DE102008044735B4

DE102008044735B4 - Fugenabdeckvorrichtungen auf der Basis eines aktiven Materials

Info

Publication number: DE102008044735B4
Application number: DE102008044735A
Authority: DE
Inventors: Ukpai I. West Bloomfield Ukpai; Alan L. Grosse Pointe Browne; Mark A. Sterling Heights Kramarczyk; Nancy L. Northville Johnson; John C. Oxford Ulicny; Gary L. Farmington Hills Jones
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: US20090058130A1; CN101376370B; CN101544212A; DE102008044735A1; US7905538B2; CN101376370A

Abstract

Eine Vorrichtung zum Abdecken einer Fuge zwischen einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche umfasst einen bewegbaren Körper, der fest an einer ausgewählten von der ersten Fläche und der zweiten Fläche angebracht ist, wobei der bewegbare Körper ausgebildet ist, um zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu wechseln, um die Fuge abzudecken und freizugeben, und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem bewegbaren Körper, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung der zumindest einen Eigenschaft wirksam ist, um den bewegbaren Körper von der ersten Position in die zweite Position überzuführen.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenlegung betrifft eine Abdeckvorrichtung zum Abdecken einer Fuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kraftfahrzeuge und andere Transportmittel wie Flugzeuge, Busse und Eisenbahnzüge besitzen mehrere bewegbare (d. h. schwenkbare, verschiebbare oder dergleichen) Flächen. In Kraftfahrzeugen können solche bewegbaren Flächen z. B. Karosserieblechteile wie Türen, Motorhauben, Kofferraumdeckel, Heckklappen, Sonnendächer, Handschuhfächer und dergleichen umfassen. Derzeit ist zwischen der bewegbaren Fläche wie z. B. einem Schiebesonnendach und einer nicht bewegbaren Fläche wie z. B. dem Fahrzeugdach eine Fuge (d. h. ein Spalt oder eine Öffnung) vorhanden. Diese Fuge kann teilweise den begrenzten Fertigungstoleranzen für die Bleche zugeschrieben werden. Derzeit beeinflussen die Fugen die Fahrzeug-Aerodynamik wie auch das Styling und die Ästhetik.
Aus der DE 11 2005 000 562 T5 ist eine Abdeckvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt geworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Abdeckvorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass diese auch bei Energieausfall oder -abschaltung funktionstüchtig bleibt.
Kurzzusammenfassung
Diese Aufgabe wird mit einer Abdeckvorrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig., die beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen gleiche Elemente gleich bezeichnet sind, ist:
1 eine prospektive Ansicht einer Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials in (a) einer Position, die eine Fuge abdeckt, und (b) in einer Position, die die Fuge freilegt;
2 eine prospektive Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials, wobei der bewegbare Körper aus einem aktiven Material zusammengesetzt ist;
3 eine prospektive Ansicht einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials;
Detaillierte Beschreibung
Abdeckvorrichtungen zum Abdecken und/oder Füllen von Fugen zwischen Fahrzeugflächen sind hierin beschrieben. Ferner setzen Abdeckvorrichtungen, die hierin offenbart sind, vorteilhafterweise die Verwendung von aktiven Materialien ein. Die Abdeckvorrichtungen umfassen ein oder mehrere aktive/s Material/ien, das/die zulässt/zulassen, dass die Abdeckvorrichtungen eine Fuge zwischen Fahrzeugflächen in Ansprechen auf eine Änderung einer Eigenschaft der aktiven Materialien nach Empfang eines Aktivierungssignals reversibel abdecken und/oder füllen. Der Begriff „Flächen”, so wie hierin verwendet, bezieht sich allgemein auf alle Flächen eines Fahrzeuges (innen oder außen), die zusammentreffen, um eine Fuge (d. h. einen Spalt, eine Öffnung, einen Zwischenraum und dergleichen) zu bilden, die abzudecken wünschenswert ist. Zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, wo ein Türblech, ein Kofferraumdeckel oder eine Heckklappe auf die Fahrzeugkarosserie trifft. In einem weiteren Beispiel, wo ein Sonnendach, ein Schiebedach oder dergleichen auf das Fahrzeugdach trifft. In noch einem weiteren Beispiel, wo ein Handschuhfach und ein Armaturenbrett zusammentreffen. Der Begriff „aktives Material”, so wie hierin verwendet, bezieht sich allgemein auf ein Material, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals eine reversible Änderung zumindest einer Eigenschaft wie z. B. einer Abmessung, einer Form, einer Phase, einer Orientierung, einer Steifigkeit und dergleichen zeigt. Geeignete aktive Materialien umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnispolymere (SMP), Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA), piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische (MR) Elastomere, elektrorheologische (ER) Elastomere und dergleichen. Abhängig von dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal ohne Einschränkung die Form eines elektrischen Stromes, eines elektrischen Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Belastung oder Spannung und dergleichen besitzen.
So wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „erste/r/s”, „zweite/r/s” und dergleichen keinerlei Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern dienen vielmehr dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „der/die/das”, „ein/e” bezeichnen keine Begrenzung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Die Angabe „etwa”, die in Verbindung mit einer Größe verwendet wird, versteht sich einschließlich des angegebenen Werts und besitzt die durch den Kontext bestimmte Bedeutung (umfasst z. B. den der Messung der speziellen Größe zugehörigen Fehlergrad). Des Weiteren schließen alle hierin offenbarten Bereiche die Endpunkte mit ein und sind einzeln kombinierbar.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials einen bewegbaren Körper und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem bewegbaren Körper. Das aktive Material ist ausgebildet, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren. Die Änderung der zumindest einen Eigenschaft ist wirksam, um eine Fuge, einen Spalt, einen Zwischenraum oder dergleichen zwischen einer ersten und einer zweiten Fläche abzudecken. Die Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials beeinflusst verschiedene Merkmale des bewegbaren Körpers der Abdeckvorrichtung wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf die Form, Abmessung, Position, Orientierung, Steifigkeit und dergleichen, was zu einer Überführung des bewegbaren Körpers von einer Abdeckposition oder einer Freilegungsposition in Bezug auf die Fuge führt. Die Begriffe erste Position und zweite Position werden in Bezug auf Positionen des bewegbaren Körpers verwendet und werden sich, abhängig von der Ausgestaltung des aktiven Materials, auf eine ausgewählte von der Abdeck- oder der Freilegungsposition der Vorrichtung beziehen. Auf diese Weise ist die Vorrichtung verstellbar und die Abdeckung/Freilegung der Fuge ändert sich mit der Änderung von zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials. Die Änderung kann bei Bedarf oder auf der Basis eines Sensoreingangs betreffend Betriebsbedingungen erfolgen. Darüber hinaus kann eine Aktivierungsvorrichtung in funktioneller Verbindung mit dem aktiven Material stehen, wobei die Aktivierungsvorrichtung ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal selektiv an das aktive Material bereitzustellen.
Das aktive Material der Abdeckvorrichtung kann in funktioneller Fernverbindung mit der Vorrichtung stehen oder das aktive Material kann in die Vorrichtung integriert sein. Zum Beispiel kann das aktive Material auf einer Fläche des bewegbaren Körpers, eingebettet in der Fläche des bewegbaren Körpers, eingebettet in dem bewegbaren Körper selbst oder außen mit der Fläche der Abdeckvorrichtung verbunden angeordnet sein. Außerdem kann die Abdeckvorrichtung ein oder mehrere aktive/s Material/ien umfassen, das/die als eine Beschichtung, eine Schicht, Abschnitte wie z. B. Streifen aus aktivem Material auf zumindest einer Fläche des bewegbaren Körpers aufgebracht ist/sind. Alternativ kann der bewegbare Körper der Abdeckvorrichtung vollständig aus dem aktiven Material bestehen. Ferner können verschiedene aktive Materialien auf der Fläche des bewegbaren Körpers aufgebracht sein, wobei die verschiedenen aktiven Materialien benachbart zueinander aufgebracht sind. In einer weiteren Ausführungsform kann das aktive Material einen Verbund von verschiedenen Formgedächtnismaterialien umfassen. Das aktive Material versieht die Abdeckvorrichtung mit einer Formänderungsfähigkeit, die aktiv auf eine bestimmte Anwendung abgestimmt werden kann, wie unten stehend in größerem Detail beschrieben wird. Die beschriebenen aktiven Materialien können bei Raumtemperatur eine im Wesentlichen gerade Form aufweisen und eine gekrümmte Form (d. h. kurvenförmige Form) aufweisen, wenn sie über einen Temperaturbereich erwärmt werden, der während des Betriebs eines Fahrzeuges oder bei Verwendung der Ausrüstung/Einrichtung allgemein auftreten kann (wobei auf diese Weise eine aktiv gesteuerte Aktivierung ausgeschlossen ist).
Die Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials kann eine Vielzahl von Ausgestaltungen aufweisen, umfassend, aber nicht beschränkt auf eine flexible Klappe, eine starre Platte, ein formveränderbares Rohr, einen geformten hohlen Querschnitt und dergleichen, wobei die Ausgestaltung geeignet ist, um Fugen zwischen zwei Fahrzeugflächen im Inneren oder außerhalb des Fahrzeuges abzudecken.
Das aktive Material kann in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zumindest eine Eigenschaft ändern und nach Unterbrechen des Aktivierungssignals zu dem ursprünglichen Zustand der zumindest einen Eigenschaft zurückkehren, oder für jene Klassen von aktiven Materialien, die nach Unterbrechen des Aktivierungssignals nicht automatisch zurückkehren, können alternative Mittel verwendet werden, um die aktiven Materialien in ihren ursprünglichen Zustand zurückzubringen. Die oben angeführten geeigneten aktiven Materialien zur Verwendung in Abdeckvorrichtungen werden unten stehend in größerem Detail erläutert.
Mit der Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials gekoppelt und in funktioneller Verbindung mit dieser ist eine Aktivierungsvorrichtung, die mit einem Steuerungssystem verbunden sein kann. Die Aktivierungsvorrichtung dient dazu, ein Aktivierungssignal selektiv an die Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials bereitzustellen und ein Merkmal der Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials durch Ändern zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials zu ändern. Zum Beispiel kann das aktive Material die Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials abhängig davon, ob jemand einen Knopf drückt, um das Sonnendach des Fahrzeuges zu öffnen, zurückziehen oder ausfahren. Die Aktivierungsvorrichtung stellt nach Bedarf das/den Aktivierungssignal oder Stimulus an das aktive Material der Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials bereit, um die Änderung eines oder mehrerer Merkmale zumindest eines Abschnitts der Vorrichtung zu bewirken. In einer Ausführungsform bleibt die Änderung eines Merkmals im Allgemeinen für die Dauer des angelegten Aktivierungssignals erhalten. Nach Unterbrechen des Aktivierungssignals kehrt das aktive Material allgemein in eine deaktivierte Form zurück und kehrt im Wesentlichen zu der ursprünglichen zumindest einen Eigenschaft zurück und bringt somit die Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials zu dem/den ursprünglichen Merkmal und/oder Merkmalen zurück. Wenn hingegen die äußere Kraft und/oder Belastung zum Zeitpunkt der Deaktivierung angelegt wird, wird die Eigenschaft nach einer Deaktivierung in der neuen gewünschten Form gesperrt. Auf diese Weise können vorteilhafterweise eine Reversibilität und mehrere Rückstellungen der Abdeckanordnungen auf der Basis eines aktiven Materials erfolgen.
Das durch die Aktivierungsvorrichtung bereitgestellte Aktivierungssignal kann ein Wärmesignal, ein magnetisches Signal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Signal, ein chemisches Signal und dergleichen und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden Signale umfassen, wobei das spezielle Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Ausgestaltung des aktiven Materials abhängig ist. Zum Beispiel kann ein Wärmesignal angelegt werden, um die Eigenschaft des aus einer SMA und/oder einem SMP hergestellten aktiven Materials zu ändern. Ein elektrisches Signal kann angelegt werden, um die Eigenschaft des aktiven Materials zu ändern, das aus einem EAP und/oder elektronischen EAPs hergestellt ist. Ein magnetisches Feld kann angewendet (entfernt oder geändert) werden, um die Eigenschaft des aus magnetostriktiven Materialien wie z. B. MSMA und MR-Elastomeren oder hergestellten aktiven Materials oder durch eine andere Art von Steuerungssystem zu ändern.
Die Aktivierungsvorrichtung kann auf mehrere Arten betrieben werden. Zum Beispiel könnte in einer Ausführungsform die Verwendung eines Fernbedienungsschlüsselanhängers zum Zusperren/Aufsperren einer Fahrzeugtür auch ausgebildet sein, um das Aktivierungssignal zu initiieren und ein Abdecken/Freilegen der Fuge bewirken. Ebenso könnte ein drahtloser Signalgeber in dem Schlüsselanhänger in Kombination mit einem Aktivierungsvorrichtungssensor verwendet werden, um das aktive Material automatisch zu aktivieren, wenn der Schlüsselanhänger in die physikalische Nähe der Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials gebracht wird, wodurch die Notwendigkeit beseitigt ist, Schlüsselanhängerknöpfe zu drücken. In einer weiteren Ausführungsform könnte das Aktivierungssignal manuell aktiviert werden. Zum Beispiel könnte das Einsetzen des Fahrzeugschlüssels in das Türschloss oder die Verwendung eines inneren Türgriffes das Aktivierungssignal aktivieren. Ebenso könnte ein Druckknopf oder dergleichen neben der Fuge angeordnet sein, wobei ein Niederdrücken des Druckknopfes das Aktivierungssignal aktiviert, um die Fuge freizulegen. Bei jedem der oben stehenden Verfahren zum Aktivieren des aktiven Materials kann das Aktivierungssignal durch Unterbrechen einer Zeitsteuerung in Verbindung mit der Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials oder durch einen Sensor in funktioneller Verbindung mit der Vorrichtung oder durch das Auftreten eines bestimmten Ereignisses wie z. B. ein Öffnen und Schließen der Fahrzeugtür, um das Aktivierungssignal zu deaktivieren und die Vorrichtung in die Position zurückzusetzen, in der die Fuge abgedeckt ist, ausgeschaltet werden.
Unabhängig davon, um welchen Aktivierungsmodus es sich handelt, ist es vorteilhaft, wenn die Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials die Fuge abdeckt, wenn sie sich in dem passiven Modus befindet, d. h., wenn kein/e Energie oder Aktivierungssignal an die Vorrichtung angelegt ist. Wenn die Vorrichtung die Fuge abdeckt und kein Aktivierungssignal an das aktive Material angelegt ist, dann ist keine Energie für die andauernde Abdeckung der Fuge erforderlich. Anders ausgedrückt, die einzige Energie, die die Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials benötigt, ist für die kurze Dauer, in der die Vorrichtung die Fuge freilegen muss, wie etwa zum Öffnen einer Tür im Fall eines Türblechs. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund die Fahrzeugkomponente längere Zeit als üblich freigelegt sein muss, oder wenn die Fuge zwischen zwei Flächen angeordnet ist, bei denen ein längeres Freilegen erforderlich ist, zum Beispiel zwischen dem Fahrzeugdach und dem Sonnendach, kann ein Nullleistungs-Haltemechanismus der Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials hinzugefügt sein. Der Ausdruck „Nullleistungs-Haltemechanismus” gilt für jede Vorrichtung, die in der Lage ist, den bewegbaren Körper in der freigelegten Position zu halten, d. h., die Fuge freizulegen, nachdem das Aktivierungssignal deaktiviert wurde, und umfasst ohne Einschränkung eine Verriegelung, ein Schloss, einen Anschlag und dergleichen. Nach dem Lösen des Nullleistungs-Haltemechanismus kehrt das aktive Material zu der ursprünglichen zumindest einen Eigenschaft zurück. Die unten stehend beschriebenen Ausführungsformen sind rein beispielhaft und sollen auf kein/e bestimmte/s Form, Größe, Abmessung oder Konfiguration, Material oder dergleichen beschränkt sein. Auch kann die Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials durch Aktivieren (oder Deaktivieren) des Signals erhalten werden und kann durch Deaktivieren (oder Aktivieren) des Signals, je nach Anordnung und dem Standardzustand der Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials, zu dem ursprünglichen Zustand zurückkehren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials zumindest einen Sensor in funktioneller Verbindung mit der Vorrichtung und/oder dem aktiven Material, wobei der Sensor geeignet ist, um Signale zu übertragen, die zumindest einen Fahrzeugzustand angeben. Ein Fahrzeugzustand kann bedeuten, wenn das Fahrzeug geparkt oder in Bewegung ist, oder wenn ein Teil oder Zubehör des Fahrzeuges zwischen Zuständen wechselt, z. B. wenn eine Tür offen oder geschlossen ist. Diese Ausführungsform kann ferner einen Controller umfassen, der funktionell mit dem Sensor und der Aktivierungsvorrichtung verbunden ist, wobei der Controller derart programmiert und ausgeführt ist, dass er die Aktivierungsvorrichtung dazu bringt, ein Aktivierungssignal an das aktive Material bereitzustellen, wenn die Sensorsignale einen vorbestimmten Fahrzeugzustand oder eine erforderliche Konfiguration der beiden Flächen anzeigen. Die Größenordnung der geänderten Eigenschaft sowie ihr(e) Änderungsrate (oder -profil) kann durch das Steuerungssystem bestimmt sein.
Das aktive Material kann jedes aus einer Vielzahl von aktiven Materialien umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Formgedächtnismaterialien, z. B. Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, und elektroaktive Polymere, Polymermetallverbundstoffe, leitfähige Polymere und piezoelektrisches Material, magnetorheologische (MR) Verbundstoffe wie z. B. MR-Elastomere und andere derartige Materialien, die eine Änderung in zumindest einer Eigenschaft nach Empfang eines Aktivierungssignals zeigen können. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf ein bestimmtes aktives Material und/oder Kombinationen von aktiven Materialien beschränkt sein. Ebenso soll die vorliegende Offenlegung nicht auf ein bestimmtes Aktivierungssignal beschränkt sein. Das spezielle Aktivierungssignal oder Kombinationen davon wird/werden von der Empfindlichkeit des aktiven Materials und/oder des bevorzugten Verfahrens und/oder der Rate oder den Grad der Änderung (oder des Profils) der benötigten Eigenschaft abhängig sein. Zum Beispiel kann eine SMA unter Verwendung von Ohmscher (elektrischer Widerstands) Erwärmung und/oder konvektiv unter Verwendung von Fluiderwärmung thermisch aktiviert werden.
Um die verschiedenen Arten besser zu verstehen, auf die eine Abdeckvorrichtung aktive Materialien verwenden kann, um eine Fuge zwischen zwei Flächen reversibel abzudecken, ist es notwendig, das Wesen und die Funktionsweise der wünschenswerten aktiven Materialien zu verstehen. Wie zuvor erwähnt, umfassen geeignete aktive Materialien für die Abdeckvorrichtungen auf der Basis eines aktiven Materials ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen („SMAs”; z. B. thermisch und spannungsaktivierte Formgedächtnislegierungen und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA)), elektroaktive Polymere (EAPs) wie z. B. dielektrische Elastomere, ionische Polymermetallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramik) und Formgedächtnispolymere (SMPs), Formgedächtniskeramik (SMCs), Baroplastik, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), Zusammensetzungen der vorhergehenden aktiven Materialien mit nicht aktiven Materialien, Systeme, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen, und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen. Der Einfachheit halber und beispielhaft wird hierin auf Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere Bezug genommen. Die Formgedächtniskeramik, Baroplaste und dergleichen kann/können auf eine ähnliche Weise verwendet werden. Zum Beispiel bewirkt bei Baroplasten eine druckinduzierte Vermischung von Nanophasendomänen von Komponenten hoher und niedriger Glasübergangstemperatur (Tg) die Formänderung. Ein Baroplast kann bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung verarbeitet werden. SMCs sind ähnlich wie SMAs, sind jedoch in der Lage, wesentlich höheren Betriebstemperaturen standzuhalten als andere Formgedächtnismaterialien. Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Die Fähigkeit von Formgedächtnismaterialien, nach dem Anlegen oder Entfernen äußerer Reize in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, hat zu ihrer Verwendung in Aktuatoren geführt, um Kraft aufzubringen, die zu einer gewünschten Bewegung führt. Aktuatoren aus einem aktiven Material bieten die Möglichkeit einer Reduktion der Größe, des Gewichts, des Volumens, der Kosten, des Lärms des Aktuators und einer Erhöhung der Robustheit im Vergleich zu traditionellen elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Ferromagnetische SMAs zum Beispiel zeigen schnelle Abmessungsänderungen von bis zu mehreren Prozent in Ansprechen auf ein angelegtes magnetisches Feld (und proportional zu seiner Stärke). Diese Änderungen sind jedoch Änderungen in eine Richtung und nutzen die Aufbringung entweder einer Vorspannkraft oder einer Feldumkehr, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit mindestens zwei verschiedenen temperaturabhängigen Phasen oder Polarität. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Martensit-Anfangstemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, in den Martensit überzugehen, wird oft als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Der Bereich zwischen As und Af wird oft als der Martensit-zu-Austenit-Übergangstemperaturbereich bezeichnet, während der zwischen Ms und Mf oft als der Austenit-zu-Martensit-Übergangstemperaturbereich bezeichnet wird. Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Allgemein steigen diese Temperaturen mit steigender Spannung. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unterhalb der Austenit-Anfangstemperatur (bei oder unterhalb von As). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenit-Anfangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnismaterial-Probe beginnt, bis zur Fertigstellung bei der Austenit-Endtemperatur in ihre ursprüngliche (nicht gespannte) permanente Form zurückzukehren. Somit ist ein geeigneter/s Aktivierungseingang- oder -signal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die ausreicht, um die temperaturabhängigen Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert (d. h. ihre ursprüngliche, nicht gespannte Form), wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess kann über einen Bereich von nur wenigen Grad stattfinden oder eine allmählichere Wiederherstellung über einen größeren Temperaturbereich zeigen. Der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann innerhalb mehrerer Grade, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und stellen typischerweise einen Formgedächtniseffekt und einen superelastischen Effekt bereit. Zum Beispiel wird in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können durch Neuausrichtung der Kristallstrukturanordnung mit der aufgebrachten Spannung große Verformungen durchmachen. Das Material behält diese Form, nachdem die Spannung entfernt wurde. Anders ausgedrückt, durch Spannung induzierte Phasenänderungen in der SMA erfolgen von der Art her in zwei Richtungen; die Aufbringung von ausreichend Spannung, wenn sich eine SMA in ihrer Austenitphase befindet, wird eine Änderung in ihre Martensitphase mit niedrigerem Modul bewirken. Das Entfernen der aufgebrachten Spannung wird bewirken, dass die SMA in ihre Austenitphase zurückschaltet und damit ihre Anfangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Beispielhafte Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich der beabsichtigten Anwendung abhängig.
Die Rückverformung in die Austenitphase bei einer höheren Temperatur ist begleitet von sehr großen Spannungen (im Vergleich mit denen, die erforderlich sind, um das Material zu verformen), die so hoch sein können wie die natürliche Fließgrenze des Austenitmaterials, manchmal bis zu dem Dreifachen oder mehr der verformten Martensitphase. Für Anwendungen, die eine große Anzahl von Betriebszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger als oder gleich 4% oder dergleichen der verformten Länge des verwendeten Drahtes erhalten werden. MSMAs sind Legierungen, die oft aus Ni-Mn-Ga bestehen und die Form infolge einer durch ein magnetisches Feld induzierten Dehnung ändern. MSMAs besitzen interne Varianten mit verschiedenen magnetischen und kristallographischen Orientierungen. In einem magnetischen Feld ändern sich die Proportionen dieser Varianten, was zu einer Änderung der gesamten Form des Materials führt. Ein MSMA-Aktuator erfordert allgemein, dass das MSMA-Material zwischen den Spulen eines Elektromagneten angeordnet wird. Der elektrische Strom, der durch die Spule fließt, induziert ein magnetisches Feld durch das MSMA-Material, das eine Änderung der Form bewirkt.
Wie zuvor erwähnt, sind weitere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere (SMPs). „Formgedächtnispolymer” bezieht sich allgemein auf ein Polymermaterial, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. eines Moduls, einer Abmessung, eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, einer optischen Eigenschaft (z. B. Lichtdurchlässigkeit), oder einer Kombination, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften in Kombination mit einer Änderung in seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie umfasst, zeigt. Formgedächtnispolymere können wärmeempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal bewirkt, das entweder direkt über eine Wärmezufuhr oder -abfuhr oder indirekt über eine Schwingung mit einer Frequenz, die geeignet ist, um hohe Schwingungsamplituden auf dem Molekularniveau anzuregen, die zu einer inneren Wärmeerzeugung führen, geliefert wird), fotoempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein elektromagnetisches Strahlungsaktivierungssignal bewirkt), feuchtigkeitsempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal wie z. B. Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser bewirkt), chemisch empfindlich (d. h., empfindlich gegenüber einer Veränderung der Konzentration einer oder mehrerer chemischer Spezies in seiner Umgebung, z. B. der Konzentration an H+-Ionen, also des pH der Umgebung) oder eine Kombination sein, die zumindest eines der vorhergehenden umfasst.
Im Allgemeinen sind SMPs phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei verschiedene Einheiten umfassen, welche so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente innerhalb des SMPs definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMPs beiträgt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Segment” auf einen Block, einen Pfröpfling oder eine Sequenz desselben oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann (semi-)kristallin oder amorph sein und weist eine/n entsprechende/n Schmelzpunkt bzw. eine Glasübergangstemperatur (Tg) auf. Der Begriff „Wärmeumwandlungstemperatur” wird hierin einfacherweise verwendet, um allgemein entweder auf eine Tg oder einen Schmelzpunkt Bezug zu nehmen, je nachdem, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMPs, die (n) Segmente umfassen, kann gesagt werden, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere Wärmeumwandlungstemperatur aufweist als jedes weiche Segment. Somit weist das SMP (n) Wärmeumwandlungstemperaturen auf. Die Wärmeumwandlungstemperatur des harten Segments wird als die „letzte Übergangstemperatur” bezeichnet und die niedrigste Wärmeumwandlungstemperatur des so genannten „weichsten” Segments wird als die „erste Übergangstemperatur” bezeichnet. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch dieselbe Wärmeumwandlungstemperatur, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, gekennzeichnet sind, gesagt werden kann, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann durch ein nachfolgendes Abkühlen des SMPs unter diese Temperatur festgelegt oder ins Gedächtnis eingeprägt werden. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „ursprüngliche Form”, „vorher definierte Form”, „vorbestimmte Form” und „permanente Form” gleichbedeutend und sollen untereinander austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als eine Wärmeumwandlungstemperatur eines jeglichen weichen Segments ist, jedoch unter der letzten Übergangstemperatur liegt, eine äußere Spannung oder Belastung aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und es dann unter die bestimmte Wärmeumwandlungstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Belastung aufrechterhalten wird.
Die permanente Form kann wiedererlangt werden, indem das Material, während die Spannung oder Belastung entfernt ist, über die bestimmte Wärmeumwandlungstemperatur des weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur, erwärmt wird. Es sollte somit einzusehen sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen zu zeigen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen zu zeigen. In ähnlicher Weise wird bei Verwendung eines Ansatzes mit einer Schichtung oder einem Verbund eine Kombination aus mehreren SMPs Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material auch als ein Aktuator ausgebildet sein, um ein schnelles Ausfahren vorzusehen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch” verwendet, um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Piezoelektrische Materialien zeigen eine geringe Änderung in den Abmessungen, wenn sie der angelegten Spannung unterworfen werden; wobei das Ansprechen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional ist und sehr schnell erfolgt (in der Lage ist, den Bereich von tausend Hertz ohne weiteres zu erreichen). Da ihre Abmessungsänderung gering ist (z. B. kleiner als 0,1%), werden sie, um das Ausmaß ihrer Abmessungsänderung drastisch zu erhöhen, üblicherweise in Form von piezokeramischen unimorphen und bimorphen flachen Patch-Aktuatoren verwendet, die derart aufgebaut sind, dass sie sich beim Anlegen einer relativ niedrigen Spannung in eine konkave oder konvexe Form verbiegen.
Ein Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer/m flexiblen Metallfolie oder -streifen verbunden ist, die/der durch das piezoelektrische Element stimuliert wird, wenn sie/er mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Wölbung oder Auslenkung führt, wenn sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktuatorbewegung für einen Unimorph kann durch Zusammenziehung oder Ausdehnung erfolgen. Unimorphe können eine Dehnung bis zu einer Höhe von etwa 10% zeigen, jedoch können sie im Allgemeinen nur geringen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst eine bimorphe Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen geschichtet angeordnet ist. Bimorphe zeigen mehr Verschiebung als Unimorphe, da sich ein keramisches Element unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu etwa 20% zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie Unimorphe, keinen hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Beispielhafte piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere umfassen Polynatrium-4-Styrolsulfonat (PSS), Poly S-119 (Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid (PVDF), sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF”), Trifluorethylen (TrFE) und ihre Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenchlorid (PVC2) und ihre Derivate; Polyacrylonitrile (PAN) und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure (PMA) und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane (PUE) und ihre Derivate; Biopolymermoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide und Polyetherimid (PEI) und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon) (PVP)-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat (PVAc)-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten, sowie Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metall-Legierungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, und Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen; sowie Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
MR-Fluide sind eine Klasse von intelligenten Materialien, deren rheologische Eigenschaften sich beim Anlegen eines magnetischen Feldes schnell ändern können (z. B. können Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb von Millisekunden erfolgen), was sie sehr geeignet zum Einsperren (Einschränken) oder Zulassen der Entspannung von Formen/Verformungen durch eine deutliche Änderung ihrer Scherfestigkeit macht, wobei solche Änderungen nutzbringend zum Ergreifen und Freigeben von Gegenständen in hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen auch magnetorheologische (MR) und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wie unten beschrieben) in einem Polymer (z. B. einem duroplastischen elastischen Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden.
Die Steifigkeit und unter Umstanden die Form der Polymerstruktur wird/werden erzielt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des angelegten magnetischen Feldes variiert wird. Die MR-Polymere entwickeln ihre Steifigkeit typischerweise, wenn sie einem magnetischen Feld so kurz wie einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden, wobei die Steifigkeits- und Formänderungen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem magnetischen Feld ausgesetzt, kehrt sich der Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück.
MR-Fluide zeigen eine Scherfestigkeit, die proportional zu der Größe eines angelegten magnetischen Feldes ist, wobei die Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb von Millisekunden bewirkt werden können. Wenngleich auch bei diesen Materialien die Probleme beim kompakten Unterbringen der zum Erzeugen des angelegten Feldes erforderlichen Spulen bestehen, können sie als Sperr- oder Freigabemechanismus für z. B. ein federbasiertes Ergreifen/Freigeben verwendet werden.
Geeignete MR-Fluidmaterialien umfassen ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Träger, z. B. in einer Menge von etwa 5,0 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 50 Vol.-% auf der Basis des Gesamtvolumens der MR-Zusammensetzung, dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenoxide (umfassend Fe₂O₃ und Fe₃O₄); Eisennitrid Eisencarbid Carbonyleisen; Nickel; Kobalt; Chromdioxid; und Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen, z. B. Nickellegierungen; Kobaltlegierungen; Eisenlegierungen wie z. B. Edelstahl, Siliziumstahl, wie auch andere, einschließlich Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer.
Die Partikelgröße sollte so gewählt sein, dass die Partikel Eigenschaften mehrerer magnetischer Domänen zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt sind. Die Partikeldurchmesser (z. B. wie entlang einer Hauptachse des Partikels gemessen) können kleiner oder gleich etwa 1000 Mikrometer (μm) sein (z. B. etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer) oder im Spezielleren etwa 0,5 bis etwa 500 Mikrometer und im Spezielleren etwa 1 bis etwa 100 Mikrometer.
Die Viskosität des Trägers kann weniger als oder gleich etwa 100.000 Centipoise (cPs) betragen (z. B. etwa 1 cPs bis etwa 100.000 cPs) oder im Spezielleren etwa 250 cPs bis etwa 10.000 cPs oder noch spezieller etwa 500 cPs bis etwa 1000 Centipoise. Mögliche Träger (z. B. Trägerfluide) umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nicht polare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen Öle (z. B. Silikonöle, Mineralöle, Paraffinöle, Weißöle, Hydrauliköle, Transformatoröle und synthetische Kohlenwasserstofföle (z. B. ungesättigte und/oder gesättigte)); halogenierte organische Flüssigkeiten (wie z. B. chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe); Diester; Polyoxyalkylene; Silikone (z. B. fluorierte Silikone); Cyanoalkylsiloxane; Glykole; und Kombinationen, die zumindest einen der angeführten Träger umfassen.
Es können auch wässrige Träger verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile mineralische Tone wie z. B. Bentonit oder Hektorit umfassen. Der wässrige Träger kann Wasser oder Wasser, das ein polares, wassermischbares organisches Lösungsmittel (z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Azeton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen) umfasst, wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest einen der angeführten Träger umfassen. Die Menge an polarem organischem Lösungsmittel in dem Träger kann weniger als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% (z. B. etwa 0,1 Vol.-% bis etwa 5,0 Vol.-%) auf der Basis des Gesamtvolumens des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 1,0 Vol.-% bis etwa 3,0 Vol.-% betragen. Der pH des wässrigen Trägers kann weniger als oder gleich etwa 13 (z. B. etwa 5,0 bis etwa 13) oder im Spezielleren etwa 8,0 bis etwa 9,0 betragen.
Wenn die wässrigen Träger natürlichen und/oder synthetischen Bentonit und/oder Hektorit umfassen, kann die Menge an Ton (Bentonit und/oder Hektorit) in dem MR-Fluid weniger als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent (Gew.-%) auf der Basis eines Gesamtgewichts des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 8,0 Gew.-% oder im Spezielleren etwa 1,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% oder noch spezieller etwa 2,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% betragen.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone (z. B. organophile Tone), Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionshemmer, Schmiermittel, Antiverschleißadditive, Antioxidantien, thixotrope Mittel und/oder Antiabsetzmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphthenat, Eisenstearat, Aliuminiumdi- und tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und/oder Natriumstearat; oberflächenaktive Substanzen (z. B. Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester) und Haftvermittler (z. B. Titanat, Aluminat und Zirkonat); wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Auch Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise veresterte Polyole können inkludiert sein.
Elektrorheologische (ER) Fluide sind MR-Fluiden insofern ähnlich, als sie eine Änderung der Scherfestigkeit zeigen, wenn sie einem angelegten Feld, in diesem Fall eher einer Spannung als einem magnetischen Feld, ausgesetzt sind. Das Ansprechen erfolgt schnell und proportional zu der Stärke des angelegten Feldes.
Elektronische elektroaktive Polymere (EAPs) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Ein Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sie sich in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen ein Ansprechen, das proportional zu dem angelegten Feld ist, und können mit hohen Frequenzen betätigt werden. Formverändernde EAP-Laminatfolien wurden demonstriert. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie angelegte Spannungen benötigen, die um ungefähr drei Größenordnungen höher sind als jene, die von einer Piezoelektrik benötigt werden. Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer und/oder Gummi umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, druckempfindliche Haftmittel, Fluorelastomere und Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen (z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer und dergleichen).
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (z. B. für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder im Spezielleren zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 oder im Spezielleren zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein, die z. B. eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der mit Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, können fügsam sein und sich der sich verändernden Form des Polymers anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, strukturierte Elektroden, leitfähige Pasten (wie z. B. Kohlepasten und Silberpasten), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis (wie z. B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionisch leitfähigen Materialien) wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Elektrodenmaterialien können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, Metalle (einschließlich Silber und Gold), gefüllte Gele und Polymere (z. B. silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere) und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere wie auch Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Magnetostriktiva sind Festkörper, die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren magnetischen Feld unterworfen werden. Dieses Phänomen der Magnetostriktion wird den Rotationen von kleinen magnetischen Domänen in den Materialien zugeschrieben, die zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Die Formänderung ist am größten bei ferromagnetischen oder ferromagnetischen Festkörpern. Diese Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei die Dehnung proportional zu der Stärke des angelegten magnetischen Feldes ist, und sie kehren nach dem Entfernen des Feldes in ihre Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien besitzen jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Abdeckvorrichtung 10 auf der Basis eines aktiven Materials umfasst ein aktives Material wie z. B. SMA-Drähte 12, die einen bewegbaren Körper 14 funktionell mit einer ersten Fläche 16 verbinden. Die SMA-Drähte 12 sind ausgebildet, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren. Die Änderung zumindest einer Eigenschaft ist wirksam, um den bewegbaren Körper 14 von einer ersten Position (wie in 1(a) gezeigt), in der eine Fuge 16 zwischen der ersten Fläche 18 und einer zweiten Fläche 20 abgedeckt ist, in eine zweite Position (wie in 1(b) gezeigt) überzuführen, in der die Fuge 16 zwischen den Flächen freigelegt ist und der bewegbare Körper 14 in einer Nut, einem Hohlraum oder dergleichen an der ersten Fläche 18 verstaut ist. In einem weiteren Beispiel kann der bewegbare Körper 14 einfach hinter der ersten Fläche 18 verborgen sein. Vorspannmechanismen 22 stehen ebenfalls in funktioneller Verbindung mit dem bewegbaren Körper 14 und der ersten Fläche 18. Die Vorspannmechanismen 22 sind ausgebildet, um den bewegbaren Körper 14 nach Beenden des Aktivierungssignals an die SMA-Drähte 12 in die ersten Position zurückzubringen, die die Fuge abdeckt. In dieser Ausführungsform weisen die Vorspannmechanismen 22 die Form von Vorspannfedern auf.
Eine Aktivierungsvorrichtung 24 kann verwendet werden, um das Aktivierungssignal an die SMA-Drähte 12 zu liefern. Ebenso können ein Controller 26 und ein Sensor 28 in funktioneller Verbindung mit der Aktivierungsvorrichtung 24 verwendet werden, sodass alle Komponenten miteinander und mit der Abdeckvorrichtung 10 auf der Basis eines aktiven Materials arbeiten, um die Änderungen zumindest einer Eigenschaft der SMA-Drähte 12 zu initiieren. In einer optionalen Ausführungsform folgt die Deaktivierung der SMA-Drähte 12 dem Einrücken eines Nullleistungs-Haltemechanismus 30, wie z. B. eines Anschlags, eines Schlosses, einer Sperre, einer Verriegelung oder dergleichen, der/das/die ausgebildet ist, um den bewegbaren Körper 14 vorteilhafterweise in einer gewünschten Position zu halten; in diesem Fall der verstauten Position, in der die Fuge freigelegt ist. Wenn es gewünscht ist, kann der Nullleistungs-Haltemechanismus gelöst werden und der Vorspannmechanismus 22 führt den bewegbaren Körper 14 in die erste Position über, in der die Fuge abgedeckt ist.
Im Betrieb werden die SMA-Drähte 12, die bei Raumtemperatur martensitisch sind, durch eine elektrische Widerstandsheizung (elektrische Drähte, nicht gezeigt) in ihren Austenitzustand erwärmt und ziehen sich in einer Längendimension zusammen. Die Kontraktion ist wirksam, um die Rückhaltekraft zu überwinden, die durch die Vorspannmechanismen 22 ausgeübt wird, die zwischen der ersten Fläche 18 und dem bewegbaren Körper 14 befestigt sind, und der bewegbare Körper 14 wird von der die Fuge abdeckenden Position in eine verstaute Position überführt, in der die Fuge 16 freigelegt ist. In dieser Ausführungsform müssten die SMA-Drähte 12 ohne den Nullleistungs-Haltemechanismus 30 kontinuierlich erwärmt werden, selbst nachdem der bewegbare Körper 14 in der zweiten Position verstaut ist, um eine Umkehr der SMA-Drähte 12 in den weichen, martensitischen Zustand zu verhindern, in dem die Vorspannmechanismen 22 die SMA-Drähte dehnen und den bewegbaren Körper 14 in die ausgefahrene, erste Position zurückbringen würde.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Abdeckvorrichtung 100 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. Die Abdeckvorrichtung 100 auf der Basis eines aktiven Materials kann zwischen zwei Flächen (nicht gezeigt) verwendet werden, wobei eine Fläche eine Schwingdeckelplatte ist. Die Abdeckvorrichtung 100 auf der Basis eines aktiven Materials umfasst einen Körper 102 aus einem aktiven Material wie z. B. eine Abdeckklappe. Ein oder mehrere Drähte 104 ist/sind in dem Körper 102 aus einem aktiven Material eingebettet, um ein Aktivierungsmittel vorzusehen. Bei Verwendung z. B. eines SMP ist der Körper 102 aus einem aktiven Material eine SMP-Matrix und der eine oder die mehreren Drähte 104 ist/sind ein eingebettetes Gitter aus leitfähigen Drähten für eine thermische Aktivierung der Matrix in der Form einer Widerstandsheizung. Wie oben ausgeführt, kann/können ein Controller und/oder Sensor verwendet werden, um zu bewirken, dass Strom durch den/die eingebetteten einen Draht oder mehreren Drähte 104 fließt, z. B., wenn die Tür entriegelt ist. Der Stromfluss bewirkt, dass der Körper 102 aus einem aktiven Material 102 eine Änderung zumindest einer Eigenschaft erfährt. In dem Fall der SMP-Matrix ist die Änderung eine Formänderung, wobei sich die Matrix von der Fuge (wie durch die unterbrochenen Linien in 2 angezeigt) nach außen krümmt und eine gelernte Form höherer Temperatur annimmt. Das Ergebnis besteht darin, dass die Fuge (nicht gezeigt) freigelegt und zugelassen wird, dass die Tür oder eine andere Schwingdeckelplatte geöffnet wird. Wenn überdies die Tür oder eine andere Schwingdeckelplatte geschlossen und verriegelt ist, kann der Controller den Strom unterbrechen und zulassen, dass der Körper 102 aus einem aktiven Material abkühlt, wodurch der Spalt gerade gerichtet und abgedeckt wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Änderung zumindest einer Eigenschaft des Körpers 102 aus einem aktiven Material umgekehrt werden, sodass ein Erwärmen erforderlich ist, um die Fuge abzudecken und die Umkehr zu einer niedrigen Temperatur wird bewirken, dass die Fuge freigelegt wird. In beiden Fällen kann die Änderung der zumindest einen Eigenschaft des Körpers 102 aus einem aktiven Material nach der Unterbrechung des Aktivierungssignals bestehen bleiben. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Abdeckvorrichtung 100 aus einem aktiven Material ferner einen Nullleistungs-Haltemechanismus wie z. B. eine Verriegelung, ein Schloss, einen Anschlag oder dergleichen, wie oben beschrieben, um die Änderung des Körpers 102 aus einem aktiven Material aufrechtzuerhalten. Nach dem Lösen des Nullleistungs-Haltemechanismus kehrt der Körper 102 aus einem aktiven Material zu der ursprünglichen zumindest einen Eigenschaft zurück. Auf diese Weise kann sich der Körper 102 aus einem aktiven Material in Ansprechen auf das Aktivierungssignal krümmen und die Krümmung bis zum Freigeben des Nullleistungs-Haltemechanismus beibehalten, wonach der Körper 102 aus einem aktiven Material sich zurückstellen und gerade richten wird. Des Weiteren kann die Abdeckvorrichtung 100 aus einem aktiven Material wiederhergestellt und in eine gewünschte Form zurückgebracht werden, indem der Körper 102 aus einem aktiven Material auf die geeignete Temperatur erwärmt wird. Auf diese Weise kann eine Abdeckvorrichtung auf der Basis eines aktiven Materials, die unbeabsichtigt verformt wird, wie z. B. während eines Aufprallereignisses, wiederhergestellt und in eine gewünschte Form zurückgebracht werden, indem der geeignete Temperaturbereich aufgebracht wird. Die Auswahl des Materials, das den Körper 102 aus einem aktiven Material umfasst, wird durch die gewünschte Anwendung bestimmt sein und wird für einen Fachmann auf dem Gebiet bekannt sein.
Wendet man sich nun 3 zu, ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Abdeckvorrichtung 200 auf der Basis eines aktiven Materials gezeigt. Die Abdeckvorrichtung 200 auf der Basis eines aktiven Materials umfasst ein aktives Material 202 in der Form von z. B. Spiralfedern in funktioneller Verbindung mit einer Abdeckklappe 204. In dieser Ausführungsform kann das aktive Material 202 außen entweder direkt oder entfernt mit einer Fläche der Abdeckklappe 204 verbunden sein. Ferner ist die Abdeckklappe 204 mit einem hohlen Rohr 206 gekoppelt, sodass das hohle Rohr sich frei um seine Achse drehen kann. Ein Federmechanismus 208 und das aktive Material 202 sind beide auf entgegengesetzte Weise mit dem hohlen Rohr 206 gekoppelt, sodass sich deren jeweilige Spannungen ausgleichen. Auf diese Weise wird die Drehung des hohlen Rohres 206 über ein äußeres Mittel die Spannung in dem Einen erhöhen und gleichzeitig die Spannung in dem Anderen reduzieren. Wenn es gewünscht ist, führt die Spannung in dem Federmechanismus 208 in Kombination mit dem deaktivierten aktiven Material 202 bei Bedarf oder in Ansprechen auf einen Sensoreingang zu einer Drehung der Abdeckklappe 204 um das hohle Rohr 206 herum, um eine Fuge zwischen zwei Flächen (nicht gezeigt) abzudecken. Um die Fuge freizulegen, wird ein Aktivierungssignal an das aktive Material 202 gesendet. Zum Beispiel wird im Fall von SMA-Drähten die Temperatur der Drähte durch eine Widerstandsheizung erhöht, um eine Phasenänderung in der SMA von der Martensitphase in die Austenitphase zu erzeugen. Die SMA-Drähte ziehen sich in einer Längenabmessung zusammen und die Steifigkeit nimmt zu. Die Längenkontraktion und die Steifigkeitszunahme sind wirksam, um die Abdeckklappe 204 zu drehen, d. h. die Drehung des hohlen Rohres 206 und das Strecken des Federmechanismus 208 zu bewirken. Wiederum kühlt das aktive Material 202 nach Unterbrechung des Aktivierungssignals, z. B. der Widerstandsheizung, in die Martensitphase ab und der gestreckte Federmechanismus 208 bringt die Abdeckklappe 204 in eine Abdeckposition zurück. In einer weiteren Ausführungsform kann die Änderung zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials 202 nach Unterbrechung des Aktivierungssignals bestehen bleiben. In dieser Ausführungsform umfasst die Abdeckvorrichtung 200 auf der Basis eines aktiven Materials ferner einen Nullleistungs-Haltemechanismus, so wie oben beschrieben, um die Änderung des aktiven Materials 202 aufrechtzuerhalten. Nach Lösen des Nullleistungs-Haltemechanismus kehrt die Abdeckvorrichtung 200 auf der Basis eines aktiven Materials, abhängig von der Konfiguration des aktiven Materials und der Ausgangsposition der Vorrichtung, in ihre ursprüngliche Abdeck- und/oder Freilegungsposition zurück. Wie zuvor erläutert, können eine Aktivierungsvorrichtung, ein Controller und/oder Sensor miteinander und mit der Abdeckvorrichtung 200 auf der Basis eines aktiven Materials arbeiten, um die Änderungen zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials 202 zu initiieren.

Claims

Vorrichtung (10, 100, 200) zum Abdecken einer Fuge (16) zwischen einer ersten Fläche (18) und einer zweiten Fläche (20), die umfasst: einen bewegbaren Körper (14, 204), der fest an der ersten Fläche (18) oder an der zweiten Fläche (20) angebracht ist, wobei der bewegbare Körper (14, 204) ausgebildet ist, um zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu wechseln, um die Fuge (16) abzudecken und freizugeben; und ein aktives Material (12, 102, 202) in funktioneller Verbindung mit dem bewegbaren Körper (14, 204), wobei das aktive Material (12, 102, 202) ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung der zumindest einen Eigenschaft wirksam ist, um den bewegbaren Körper (14, 204) von der ersten Position in die zweite Position überzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen von dem aktiven Material (12, 102, 202) verschiedenen Nullleistungs-Haltemechanismus (30) umfasst, der ausgebildet ist, um den bewegbaren Körper (14, 204) nach Deaktivierung des Aktivierungssignals in der ersten Position oder in der zweiten Position zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Material (12, 102, 202) eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material oder Kombinationen umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der zumindest einen Eigenschaft eine Änderung einer Form, einer Abmessung, einer Phase, einer Formorientierung, einer Steifigkeit oder Kombinationen umfasst, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Äktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, eine mechanische Belastung oder eine Kombination umfasst, die zumindest eines der vorhergehenden Aktivierungssignale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Aktivierungsvorrichtung (24), die ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material (12) zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der bewegbare Körper aus dem aktiven Material (102) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Vorspannmechanismus (22), der ausgebildet ist, um den bewegbaren Körper (14) nach Deaktivierung des Aktivierungssignals von der ersten Position oder der zweiten Position zurückzubringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der bewegbare Körper (14) in einer Nut in einer ausgewählten von der ersten Fläche (18) und der zweiten Fläche (20) verstaut ist, wenn die Fuge (16) freigelegt ist.