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Hintergrund
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Diese
Offenlegung betrifft allgemein Dachträgermerkmale und im Spezielleren
Dachträgermerkmale,
die durch aktive Materialien aktiviert werden.
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Dach/Gepäckträger werden
gegenwärtig verwendet,
um es zu gestatten, Frachten und Frachtbehälter auf den Dächern von
Fahrzeugen zu lagern. Die Befestigung von Frachten oder Frachtbehältern an
den dachträgern
kann unerwünschterweise menschliche
Arbeitskraft erfordern. Es kann z. B. eine an einem Frachtbehälter angebrachte
Klammer verwendet werden, um den Frachtbehälter an einem Dachträger zu befestigen,
wobei die Klammer physisch an einer Schiene des Dachträgers festgezogen wird.
Derzeitige Dachträger
besitzen auch den Nachteil, dass sie ästhetisch nicht ansprechend
sind.
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Ein
weiteres Problem in Verbindung mit Dachträgern besteht darin, dass die
Luftströmung über, unter
und/oder um einem/n Dachträger
herum beträchtlichen
Lärm entwickeln
kann und viele Aspekte der Fahrzeugleistung einschließlich des
Fahrzeugluftwiderstandes beeinträchtigen
kann. Der Fahrzeugluftwiderstand kann die Kraftstoffökonomie eines
Fahrzeuges beeinträchtigen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Luftströmung” auf die Bewegung von Luft
um und durch die Teile eines Fahrzeuges relativ zu entweder der
Außenfläche des
Fahrzeuges oder Flächen
von Elementen des Fahrzeuges, entlang welcher eine Außenluftströmung geleitet
werden kann, wie z. B. Flächen
im Motorraum. Der Aus druck „Luftwiderstand” bezieht
sich auf den Widerstand, der durch Reibung in einer Richtung verursacht
wird, die jener der Bewegung des Schwerpunktes für einen sich in einem Fluid
bewegenden Körper
entgegengesetzt ist.
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Es
ist daher wünschenswert,
Dachträgersysteme
zu entwickeln, an denen Frachten, Frachtbehälter etc. einfacher befestigt
werden können.
Es ist auch wünschenswert,
das Aussehen und die Aerodynamik zu verbessern und den Lärm in Verbindung
mit der Luftströmung
durch und um solche Dachträgersysteme
herum zu reduzieren.
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Zusammenfassung
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Hierin
sind durch aktive Materialien aktivierte Dachträgermerkmale offenbart. In einer
Ausführungsform
umfasst ein Dachträgersystem
ein Element in funktioneller Verbindung mit einem aktiven Material,
wobei das aktive Material ausgebildet ist, um beim Empfang eines
Aktivierungssignals eine Änderung
einer Eigenschaft zu erfahren.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst eine Abdeckungsanordnung zum Abdecken eines Dachträgers ein
Element, das ausgebildet ist, um eine erste Form und eine zweite
Form aufzuweisen, wobei die erste Form ausgebildet ist, um den Dachträger abzudecken,
und die zweite Form ausgebildet ist, um den Dachträger freizulegen;
und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Element,
wobei das aktive Material in der Lage ist, beim Empfang eines Aktivierungssignals
eine Änderung einer
Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam
ist, um das Element von der ersten Form in die zweite Form zu überführen.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
umfasst eine Luftsteuerungsvorrichtung für einen Dachträger eines
Fahrzeuges einen Körperabschnitt,
der eine Fläche
aufweist, wobei der Körperabschnitt funktionell
benachbart zu dem Dachträger
positioniert ist; und ein aktives Material in funktioneller Verbindung
mit der zumindest einen Fläche
des Körperabschnitts,
wobei das aktive Material in der Lage ist, beim Empfang eines Aktivierungssignals
eine Änderung
einer Eigenschaft zu erfahren und wobei sich eine Luftströmung über die
Luftsteuerungsvorrichtung hinweg mit der Änderung der Eigenschaft des aktiven
Materials ändert.
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Die
oben beschriebenen und weitere Merkmale sind durch die nachfolgende/n
Fig. und detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die Fig., die beispielhafte Ausführungsformen
sind und in denen gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern aufweisen,
zeigt:
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1a eine
Draufsicht eines Dachträgers, der
unter einem Dach eines Fahrzeuges vertieft und unter Abdeckklappen
verborgen ist, die durch ein aktives Material aktiviert werden;
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1b eine
Draufsicht des Dachträgers
von 1a, der über
dem Dach eines Fahrzeuges ausgefahren ist, wobei der Dachträger nicht
mehr durch die Abdeckklappen verborgen ist;
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2a eine
Seitenaufrissansicht eines Dachträgers auf der Oberseite eines
Fahrzeuges, der durch Seitenabdeckklappen verborgen ist, die durch
ein aktives Material aktiviert werden;
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2b eine
Seitenaufrissansicht des Dachträgers
von 2a, der nicht mehr durch Seitenabdeckklappen verborgen
ist;
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3a eine
perspektivische Darstellung eines Dachträgers mit einem durch ein aktives
Material aktivierten formschlüssig
sitzenden Merkmal, wobei ein Objekt auf der Oberseite des Dachträgers angeordnet
ist;
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3b eine
perspektivische Darstellung des Dachträgers von 3a,
nachdem sich das formschlüssig
sitzende Merkmal an die Form des auf der Oberseite des Dachträgers angeordneten
Objekts angepasst hat;
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4a eine
Querschnittsansicht eines variabel geformten Loches eines Dachträgers, der
eine Auskleidung an seiner Wand aufweist, die ein aktives Material
umfasst;
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4b eine
perspektivische Darstellung einer Klaue, die benachbart zu dem variabel
geformten Loch von 4a positioniert ist;
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4c eine
Querschnittsansicht des variabel geformten Loches von 4b,
nachdem seine Auskleidung die Form geändert hat, um sich der Form
der Klaue anzupassen, sodass das Loch und die Klaue verblockt sind;
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5a eine
perspektivische Darstellung einer Klaue, die ein aktives Material
umfasst; und
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5b eine
Querschnittsansicht der Klaue von 5b, die
in einem Loch eingesetzt ist, wobei sich die Form eines Endes der
Klaue geändert
hat, um sich der Form des Loches anzupassen, sodass die Klaue und
das Loch verblockt sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Es
sind hierin Dachträgermerkmale
beschrieben, die durch aktive Materialien in funktioneller Verbindung
mit den Dachträgermerkmalen
aktiviert werden können.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Dachträger” auf eine Struktur, die in
der Nähe
eines Daches eines Fahrzeuges positioniert ist, um Objekte an dem
Fahrzeug zu befestigen. Beispielhafte Dachträgermerkmale umfassen, sind jedoch
nicht beschränkt
auf eine Abdeckungsanordnung, um den Dachträger zu verbergen, eine Luftsteuerungsvorrichtung,
um Lärm
zu reduzieren und/oder die Aerodynamik des Dachträgers zu
verbessern, ein formschlüssig
sitzendes Merkmal zum Ankoppeln einer/s Fracht/Frachtbehälters an
dem Dachträger,
ein reversibles Ausfahrmerkmal, um den Dachträger auszufahren und zu verstauen,
einen Mechanismus, um die Dachträgerelemente
an dem Fahrzeug zu befestigen, und ein Greif/Eingriffs/Sperrmerkmal,
um die/den Fracht/Frachtbehälter
an dem Dachträger
zu halten, z. B. einen intelligenten Haken, um reversibel in eine
Schlaufe einzugreifen, die an der/dem Fracht/Frachtbehälter angebracht
ist, variabel geformte Löcher
zum reversiblen Verblocken mit Klauen, die an der/dem Fracht/Frachtbehälter angebracht
sind, und variabel geformte Klauen, die an der/dem Fracht/Frachtbehälter angebracht
sind, um reversibel mit Löchern
des Dachträgers
zu verblocken. Einige dieser Merkmale machen die Handhabung der
Befestigung der/des Fracht/Frachtbehälters an dem Dachträger einfacher, und
milder Bedenken, dass sich die/der Fracht/Frachtbehälter in
Reaktion auf Fahrzeugbewegungen von dem Dachträger lösen könnte. Überdies machen es einige dieser
Merkmale leichter, das Befestigen des Dachträgers an dem Fahrzeug selbst zu
erreichen, und können
sicherstellen, dass sich der Dachträger nicht von dem Fahrzeug
löst.
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Der
Ausdruck „aktives
Material” (auch „intelligentes
Material” genannt),
wie hierin verwendet, bezieht sich auf mehrere verschiedene Klassen
von Materialien, die allesamt eine Änderung zumindest einer Eigenschaft
zeigen, wenn sie zumindest einem Aktivierungssignal ausgesetzt werden.
Beispiele von Eigenschaften aktiver Materialien, die sich ändern können, können eine
Form, eine Steifigkeit, eine Abmessung, eine Formorientierung, den
Biegemodul, eine Phase und dergleichen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Abhängig von
dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal die
Form z. B. eines elektrischen Stromes, einer Temperaturänderung,
eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Beanspruchung oder
Belastung oder dergleichen annehmen. In verschiedenen Ausführungsformen
kann das Aktivierungssignal durch einen Controller in Ansprechen
darauf erzeugt werden, dass ein Benutzer eines Fahrzeuges einen
Aktivierungsknopf betätigt,
um so zu bewirken, dass sich eine Eigenschaft des aktiven Materials ändert. Es
könnte
auch ein Deaktivierungssignal in einer ähnlichen Weise erzeugt werden,
um die Änderung
der Eigenschaft des aktiven Materials umzukehren. In alternativen
Ausführungsformen
steht der Controller in funktioneller Verbindung mit einem Sensor
und erzeugt das Aktivierungssignal in Ansprechen darauf, dass der
Sensor eine Änderung
eines Zustandes des Fahrzeuges detektiert. Als ein Ergebnis des
Empfangens des Aktivierungssignals erfährt das aktive Material eine
reversible Änderung.
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Geeignete
aktive Materialien zum Aktivieren der Dachträgermerkmale umfassen, sind
jedoch nicht beschränkt
auf Formgedächtnislegierungen („SMAs”; z. B.
thermisch und spannungsaktivierte Formgedächtnislegie rungen und magnetische
Formgedächtnislegierungen
(MSMA)), elektroaktive Polymere (EAPs) wie z. B. dielektrische Elastomere,
ionische Polymermetallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Materialien
(z. B. Polymere, Keramiken), Formgedächtnispolymere (SMPs), Formgedächtniskeramiken
(SMCs), Baroplaste, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B.
Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z.
B. Fluide und Elastomere), Verbundwerkstoffe aus den 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 Formgedächtniskeramiken,
Baroplaste und dergleichen können
auf eine ähnliche
Weise verwendet werden. Zum Beispiel bewirkt bei baroplastischen Materialien
eine druckinduzierte Vermischung von Nanophasendomänen von
Komponenten hoher und niedriger Glasumwandlungstemperatur (Tg) die
Formänderung.
Baroplaste können
bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung
verarbeitet werden. SMCs sind den SMAs ähnlich, können jedoch viel höhere Betriebstemperaturen
tolerieren als es andere Formgedächtnismaterialien
können.
Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
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Formgedächtnismaterialien
besitzen die Fähigkeit,
nach dem Anlegen oder Entfernen äußerer Reize
in ihre ursprüngliche
Form zurückzukehren. Daher
können
Formgedächtnismaterialien
in Aktuatoren verwendet werden, um eine Kraft aufzubringen und eine
erwünschte
Bewegung zu erreichen. Aktuatoren aus einem aktiven Material bieten
die Möglichkeit
einer Reduktion der Größe, des
Gewichts, des Volumens, der Kosten, des Lärms und einer Erhöhung der
Robustheit des Aktuators im Vergleich zu traditionellen elektromechanischen
und hydraulischen Betätigungsmitteln.
Fer romagnetische 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 Anwendung entweder einer Vorspannkraft
oder einer Feldumkehr, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration
zurückzubringen.
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Formgedächtnislegierungen
sind Legierungszusammensetzungen mit zumindest 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-Umwandlungstemperaturbereich bezeichnet,
während
der zwischen Ms und Mf oft
als der Austenit-zu-Martensit-Umwandlungstemperaturbereich bezeichnet
wird. Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Umwandlungstemperaturen
Funktionen der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Allgemein
steigen diese Temperaturen mit steigender Spannung.
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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 Übergänge zwischen
der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
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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 ihre Umwandlung 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 wird diese Form behalten,
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.
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Beispielhafte
Formgedächtnislegierungsmaterialien
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf 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,
Kombinationen, die zumindest eine der vorhergehenden Legierungen
umfassen, 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.
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Die
Rückverformung
in die Austenitphase bei einer höheren
Temperatur ist begleitet von sehr großen Spannungen (im Vergleich
mit denen, die er forderlich 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 etwa 4% oder der verformten Länge des verwendeten Drahtes
erhalten werden. Dieser Prozentsatz kann sich auf bis zu 8% für Anwendungen mit
einer geringen Anzahl an Zyklen erhöhen. Diese Grenze bei der erzielbaren
Dehnung bedeutet beträchtliche
Einschränkungen
bei der Anwendung von SMA-Aktuatoren, wenn der Raum begrenzt ist.
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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.
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Wie
zuvor erwähnt,
sind weitere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere
(SMPs). Ein Formgedächtnispolymer
ist ein Polymermaterial, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals
eine Änderung
einer Eigenschaft wie z. B. eines Moduls oder einer Abmessung (zwei
Eigenschaften der hierin beschriebenen Dachträgermerkmale, die eine Änderung
erfahren können)
oder einer Kombination, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften
in Kombination mit einer Änderung
seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie umfasst, zeigt. Formgedächtnispo lymere
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.
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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 Ausdruck „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 wird eine/n entsprechende/n Schmelzpunkt bzw. Glasumwandlungstemperatur
(Tg) aufweisen. Der Ausdruck „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 Umwandlungstemperatur” bezeichnet
und die niedrigste Wärmeumwandlungstemperatur
des so genannten „weichsten” Segments
wird als die „erste
Umwandlungstemperatur” bezeichnet.
Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass, wenn das SMP mehrere Segmente
aufweist, die durch dieselbe Wärmeumwandlungstemperatur,
die auch die letzte Umwandlungstemperatur ist, gekennzeichnet sind,
gesagt werden kann, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
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Wenn
das SMP über
die letzte Umwandlungstemperatur 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 Umwandlungstemperatur
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.
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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 Umwandlungstemperatur
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 kann bei Verwendung
eines Ansatzes mit einer Schichtung oder einem Verbund eine Kombination
aus mehreren SMPs Übergänge zwischen
mehreren temporären
und permanenten Formen zeigen.
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SMPs
zeigen einen dramatischen Abfall im Modul, wenn sie über die
Glasumwandlungstemperatur dessen ihrer Bestandteile erwärmt werden,
der eine niedrigere Glasumwandlungstemperatur aufweist. Da dies
eine thermisch aktivierte Eigenschaftsänderung ist, sind diese Materialien
für eine
schnelle Aktivierung nicht gut geeignet. Wenn eine Belastung/Verformung
aufrechterhalten wird, während
die Temperatur gesenkt wird, kann die verformte Form in dem SMP
festgelegt sein, bis es ohne Belastung wieder erwärmt wird,
um in seine ursprüngliche
Gussform zurückzukehren.
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Das
aktive Material kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen.
Auch kann das piezoelektrische Material in bestimmten Ausführungsformen
als ein Aktuator eingerichtet 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 Spannungspotenzial 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 die Größe ihrer Abmessungsänderung
drastisch zu erhöhen, üblicherweise
in der 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. Die/das Formveränderung/Durchbiegen solcher
Patches innerhalb des Sitzes ist für einen schwingungstaktilen Eingang
an den Fahrer geeignet.
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Ein
Typ von Unimorph ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen
Element zusammengesetzt ist, das außen mit einer/m flexiblen Metallfolie
oder -streifen verbunden ist, die/der durch das piezoelektrische
Element stimuliert wird, wenn es 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 ein
Unimorph kann eine Kontraktion oder ein Ausdehnen sein. Unimorphe
können
eine Dehnung von etwa 10% zeigen, können allgemein aber 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 eine größere Auslenkung 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, können aber
im Allgemeinen, ähnlich
wie Unimorphe, keinen hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen
der unimorphen Struktur standhalten.
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Anorganische
Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle sind beispielhafte
piezoelektrische Materialien. Was organische Materialien be trifft,
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 geeignete Polymere umfassen,
sind jedoch nicht beschränkt
auf 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; Polychlorkohlenstoffe, 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, umfassend
Kapton®-Moleküle und Polyetherimid
(„PEI”) und ihre
Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-Vinylpyrrolidon („PVP”)-Homopolymer und
seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat („PVAc”)-Copolymere; alle aromatischen
Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten
oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten; und Kombinationen,
die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
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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, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen,
wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden
umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch Metalloxide
wie z. B. SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4,
ZnO und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden; sowie
Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen umfassen,
die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
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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 weniger 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
eingesetzt werden. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen auch
magnetorheologische (MR) und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen
von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetische
oder paramagnetische Partikel wie unten beschrieben) in einem Polymer
(z. B. ein duroplastisches/er elastisches/r Polymer oder Kautschuk).
Beispielhafte Polymermatrices umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf
Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren
und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden.
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Die
Steifigkeit und unter Umständen
die Form der Polymerstruktur werden erreicht, indem die Scher- und
Kompressions/Zug-Moduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des
angelegten magnetischen Feldes variiert wird. Die MR-Polymere entwickeln
ihre Struktur 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. Die kompakte
Unterbringung der felderzeugenden Spulen stellt allerdings eine
Herausforderung dar.
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MR-Fluide
zeigen eine Scherfestigkeit, die proportional zu der Größe eines
angelegten magnetischen Feldes ist, wobei die Eigenschaftsänderungen
von mehreren hundert Prozent innerhalb weniger 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.
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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 eines Gesamtvolumens der MR-Zusammensetzung,
dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen, sind jedoch nicht
beschränkt
auf Eisen; Eisenoxide (einschließlich Fe2O3 und Fe3O4); Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen;
Nickel; Cobalt; Chromdioxid; und Kombinationen, die zumindest eines
der vorhergehenden umfassen; z. B. Nickellegierungen; Cobaltlegierungen;
Eisenlegierungen, z. B. Edelstahl, Siliziumstahl, wie auch andere,
einschließlich
Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom,
Wolfram, Mangan und/oder Kupfer.
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Die
Partikelgröße kann
so gewählt
sein, dass die Partikel Eigenschaften mehrerer magnetischer Komponenten
zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld unterworfen werden. Die
Partikeldurchmesser (z. B. wie entlang einer Hauptachse des Partikels
gemessen) können
kleiner als 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 oder noch spezieller etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer.
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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), im Spezielleren etwa 250 cPs
bis etwa 10.000 cPs oder noch spezieller etwa 500 cPs bis etwa 1.000
cPs. Mögliche Träger (z.
B. Trägerfluide)
umfassen organische Flüssigkeiten,
insbesondere nicht polare organische Flüssigkeiten. Beispiele für geeignete
organische Flüssigkeiten
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf 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 vorhergehenden
Träger
umfassen.
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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 vorhergehenden 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 eines 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.
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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.
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Optionale
Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone (z. B. organophile Tone),
Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionshemmer, Schmiermittel,
Antiverschleißadditive,
Antioxidantien, thixotrope Mittel und/oder Antiabsetzmittel. Beispiele
für Carboxylatseifen
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf 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);
und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Auch Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise
veresterte Polyole können
inkludiert sein.
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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, unterworfen
sind. Das Ansprechen erfolgt schnell und proportional zu der Stärke des
angelegten Feldes. Es ist jedoch um eine Größenordnung kleiner als das
von MR-Fluiden und typischerweise sind mehrere tausend Volt erforderlich.
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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 und sind geeignet, die haptisch
basierte Warnung bereitzustellen, wie z. B. zur Verwendung in dem
Sitz für
einen Schwingungseingang zu dem Fahrer und/oder Insassen.
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Elektroaktive
Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf
elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische
oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel für ein elektrostriktives
Polymer ist ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezoelektrischen
Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination
besitzt die Fähigkeit, eine
variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen
Verbundsystemen zu erzeugen.
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Materialien,
die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind,
können
jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer 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, sind jedoch nicht beschränkt auf Silikonelastomere,
Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere,
die PDVF umfassen, Haftkleber, Fluorelastome re, Polymere, die Silikon-
und Akrylkomponenten (z. B. Copolymere, die Silikon- und Akrylkomponenten
umfassen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Akrylelastomer
umfassen, etc.) umfassen, und Kombinationen, die zumindest eines
der vorhergehenden Polymere umfassen.
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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. ein Dicke von
weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
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Elektroaktive
Polymere können
sich bei starken Dehnungen durchbiegen und auch Elektroden, die
an den Polymeren befestigt sind, können sich durchbiegen, ohne
die mechanische oder elektrische Leistung zu beein trächtigen.
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 Zeit ändern. In einer Ausführungsform
kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden,
die an dem Polymer kleben, können
fügsam sein
und passen sich der sich verändernden
Form des Polymers an. 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,
texturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten
(z. B. Kohlepasten und Silberpasten), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien
mit einem hohen Aspektverhältnis
(z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und
Mischungen aus ionenleitfähigen
Materialien), wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden
umfassen.
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Beispielhafte
Elektrodenmaterialien können Graphit,
Ruß, kolloidale
Suspensionen, Metalle (umfassend Silber und Gold), gefüllte Gele
und Polymere (z. B. silbergefüllte
und kohlenstoffgefüllte
Gele und Polymere), ionen- oder elektronisch leitfähige Polymere
und Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden
umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. 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 Akrylelastomerpolymeren und nicht so
gut mit Silikonpolymeren.
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Magnetostriktive
sind Festkörper,
die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren magnetischen
Feld unterworfen werden. Dieses Phänomen der Magnetostriktion
wird den Drehungen 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 (z. B. Terfenol-D). 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.
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Spezielle
Ausführungsformen
von durch aktive Materialien aktivierten Dachträgermerkmalen sind in den 1a–5c veranschaulicht. Wendet man sich nun
den 1a und 1b zu,
ist eine Abdeckungsanordnung zum Verbergen eines Dachträgers 10 und somit
zum Verbessern des Aussehens des Fahrzeuges, welches den Dachträger 10 enthält, gezeigt.
Der Dachträger 10 in 1 kann in einer vertieften Position unter
dem Dach 20 eines Fahrzeuges verstaut sein, wo er unter
Abdeckungselementen, z. B. Klappen 20 in dieser Ausführungsform,
abgedeckt sein kann. Ein aktives Material steht in funktioneller
Verbindung mit den Abdeckklappen 30. Wie oben beschrieben,
kann das aktive Material beim Empfang eines Aktivierungssignals
eine Änderung
einer Eigenschaft erfahren. Geeignete aktive Materialien und deren
Eigenschaften sind oben beschrieben, wobei Formgedächtnismaterialien
bevorzugt sind. Das aktive Material kann in den Abdeckklappen 30 selbst oder
in einer an der Oberfläche
der Abdeckklappen 30 aufgebrachten Beschichtung vorhanden
sein.
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In
Ansprechen auf das Aktivierungssignal können sich die Abdeckklappen 30 von
einer ersten Form, in der sie den Dachträger 10 abdecken, in
eine zweite Form ändern,
in der sie den Dachträger 10 freilegen,
wie in 1b gezeigt. Dieser Übergang von
der ersten Form in die zweite Form kann infolge einer Eigenschaftsänderung
in dem aktiven Material stattfinden. Zum Beispiel könnte die
Steifigkeit des aktiven Materials abnehmen, sodass die Abdeckklappen 30 weich
werden, oder es könnte
sich eine Abmessung oder Form des aktiven Materials (z. B. eines
SMP) ändern,
sodass die Abdeckklappen 30 schrumpfen oder ihre Gestalt
verändern.
Infolgedessen kann der Dachträger 10 durch
die weich gemachten Abdeckklappen oder an den in ihrer Gestalt veränderten
Abdeckklappen vorbei nach oben ausfahren. Dieser Ausfahren des Dachträgers 10 kann
mithilfe einer Ausfahrvorrichtung (nicht gezeigt) bewirkt werden,
die z. B. einen mechanischen Aktuator, einen elektromechanischen
Aktuator, einen Aktuator aus einem aktiven Material oder einer Kombination mit
zumindest einem der vorhergehenden Aktuatoren umfasst. Infolgedessen
wird der Dachträger 10 zugänglich,
um zu gestatten, dass eine Fracht oder ein Frachtbehälter an
einem Element des Dachträgers 10 befestigt
wird. Während
der Dachträger 10 mit Seitenschienen 40 und
Querschienen 50 gezeigt ist, könnte er auch Haken und Griffe
zur Unterstützung der
Befestigung der/des Fracht/Frachtbehälters aufweisen.
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In
einer Ausführungsform
kann das Ausfahren des Dachträgers 10 knopfaktiviert
sein. Das heißt,
ein Controller in Verbindung mit den Abdeckklappen 30 und
der Ausfahrvorrichtung kann das Aktivierungssignal (Beispiele vorhin
angeführt)
in Ansprechen darauf erzeugen, dass ein Benutzer einen Aktivierungsknopf
oder eine ähnliche
Vorrichtung betätigt.
Der Controller kann das Aktivierungssignal an eine Aktivierungsvorrichtung
senden, die ausgebildet ist, um die Änderung der Eigenschaft des
aktiven Materials zu bewirken. Ein Deaktivierungssignal könnte auf
eine ähnliche Weise
erzeugt und an die Ausfahrvorrichtung gesendet werden, um zu bewirken,
dass sie den Dachträger 10 zurück in seine
vertiefte Position bewegt, in der er verstaut werden kann. Das Deaktivierungssignal
könnte
auch an die Aktivierungsvorrichtung gesendet werden, um zu bewirken, dass
die zuvor geänderte
Eigenschaft des aktiven Materials in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.
Infolgedessen würden
die Abdeckklappen 30 den Dachträger 10 in seiner verstauten
Position wieder abdecken und verbergen. Eine weitere Offenlegung, die
sich auf durch aktive Materialien aktivierte Abdeckungsanordnungen
bezieht, ist in der gemeinsam anhängigen US-Patentanmeldung Nr.
11/848 466 mit dem Titel „Active
Material Based Concealment Assemblies”, eingereicht am 31. August
2007, zu finden, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit
aufgenommen ist.
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Die 2a und 2b zeigen
eine weitere Ausführungsform,
in der ein Dachträger 60 in
einer festen Position über
dem Dach 70 eines Fahrzeuges angeordnet ist. Die Abdeckklappen 80 sind
wie die oben beschriebenen Abdeckklappen 30, mit der Ausnahme,
dass sie die Seiten anstelle der Oberseite des Dachträgers 60 bedecken
können,
wenn es erwünscht
ist, wie in 2a gezeigt. Ferner können die Abdeckklappen 80 bewegt
oder ihre Gestalt verändert
werden, um den Dachträger
zur Verwendung bei Bedarf durch die Wirkung des aktiven Materials
in funktioneller Verbindung mit den Abdeckklappen 30 aufzudecken.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann zumindest eine der Abdeckklappen 30 durch eine Luftsteuerungsvorrichtung
ersetzt sein, die einen Körperabschnitt
und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit zumindest
einer Fläche
des Körperabschnitts
umfasst. Das aktive Material kann in einer Beschichtung vorhanden
sein, die auf einer Fläche
des Körperabschnitts
oder in dem Körperabschnitt
selbst aufgebracht ist. Zum Beispiel kann das aktive Material in
der Form von Streifen oder Drähten vorhanden
sein, die in einer Fläche
des Körperabschnitts
eingebettet sind. Geeignete aktive Materialien und deren Eigenschaften
sind oben beschrieben, wobei Formgedächtnismaterialien bevorzugt
sind. Ein Aktivierungssignal kann zu dem aktiven Material gesendet
werden, um eine Eigenschaft des aktiven Materials zu ändern, um
dadurch zu bewirken, dass sich die Luftströmung über die Luftsteuerungsvorrichtung
hinweg ändert.
Zum Beispiel kann sich das aktive Material in Ansprechen auf das
Aktivierungssignal von einer im Wesentlichen geraden Form in eine gekrümmte Form
oder umgekehrt ändern.
Ein Controller in funktioneller Verbindung mit einem Sensor kann
dieses Aktivierungssignal erzeugen, wenn der Sensor eine Änderung
eines Zustandes des Fahrzeuges wie z. B. der Geschwindigkeit des
Fahrzeuges detektiert. Der Controller kann das Aktivierungssignal
an eine Aktivierungsvorrichtung senden, die ausgebildet ist, um
die Änderung
der Eigenschaft des aktiven Materials zu bewirken. Demzufolge kann
die Luftsteuerungsvorrichtung dazu dienen, den Lärm reduzieren und/oder die
Aerodynamik des Dachträgers zu
verbessern. Eine weitere Offenlegung, die sich auf durch aktive
Materialien aktivierte Luftsteuerungsvorrichtungen bezieht, ist
in der US-Patentanmeldung Nr. 10/893 119 zu finden, eingereicht
am 15. Juli 2004, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit
aufgenommen ist.
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In
weiteren Ausführungsformen
können Dachträgerelemente
wie z. B. Längsschienen
gedreht und/oder umgesetzt werden, um ein niedrigeres aerodynamisches
Profil aufzuweisen, wenn sie nicht in Verwendung sind. Zum Beispiel
können
sie in eine verstaute Position bewegt werden, in der sie fluchtend
an der Dachfläche
liegen oder innerhalb von Einbuchtungen in der Dachfläche liegen.
Für solche
Ausführungsformen
kann ein aktives Material, vorzugsweise eine SMA, verwendet werden,
um die Spoiler auszufahren oder zu verstauen. Es kann auch ein Sperrmechanismus
verwendet werden, um sie in Position zu halten. Der Sperrmechanismus kann
auch durch Aktivierung der SMA gelöst werden. Das Vorhandensein
eines Sperrmechanismus sieht die Verwendung einer leistungslosen
Halteposition vor und lässt
auch zu, dass große
Kräfte
auf den Dachträger
angewendet werden, sobald er sich in seiner ausgefahrenen Position
befindet. Nach dem Lösen
des Sperrmechanismus kann eine Vorspannfeder verwendet werden, um
den Dachträger
in die Konfiguration zurückzubringen,
aus der er durch SMA-Aktivierung bewegt wurde.
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Ein
weiteres Merkmal eines Dachträgers, welches
durch ein aktives Material aktiviert werden kann, ist ein „formschlüssig sitzendes” Merkmal.
Das aktive Material kann in Funktioneller Verbindung mit einem Abschnitt
des Dachträgers
ausgebildet sein. Geeignete aktive Materialien und deren Eigenschaften
sind oben beschrieben, wobei Formgedächtnismaterialien bevorzugt
sind. Die Form des aktiven Materials kann sich der Form eines Objekts,
z. B. einer Fracht oder eines Frachtbehälters, anpassen, auf dem es
aufgesetzt ist, wenn es ein Aktivierungssignal empfangt. Infolgedessen
kann ein formschlüssiger Eingriff
zwischen dem Dachträger
und dem Objekt hergestellt werden, um den Widerstand gegenüber einem
Verschieben des Objekts (z. B. eines niedergebundenen Objekts) zu
erhöhen.
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Die 3a und 3b veranschaulichen eine
Ausführungsform
des oben beschriebenen formschlüssig
sitzenden Merkmals. Der Dachträger 100 in
den 3a und 3b umfasst
parallele Seitenschienen 110 und Querschienen 120,
die rechtwinklig zu den Seitenschienen 110 verlaufen. Es
ist einzusehen, dass der Dachträger 100 auch
andere Elemente wie z. B. Haken und Griffe zur Unterstützung der
Ankopplung der/des Fracht/Frachtbehälters an dem Dachträger 100 umfassen
kann. Abschnitte des Dachträgers
können
ein aktives Material umfassen oder können mit dem aktiven Material
beschichtet oder in Kontakt damit angeordnet sein, um das formschlüssig sitzende
Merkmal zu ermöglichen. Zum
Beispiel können Auflagen,
die das aktive Material umfassen, auf einer Fläche eines Dachträgerelements
angeordnet sein. Ein Schi 130 ist über die Querschienen 120 hinweg
positioniert als eine beispielhafte Fracht gezeigt. Beim Empfang
eines Aktivierungssignals kann sich die Form des aktiven Materials
der Form des Schis 130 anpassen, was zu einer Einbuchtung 140 in
der Querschiene 120 unter dem Schi 130 führt. Beispielsweise
kann das aktive Material ein SMP sein und das Aktivierungssignal kann
ein thermisches Signal sein. Daher kann das thermische Signal das
aktive Material erwärmen,
wodurch bewirkt wird, dass es weich wird (d. h. sein Biegemodul
wird kleiner) und sich der Form des Schis 130 unter Schwerkraftbelastung
anpasst. Das aktive Material kann dann abgekühlt werden, indem das Aktivierungssignal
entfernt wird, um in der Einbuchtungsform 140 zu sperren.
In einer Ausführungsform kann
das formschlüssig
sitzende Merkmal knopfaktiviert sein, wie in Bezug auf vorhergehende
Ausführungsformen
beschrieben.
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Es
sind zusätzliche
Ausführungsformen
vorstellbar, in denen aktive Materialien es ermöglichen, Dachträgerelemente
reversibel an einem Dach eines Fahrzeuges und/oder aneinander zu
befestigen. Zum Beispiel können
Querträgerelemente
und Längsschienen
reversibel aneinander befestigt werden. Es sind noch weitere Ausführungsformen
vorstellbar, in denen aktive Materialien es ermöglichen, Frachten/Frachtbehälter reversibel
an einem Dachträger zu
befestigen. Zum Beispiel kann durch die Verwendung zusätzlicher
Merkmale, die hierin als das „variabel
geformte Loch” und
die „variabel
geformte Klaue” bezeichnet
werden, auch die Einfachheit verbessert werden, mit der die/der
Fracht/Frachtbehälter
reversibel an einem Dachträger
angebracht werden können
oder Dachträgerelemente
aneinander oder an einem Dach eines Fahrzeuges befestigt werden
können.
Die 4a und 4b veranschaulichen
die Funktionalität
des variabel geformten Loches (VSH von variable shaped hole) 150.
Wie gezeigt, kann eine Auskleidung 160 entlang der Innenwand
des VSH 150 positioniert sein. Diese Auskleidung 160 kann
ein aktives Material umfassen. Alternativ kann das aktive Material
innerhalb der Innenwand des VSH 150 vorhanden sein. Geeignete
aktive Materialien und deren Eigenschaften sind oben beschrieben,
wobei Formgedächtnismaterialien
bevorzugt sind. Wenngleich der Durchmesser des VSH 150 als
relativ gleichmäßig gezeigt
ist, könnte
er auch eine unregelmäßige Geometrie
aufweisen. Zum Beispiel könnte
er von oben nach unten abnehmen oder vice versa.
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Wie
in 4b gezeigt, kann eine Klaue 170 benachbart
zu dem VSH 150 positioniert sein. Die Klaue 170 könnte an
einer/m Fracht/Frachtbehälter angebracht
sein, um eine Befestigung an dem Dachträger vorzusehen. Die Geometrie
der Klaue 170 kann in der Form variieren, besitzt jedoch
vorzugsweise einen größeren Durchmesser
als der Durchmesser des VSH 150 oder besitzt zumindest
einen minimalen Durchmesser, der größer ist als der minimale Durchmesser
des VSH 150. Als solches passt die Klaue 170 anfänglich nicht
in das VSH 150. Allerdings kann das aktive Material in
Ansprechen auf den Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung der
Form erfahren, sodass sich seine Form der Form der Klaue 170 anpasst.
Infolgedessen passt sich die Form der Wand der Auskleidung 160 der
Geometrie der Klaue 170 an, wie in 4c gezeigt.
Zum Beispiel könnte
das aktive Material ein SMP sein, das durch ein thermisches Aktivierungssignal
erwärmt wird,
um seinen Biegemodul zu verringern. Infolgedessen könnte das
SMP um die Geometrie der Klaue 170 herum fließen, wenn
die Klaue 170 in das VSH 150 eingesetzt wird.
Das SMP könnte
dann abgekühlt
werden, um den Biegemodul zu erhöhen
und dadurch eine im Wesentlichen mechanische Verblockung, d. h.
einen formschlüssigen
Halt, zwischen dem VSH 150 und der Klaue 170 herzustellen.
Infolgedessen würde
sich die Form der Innenwand der Auskleidung 160 der Geometrie
der Klaue 170 anpassen, wie in 4c gezeigt.
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In
einer Ausführungsform
kann die Änderung der
Form des VSH 150 knopfaktiviert sein. Das heißt, ein
Controller kann ausgebildet sein, um in Ansprechen darauf, dass
ein Benutzer einen Aktivierungsknopf oder eine ähnliche Vorrichtung betätigt, das
Aktivierungssignal zu erzeugen. Der Controller kann das Aktivierungssignal
an eine Aktivierungsvorrichtung senden, die ausgebildet ist, um
die Änderung der
Form des aktiven Materials zu bewirken. Der Controller kann auch
ausgebildet sein, um in Ansprechen darauf, dass ein Benutzer einen
Freigabeknopf betätigt,
ein Freigabesignal zu erzeugen. Beim Empfang des Freigabesignals
kann das aktive Material weich werden und zulassen, dass die Klaue 170 aus dem
VSH 150 entfernt wird.
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5a zeigt
eine variabel geformte Klaue (VSP von variable shaped prong) 200,
die ähnlich funktioniert
wie das zuvor beschriebene variabel geformte Loch. Die VSP 200 kann
an einer/m Fracht/Frachtbehälter
die/der an einem Dachträger eines
Fahrzeuges befestigt werden soll, oder an einem Dachträgerelement
angebracht sein, das an einem Dach eines Fahrzeuges oder aneinander
befestigt werden soll. Die VSP 200 kann mit einem aktiven Material
beschichtet sein, oder, wie in 5a gezeigt,
kann die VSP 200 das aktive Material in Fällen leichter
Beladungsanwendungen umfassen. Beispiele für geeignete aktive Materialien
sind oben beschrieben, wobei Formgedächtnismaterialien bevorzugt
sind. 5b zeigt das Einsetzen der VSP 200 in ein
Loch 210, das in einem Dachträger angeordnet ist. Die VSP 200 und/oder
das Loch 210 kann/können Unregelmäßigkeiten
in ihren ursprünglichen
Geometrien, z. B. Schwankungen im Durchmesser entlang ihrer Längen, aufweisen.
Als solches ist die VSP 200 anfänglich nicht in der Lage, in
das Loch 210 eingesetzt zu werden. Allerdings kann sich
beim Empfang eines Aktivierungssignals, z. B. Wärme, eine Eigenschaft des aktiven
Materials, z. B. der Biegemodul, in Verbindung mit der VSP 200 oder
dem Loch 210 ändern,
um zu bewirken, dass sich die Geometrie der VSP 200 der
Form des Loches 210 anpasst oder vice versa. Zum Beispiel
können
das Äußere der
VSP 200 und das Innere des Loches 210 kreisförmig werden, sodass
sie zusammenpassen. Infolgedessen kann die VSP 200 in das
Loch 210 eingesetzt werden. Beim Abkühlen kann das aktive Material
hart werden, um eine mechanische Verblockung zwischen der VSP 200 und
dem Loch 210 zu bilden, um so ein Herausziehen zu verhindern.
Die VSP 200 kann aus dem Loch 210 freigegeben
werden, wenn das aktive Material in Ansprechen auf ein Freigabesignal
wieder erwärmt
und weich gemacht wird. Die Aktivierungs- und Freigabesignale können erzeugt
werden, wie in der VSH-Ausführungsform
beschrieben.
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Es
ist einzusehen, dass die Anzahl von Abdeckklappen, Luftsteuerungsvorrichtungen,
formschlüssig
sitzenden Bereichen, Löchern,
die an dem Dachträger
vorhanden sind, und Klauen, die an einer/m Fracht/Frachtbehälter vorhanden
sind, ebenso wie ihre Positionen und ihre Größen variieren kann. Zum Beispiel
können
die Löcher
und Klauen in einem Größenbereich
von z. B. 1 Millimeter bis zu z. B. mehreren Zentimetern liegen.
Außerdem
kann eine beliebige Anzahl der hierin beschriebenen Dachträgermerkmale
kombiniert werden.
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Die
hierin beschriebenen Ausführungsformen
können
in der Form von computerimplementierten Prozessen und Vorrichtungen
zur Ausführung dieser
Prozesse ausgeführt
sein. Es können
auch Ausführungsformen
in der Form eines Computerprogrammcodes ausgeführt sein, der Anweisungen enthält, die
in materiellen Medien wie z. B. Floppy Discs, CD-ROMs, Festplattenlaufwerken
oder einem beliebigen anderen computerlesbaren Speichermedium enthalten
sind, wobei, wenn der computerlesbare Programmcode auf einen Computer
geladen und von diesem ausgeführt
wird, der Computer eine Vorrichtung wird, um die Erfindung umzusetzen.
Eine Ausführungsform
kann auch in der Form eines Computerprogrammcodes ausgeführt sein,
ob in einem Speichermedium gespeichert, auf einen Computer geladen
und/oder von diesem ausgeführt,
oder über ein
bestimmtes Übertragungsmedium
wie z. B. über eine
elektrische Verdrahtung oder Verkabelung, durch Glasfasern oder über elektromagnetische Strahlung übertragen,
wobei, wenn der Computerprogrammcode auf einen Computer geladen
und von diesem ausgeführt
wird, der Computer zu einer Vorrichtung wird, um die Erfindung umzusetzen.
Wenn sie in einem Universal-Mikroprozessor implementiert sind, konfigurieren
die Computerprogrammcode-Segmente den Mikroprozessor, um spezifische logische
Schaltungen zu erzeugen.
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Wie
hierin verwendet, bezeichnen die Ausdrücke „ein/e” hierin keine Beschränkung einer
Menge, sondern sie bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem
der Punkte, auf die Bezug genommen wird. Die Bezugnahme über die
gesamte Beschreibung auf „eine
bestimmte Ausführungsform”, „eine weitere
Ausführungsform”, „eine Ausführungsform” und dergleichen
bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur
und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform
beschrieben ist, in zumindest einer hierin beschriebenen Ausführungsform
enthalten ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein
kann oder nicht. Darüber
hinaus sollte einzusehen sein, dass die beschriebenen Elemente auf
jede beliebige geeignete Weise in den verschiedenen Ausführungsformen
kombiniert sein können.
Wenn nicht anders definiert, haben technische und wissenschaftliche Ausdrücke, die
hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung, wie sie für einen
Fachmann auf dem Gebiet üblicherweise
verstanden wird, zu dem diese Erfindung gehört.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird für
den Fachmann einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente
davon durch Äquivalente
ersetzt sein können, ohne
von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen
werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material an die Lehre
der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen.
Die Erfindung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform
beschränkt
sein, die als beste Art, diese Erfindung auszuführen, offenbart ist. Vielmehr
wird die Erfindung alle Ausführungsformen einschließen, die
in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen. Des Weiteren bezeichnet
die Verwendung der Ausdrücke
erste/s/r, zweite/s/r etc. keine Reihenfolge oder Bedeutung, sondern
die Ausdrücke
erste/s/r, zweite/s/r etc. werden vielmehr verwendet, um ein Element
von einem anderen zu unterscheiden.
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Zusammenfassung
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Es
sind durch aktive Materialien aktivierte Dachträgermerkmale beschrieben. Eine
Abdeckungsanordnung zum Abdecken eines Dachträgers umfasst ein Element, das
ausgebildet ist, um eine erste Form und eine zweite Form aufzuweisen,
wobei die erste Form ausgebildet ist, um den Dachträger abzudecken,
und die zweite Form ausgebildet ist, um den Dachträger freizulegen;
und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Element,
wobei das aktive Material in der Lage ist, beim Empfang eines Aktivierungssignals
eine Änderung
einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung der Eigenschaft wirksam
ist, um das Element von der ersten Form in die zweite Form zu überführen.