of the additive manufacturing method according to the invention. The non-shape memory material can be made of an insulating material and serve as an insulation layer against thermal entry into the adjacent shape memory material.
Möglich ist aber auch, dass das Nicht-Formgedächtnisaterial aus einem elektrisch leitenden Material besteht und als Heizschicht für die angrenzenden Formgedächtnismaterialien dient, um beispielsweise nur im Grenzbereich zwischen elektrisch leitendem Material und Formgedächtnismaterialien eine Deaktivierung der Formgedächtniseigenschaften durch thermische Behandlung zu erreichen. However, it is also possible for the non-shape memory material to consist of an electrically conductive material and to serve as a heating layer for the adjacent shape memory materials in order, for example, to deactivate the shape memory properties by thermal treatment only in the border area between the electrically conductive material and shape memory materials.
In einer besonderen Ausführung des einteiligen Bauelementes können durch ein intelligentes Maßschneidern des Gefüges Aktoren und Dämpfungssysteme mit gradiertem Gefüge oder scharfen Grenzflächen vorliegen. Dabei kann das Gefüge gezielt auf einer sub-pm- Größenordnung eingestellt werden. Das Gefüge kann somit hinsichtlich Korngröße, Phasenvolumenanteile und/oder Phasenmorphologie definiert modifiziert und gradiert vorliegen. In a special version of the one-piece component, actuators and damping systems with a graded structure or sharp interfaces can be provided by intelligently tailoring the structure. The structure can be specifically set to a sub-pm order of magnitude. In terms of grain size, Phase volume fractions and / or phase morphology are modified and graded in a defined manner.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, Gelenke, Aktoren und Dämpfungssysteme in einem breiten Größenspektrum im pm-Bereich bis cm-Bereich zu erzeugen. Somit können erstmals einteilige Miniatur-Gelenke, -Aktoren, und - Dämpfungssysteme in pm-Größe, komplexer Struktur und mit spezieller geometrischer Ausbildung bei hoher Flexibilität bereitgestellt werden. With the solution according to the invention, it is possible to produce joints, actuators and damping systems in a wide range of sizes in the pm range to cm range. Thus, for the first time, one-piece miniature joints, actuators and damping systems in pm size, complex structure and with a special geometric design with high flexibility can be provided.
Die erfindungsgemäßen einteiligen Bauelemente können beispielsweise als hocheffiziente Miniatur-Aktoren, Gelenke oder Federn in fortgeschrittenen Operationsrobotern, die beispielsweise für die Neuromedizin verwendet werden, eingesetzt werden. The one-piece components according to the invention can be used, for example, as highly efficient miniature actuators, joints or springs in advanced surgical robots, which are used, for example, for neuromedicine.
Der technische Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht zusammenfassend darin, dass Bauelemente aus Formgedächtnismaterial bereitgestellt werden, die sehr einfach und kostengünstig durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt werden, In summary, the technical advantage of the solution according to the invention is that components made of shape memory material are provided which are produced very simply and inexpensively by an additive manufacturing process.
in einem Fertigungsprozess herstellbar sind, wodurch ein nachträgliches are producible in a manufacturing process, which makes a subsequent
Zusammenfügen von einzelnen Bauteilen zu einem Bauelement entfällt, It is not necessary to combine individual components into one component,
besonders filigran und klein ausbildbar sind, sodass Bauelemente im pm-Bereich bis cm-Bereich bereitgestellt werden können,  can be made particularly filigree and small, so that components in the pm range to cm range can be provided,
besonders leicht und leise in der Anwendung sind,  are particularly light and quiet to use,
einfach konstruiert und modeliert werden können,  can be easily constructed and modeled,
eine hohe Arbeitsleistung pro Volumen bei hoher Standzeit aufweisen,  have a high work rate per volume with a long service life,
eine besonders kurze Reaktionszeit aufweisen,  have a particularly short response time,
durch die thermische Behandlung lokaler Bereiche des Formgedächtnismaterials mit einer Wärmequelle individuell funktionalisiert und auf die zukünftige Anwendung angepasst werden können.  can be individually functionalized by the thermal treatment of local areas of the shape memory material with a heat source and adapted to future use.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Ausführungsbeispiel Embodiment
Aus gasverdüstem Pulver (Cu-1 1.35AI-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) mit einer Partikelgröße von 30 pm bis 76 pm wird mittels einer Selektiven-Laserschmelz-Anlage (SLM 250HL, 400 W:YAG Laser) ein quaderförmiges Bauelement mit den Abmaßen 1.0 mm x 0.5mm x 1.0mm (b x h x I) gefertigt. Das quaderförmige Bauelement besteht aus zwei Schichten mit gleicher Zusammensetzung aber unterschiedlichem Gefüge, das entlang der Höhe variiert. Dasjenige Volumen des Bauelementes, das martensitisch umwandeln kann, wird mit einer Pulverschichtdicke, SD, von 80 pm, Laserleistung, P, von 300 W, Scangeschwindigkeit, Sv, von 800 mm/s und einem Schraffurabstand, SA von 50% hergestellt. Nachdem der erstarrte Abschnitt 270 pm hoch ist, wird er pseudoplastisch bis zu einer Dehnung von 8% verformt. Anschließend werden weitere Schichten eines Pulvers aus (Cu-1 1.35AI-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) aufgebracht, bis eine Gesamthöhe des Bauelementes von 500 pm erreicht ist. Dabei wird jede weitere erstarrte Schicht zusätzlich zweimal mit einem Laser mit folgenden Parametern nachbelichtet: P = 150 W, Sv = 800 mm/s und SA = 50%. A gas-atomized powder (Cu-1 1.35AI-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) with a particle size of 30 pm to 76 pm is turned into a cuboid component using a selective laser melting system (SLM 250 HL , 400 W: YAG laser) the dimensions 1.0 mm x 0.5mm x 1.0mm (wxhx I). The cuboid component consists of two layers with the same composition but a different structure, which varies along the height. The volume of the component that can convert martensitic is measured with a powder layer thickness, S D , of 80 pm, laser power, P, of 300 W, scanning speed, S v , of 800 mm / s and a hatching distance, S A of 50%. After the solidified section is 270 pm high, it is deformed pseudoplastic to an elongation of 8%. Subsequently, further layers of a powder of (Cu-1 1.35AI-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) are applied until a total height of the component of 500 pm is reached. Each further solidified layer is additionally exposed twice with a laser with the following parameters: P = 150 W, S v = 800 mm / s and S A = 50%.
Das additiv gefertigte Bauelement in Form eines einteiligen Aktors wird nun mittels eines Stromimpulses (Rechtecksignal, Stromstärke von 1 A und Impulsdauer von 500 ms) auf eine Temperatur oberhalb von Af erhitzt. Dabei findet eine Formänderung statt, sodass der einteilige Aktor durch gestreckt wird und als gerades Bauelement vorliegt. Nachdem der Stromimpuls diesen einteiligen Aktor passiert hat, nimmt dessen Temperatur ab und das Bauelement biegt sich ab der Ms- Temperatur wieder in die ursprüngliche Form zurück. Die Durchbiegung ist unterhalb von
Figure imgf000013_0001
abgeschlossen. Der beschriebene Aktor kann in einem medizinischen Gerät eingesetzt werden. The additively manufactured component in the form of a one-piece actuator is now heated to a temperature above A f by means of a current pulse (square wave signal, current strength of 1 A and pulse duration of 500 ms). A change in shape takes place so that the one-piece actuator is stretched through and is present as a straight component. After the current pulse has passed this one-piece actuator, its temperature decreases and the component bends back into its original shape from the M s temperature. The deflection is below
Figure imgf000013_0001
completed. The actuator described can be used in a medical device.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Herstellung von einteiligen Bauelementen aus mindestens einem Formgedächtnismaterial, bei dem mittels additivem Fertigungsverfahren eine erste Schicht eines Formgedächtnismaterials ausgebildet und verfestigt wird, anschließend eine zweite Schicht eines Formgedächtnismaterials auf der ersten Schicht angeordnet wird, und nachfolgend die erste und die zweite Schicht mindestens im Bereich der zueinander angeordneten Grenzflächen der Schichten aufgeschmolzen und die erste und zweite Schicht stoffschlüssig verbunden werden, wobei weitere Schichten mittels additivem Fertigungsverfahren aufgebracht werden können, wobei mindestens ein lokaler Bereich des Formgedächtnismaterials bis unterhalb der Liquidustemperatur mittels einer Wärmequelle thermisch behandelt wird, wobei durch die thermische Behandlung in dem lokalen Bereich die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden. 1. A method for producing one-piece components from at least one shape memory material, in which a first layer of a shape memory material is formed and solidified by means of an additive manufacturing method, then a second layer of a shape memory material is arranged on the first layer, and subsequently the first and the second layer at least melted in the area of the interfaces between the layers and the first and second layers are integrally bonded, further layers being able to be applied by means of an additive manufacturing process, at least one local area of the shape memory material being thermally treated to below the liquidus temperature by means of a heat source, whereby the thermal treatment in the local area the shape memory properties can be deactivated.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als weitere Schichten Schichten aus Formgedächtnismaterial aufgebracht werden. 2. The method according to claim 1, in which layers of shape memory material are applied as further layers.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein thermisch, mechanisch und/oder magnetisch anregbares Formgedächtnismaterial eingesetzt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, in which a thermally, mechanically and / or magnetically excitable shape memory material is used.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, besonders vorteilhaft CuNiAl-, CuZnAI- oder CuNiAIZr-basierte Legierungen, eingesetzt werden. 4. The method according to at least one of the preceding claims, in which Cu-based alloys, particularly advantageously CuNiAl-, CuZnAI- or CuNiAIZr-based alloys, are used as the shape memory material.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei weitere Schichten eines oder mehrere Formgedächtnismaterialien mittels additivem Fertigungsverfahren auf der ersten Schicht aus Formgedächtnismaterial angeordnet werden. 5. The method according to at least one of the preceding claims, in which at least two further layers of one or more shape memory materials are arranged on the first layer of shape memory material by means of an additive manufacturing method.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des additiven Fertigungsverfahrens als lokaler Bereich eine der weiteren Schichten eines Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle vollständig thermisch behandelt wird. 6. The method according to at least one of the preceding claims, in which during the additive manufacturing process as a local area one of the further layers of a shape memory material is treated completely thermally by means of a heat source.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als additives Fertigungsverfahren das Laserauftragsschweißen,7. The method according to at least one of the preceding claims, in which laser deposition welding is used as the additive manufacturing method,
Elektronenstrahlschweißen und/oder das Laser-Strahlschmelzen eingesetzt werden. Electron beam welding and / or laser beam melting can be used.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die thermische Behandlung mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, Elektronenstrahlung und/oder Röntgenstrahlung realisiert wird. 8. The method according to at least one of the preceding claims, in which the thermal treatment is carried out by means of electromagnetic radiation, in particular by means of laser radiation, electron beams and / or X-rays.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial, besonders vorteilhaft eine oder mehrere Isolationsmaterial oder elektrisch leitendes Material, angeordnet wird. 9. The method according to at least one of the preceding claims, in which a non-shape memory material is arranged in regions, particularly advantageously one or more insulation material or electrically conductive material.
10. Einteiliges Bauelement, aufweisend ein oder mehrere Formgedächtnismaterialien, wobei das eine oder die mehreren Formgedächtnismaterialien mindestens einen lokalen Bereich aufweisen, bei dem die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert sind. 10. One-piece component, comprising one or more shape memory materials, the one or more shape memory materials having at least one local area in which the shape memory properties are deactivated.
11. Bauelement nach Anspruch 10, bei dem die lokalen Bereiche der Formgedächtnismaterialien mit deaktivierten Formgedächtniseigenschaften Martensit oder Austenit mit Phasenausscheidungen aufweisen. 11. The component according to claim 10, wherein the local areas of the shape memory materials with deactivated shape memory properties comprise martensite or austenite with phase precipitates.
12. Bauelement nach Anspruch 10 oder 11 , bei dem Cu-basierte Legierungen, insbesondere CuNiAl-, CuZnAI- oder CuNiAIZr-basierte Legierungen, vorhanden sind. 12. The component according to claim 10 or 11, in which Cu-based alloys, in particular CuNiAl-, CuZnAI- or CuNiAIZr-based alloys, are present.
13. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial vorhanden ist. 13. The component according to at least one of the preceding claims, wherein a non-shape memory material is present in some areas.
14. Bauelement nach Anspruch 13, wobei das Nicht-Formgedächtnismaterial eine Isolationsschicht oder Heizschicht ist. 14. The component according to claim 13, wherein the non-shape memory material is an insulation layer or heating layer.
15. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl und/oder die Volumina der lokalen Bereiche mit deaktiven Formgedächtniseigenschaften gradiert über die Höhe und/oder Breite des Bauelementes ausgebildet ist. 15. The component according to at least one of the preceding claims, in which the number and / or the volumes of the local areas with deactivated shape memory properties is designed in a graduated manner over the height and / or width of the component.
16. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Schichten mit wechselnden deaktiven und aktiven Formgedächtniseigenschaften vorhanden sind. 16. The component according to at least one of the preceding claims, in which a plurality of layers with changing deactivating and active shape memory properties are present.
17. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das einteilige Bauelement ein- oder mehrgliedrig ausgebildet ist. 17. The component according to at least one of the preceding claims, in which the one-piece component is of one or more members.
18. Verwendung des nach den Ansprüchen 9 bis 17 beanspruchten einteiligen Bauelementes als Gelenk, als Aktor, als Sensor, als Hub-und Verstellelement, als Stellglieder in Regelkreisen und/oder als Federpaket in Dämpfungssystemen. 18. Use of the one-piece component claimed according to claims 9 to 17 as a joint, as an actuator, as a sensor, as a lifting and adjusting element, as actuators in control loops and / or as a spring assembly in damping systems.
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