FORMGEDÄCHTNISLEGIERUNG

Die Erfindung betrifft einen thermisch wirksamen Aktor mit einem

Aktorelement aus einer metallischen Formgedächtnislegierung, sodass das Aktorelement bei einer Temperaturänderung eine Gestaltänderung ausführt, wobei wenigstens ein Rückstellmittel aus einem Elastomer vorgesehen ist, mit dem die Gestaltänderung rückstellbar ist, wobei das Rückstellmittel mit dem Aktorelement über einen Oberflächenkontakt verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen thermisch wirksamen Aktors.

STAND DER TECHNIK

Die DE 10 2014 107 821 A1 offenbart einen thermisch wirksamen Aktor mit einem Aktorelement aus einer Formgedächtnislegierung, sodass das Aktorelement bei einer Temperaturänderung eine Gestaltänderung ausführt. Dabei ist ein Rückstellmittel auf der Oberfläche des

Aktorelementes aufgebracht, und bildet eine rückstellkrafterzeugende Schicht. Dabei wird vorgeschlagen, dass die rückstellkrafterzeugende Schicht aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung ausgebildet wird, und das Aktorelement und die rückstellkrafterzeugende Schicht weisen eine im Wesentlichen flächige, blechartige Erstreckung auf, sodass der thermisch wirksame Aktor in Form eines Bi-Metalles technisch vorteilhaft genutzt werden kann. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine

wärmeerzeugende Schicht in Form einer elektrischen Widerstandsheizung in einen Schichtaufbau aus dem Aktorelement und der

rückstellkrafterzeugenden Schicht zu integrieren. Nachteilhaftenweise sind mit dem damit bekannt gewordenen thermisch wirksamen Aktor nur kleine Stellwege möglich, insbesondere darf das Metall oder die Metalllegierung zur Bildung der rückstellkrafterzeugenden Schicht nicht derart plastisch verformt werden, dass eine Gestaltänderung nicht mehr rückführbar wäre. Wünschenswert wäre jedoch die Weiterbildung eines thermisch wirksamen Aktors mit großen Umformgraden in der Gestaltänderung, und ein deformiertes Aktorelement sollte bei entsprechender Wärmezufuhr die in das Aktorelement eintrainierte Gestalt wieder annehmen können, und bei einer Wärmeabfuhr sollte durch das Rückstellmittel die geänderte Gestalt wieder angenommen werden.

Derartige thermisch wirksame Aktoren besitzen einen Zweiwege-Effekt, wobei sowohl die erste Gestalt als auch die zweite Gestalt der

Gestaltänderung jeweils intrinsisch erreicht werden kann, also ohne Anwendung einer äußeren Kraft. Eine deutliche Vergrößerung des möglichen Gestaltänderungsgrades und damit des Stellweges eines Aktors mit einem Aktorelement aus einer Formgedächtnislegierung und einem applizierten Rückstellmittel mit insgesamt intrinsischer Wirkungsweise wäre daher wünschenswert. Aus der US 2016/0017870 A1 ist ein thermisch wirksamer Aktor mit einem Aktorelement aus einem Polymer- Formgedächtniswerkstoff bekannt, und das Aktorelement führt bei einer Temperaturänderung intrinsisch eine Gestaltänderung aus, wobei ein Rückstellmittel aus einem Elastomerkörper an einer Oberfläche des Aktorelementes angeklebt oder mittels einem Bondverfahren angebunden ist, wobei mit dem Rückstellmittel die

Gestaltänderung rückstellbar ist, sodass der thermisch wirksame Aktor einen Zweiwege-Effekt aufweist. Die Dicke des Elastomerkörpers gleicht dabei etwa der Dicke des Aktorelementes, da nur dann ein Klebe- oder Bondverfahren technisch umgesetzt und wirtschaftlich ausgeführt werden kann.

Die DE 20 2004 020 706 U1 offenbart einen Aktor mit einem Aktorelement aus einer metallischen Formgedächtnislegierung, wobei ein Rückstellmittel aus einem Elastomerkörper mit dem Aktorelement über einen

Oberflächenkontakt verbunden ist. Das Aktorelement ist als Draht mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet, und der Durchmesser der Ummantelung aus dem Elastomerkörper ist mit 1 mm angegeben. Die Ummantelung des Drahtes wird hergestellt, indem der Draht zentrisch in eine Aluminiumform gespannt wird. Die Form wird sodann mit Silikonharz zur Bildung des Elastomerkörpers aufgefüllt. Die Aushärtung des Harzes erfolgt bei Raumtemperatur über 24 Stunden.

Eine Herstellung von Aktoren mit einer metallischen

Formgedächtnislegierung in größeren Mengen und damit in einem industriellen Maßstab, beispielsweise in einem kontinuierlichen

Herstellungsverfahren, ist mit den bislang bekannten Verfahren nicht möglich. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines thermisch wirksamen Aktors mit einem Aktorelement und mit einem Rückstellmittel, der für beide Gestaltänderungen sowohl in eine erste Gestalt als auch in eine zweite Gestalt intrinsisch wirken kann und wobei die Gestaltänderung hohe Umformgrade aufweisen soll. Weiterhin soll der thermisch wirksame Aktor und insbesondere das applizierte Rückstellmittel besonders einfach ausgeführt und herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem thermisch wirksamen Aktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung eines solchen thermisch wirksamen Aktors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 mit den jeweils

kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Rückstellmittel als eine Oberflächenbeschichtung des Aktorelementes ausgeführt ist und eine Schichtdicke von 5pm bis 800pm aufweist.

Kerngedanke der Erfindung ist die einfache Ausbildung eines

Rückstellmittels als eine nur wenige Mikrometer dicke Beschichtung auf wenigstens einer Teiloberfläche des Aktorelementes im Sinne des Einweg- /Zweiweg-Effektes. Die Schicht kann aufgrund ihrer sehr geringen Dicke einfach aufgebracht werden, und mit einem Elastomer auf einfache Weise bereitgestellt werden. Das Elastomer hat dabei die vorteilhaften

Eigenschaften gut erzeugbarer Rückstellkräfte. Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise 20pm bis 500pm und/oder 30mha bis 250miti und/oder 40pm bis 150mih und/oder 50mhi bis 100pm und/oder 60pm bis 80mhh. Mit noch größerem Vorteil beträgt die die Schichtdicke 65mhi bis 75miti und/oder als bevorzugteste Variante 70miti. Mit der sehr geringen Schichtdicke im Maßstab einer Oberflächenbeschichtung lässt sich die Elastomerbeschichtung leicht in einem kontinuierlichen Prozess herstellen, beispielsweise mit einem Streichverfahren oder mit einem Tauchverfahren.

Ein besonders bevorzugtes Verfahren sieht vor, dass die Schicht aus dem Elastomer auf der Oberfläche des Aktorelementes mittels einer

Sprüheinrichtung im Sprühverfahren aufgebracht und anschließend ausgehärtet wird. Insbesondere im Sprühverfahren kann die Beschichtung im kontinuierlichen Prozess aufgebracht werden, beispielsweise indem ein Draht oder ein Blechstreifen aus Formgedächtnislegierung an einer Sprüheinrichtung vorbei bewegt wird.

Untersuchungen von neuerlich hergestellten Aktoren mit einem

metallischen Aktorelement aus einer Formgedächtnislegierung und mit einer Beschichtung aus einem Elastomer, beispielsweise aus einem

Silikon, auf der Oberfläche des Aktorelementes mit sehr geringen Dicken haben überraschend gezeigt, dass beide Gestaltänderungen sowohl in eine erste Gestalt als auch in eine rückführende zweite Gestalt annähernd gleich gut intrinsisch wirken können und wobei die Gestaltänderungen hohe Umformgrade aufweisen können, obwohl die Schichtdicke beispielweise unter 100pm beträgt, zum Beispiel 70pm. Das Aktorelement weist beispielsweise einen Drahtdurchmesser oder eine Blechdicke von 200pm auf.

Wenn das Aktorelement durch eine Wärmezufuhr in seinen antrainierten Zustand zurückgeführt wird, baut sich im Elastomer eine Spannung auf. Das Spannungsverhalten im Elastomer wird dadurch erzeugt, dass das Elastomer auf das Aktorelement aufgebracht wird, wenn sich dieses im deformierten Zustand befindet, der durch eine Gestalt gebildet ist, die eben nicht der antrainierten Gestalt des Aktorelementes entspricht. Wird das Aktorelement erwärmt und nimmt dieses die antrainierte Gestalt wieder an, so baut sich im Elastomer eine Rückstellkraft auf, sodass bei einer

Abkühlung des Aktorelementes dieses die geänderte Gestalt wieder annimmt. Damit kann auf einfache Weise ein thermisch wirksamer Aktor basierend auf einer Formgedächtnislegierung mit einem Zweiwege-Effekt bereitgestellt werden, und die Gestaltänderung kann erzeugt werden zwischen einer ersten Gestalt, die der antrainierten Gestalt des

Aktorelementes entspricht, und einer zweiten Gestalt, die sich ergibt durch eine entsprechende Kraftbeaufschlagung des thermisch wirksamen Aktors. Das Überführen des Aktors in die zweite Gestalt, die eben nicht der antrainierten Gestalt entspricht, erfolgt nach entsprechender Abkühlung des Aktorelementes auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur, in der das Aktorelement die antrainierte Gestalt annimmt. Die Rückstellkraft wird durch die elastischen Eigenschaften des Elastomers erzeugt, das als Schicht auf wenigstens einer Teiloberfläche des Aktorelementes

aufgebracht ist.

Mit besonderem Vorteil ist das Elastomer durch ein Silikon gebildet.

Silikone bieten den Vorteil, dass diese thermisch stabil sind und ein gutes elastisches Rückstellverhalten aufweisen. Weiterhin sind Silikone gut verarbeitbar und können auf einfache Weise auf die Oberfläche des Aktorelementes aufgebracht werden. Insbesondere lassen sich Silikone sehr vorteilhaft in einem Sprüh verfahren, in einem Streichverfahren oder in einem Tauchverfahren auf der Oberfläche des Aktorelementes aufbringen. Darüber hinaus ist das elastische Verhalten von Silikonen im Wesentlichen temperaturunabhängig. Damit eignet sich ein Silikon insbesondere zur Bildung des Rückstellmittels als Schicht auf der Oberfläche des

Aktorelementes.

Im Rahmen der Erfindung kann der thermisch wirksame Aktor ein

Aktorelement umfassen, das jede mögliche geometrische Gestalt aufweisen kann. Zur Erzeugung eines möglichst großen Aktorstellweges des Aktors kann das Aktorelement beispielsweise durch einen Draht gebildet sein, der aus einer Formgedächtnislegierung ausgebildet ist, und das Elastomer ist auf den Draht beispielsweise vollumfänglich aufgebracht und ummantelt diesen. Insbesondere kann der Draht zu einer Spiralfeder oder dergleichen geformt sein, um einen möglichst großen Aktorstellweg zu erreichen.

Alternativ kann das Aktorelement ein Blechelement sein, wobei das

Elastomer auf wenigstens einer der Oberflächen des Blechelementes aufgebracht ist.

Der Faktor zwischen der Dicke der Schicht und dem Durchmesser oder der Dicke des Aktorelementes beträgt beispielsweise den Wert 2 bis 10, mit dem das Aktorelement größere Dickenabmessungen aufweist als die Elastomerschicht..

Das Aktorelement weist eine Formgedächtnislegierung auf, die

beispielsweise auf einem Eisenwerkstoff und/oder auf einem

Kupferwerkstoff basiert. Insbesondere können aber vor allem Nickel-Titan Legierungen, Titan-Tantal Legierungen oder Cobalt basierte Legierungen zum Einsatz kommen. Das Elastomer auf der Oberfläche des

Eisenwerkstoffes und/oder des Kupferwerkstoffes bewirkt dabei mit weiterem Vorteil einen Korrosionsschutz der Formgedächtnislegierung. Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch wirksamen Aktors nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweist:

Bereitstellen eines Aktorelementes aus einer metallischen

Formgedächtnislegierung mit einer antrainierten Gestalt, Erzeugen einer Gestaltänderung des Aktorelementes durch das Aufbringen einer Kraft auf das Aktorelement unterhalb der Austenitstarttemperatur (As) und Erzeugen einer Schicht aus einem Elastomer auf wenigstens einer Teiloberfläche des Aktorelementes zur Bildung eines Rückstellmittels, wobei die Schicht eine Schichtdicke von 5ym bis 800pm aufweist.

Ist der thermisch wirksame Aktor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, kann das Aktorelement beliebig oft von einer antrainierten ersten Gestalt in eine zweite Gestalt zu überführt werden. Diese

Überführung erfolgt insbesondere durch eine Abkühlung, und die

Gestaltänderung wird bewirkt durch das elastische Verhalten der Schicht aus dem Elastomer. Wird das Aktorelement erwärmt, so nimmt dieses wieder die antrainierte Form an, und beim Überführen der zweiten Gestalt zurück in die erste Gestalt des Aktorelementes wird wieder eine elastische Spannung im Elastomer aufgebaut, sodass bei einer erneuten Abkühlung die zweite Gestalt wieder angenommen werden kann, was bewirkt wird durch die elastische Rückstellkraft der Schicht aus dem Elastomer.

Die Schicht aus dem Elastomer ist insbesondere auf die Oberfläche des Aktorelementes mit einem Sprühverfahren unter Verwendung einer Sprüheinrichtung oder mit einem Tauchverfahren aufgebracht worden. Dadurch ergeben sich sehr einfache Verbindungsmöglichkeiten des Rückstellmittels mit dem Aktorelement, und durch die unmittelbare

Anordnung des Rückstellmittels als Schicht auf der Oberfläche des

Aktorelementes umfasst der thermisch wirksame Aktor lediglich ein einzelnes Bauteil. g

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 eine Ansicht mehrerer Schritte a) bis e) zur Bildung eines

thermisch wirksamen Aktors gemäß der Erfindung,

Figur 2 Ansichten eines thermisch wirksamen Aktors a) als Draht und b) als Flächenelement und

Figur 3 eine Ansicht eines Verfahrensbeispiels zur Aufbringung der

Schicht zur Bildung des Rückstellmittels aus einem Elastomer.

In Figur 1 ist unter a) ein Aktorelement 10 in Form einer Feder gezeigt, und das Aktorelement 10 befindet sich im Zustand einer ersten Gestalt I, und die erste Gestalt I entspricht der Gestalt, die dem Aktorelement 10 antrainiert wurde. Die antrainierte Gestalt ist diejenige Gestalt, die das Aktorelement 10 bei einer entsprechenden Erwärmung einnimmt.

Unter b) ist das Aktorelement 10 unter Beaufschlagung einer Kraft F gezeigt, und das als Feder ausgebildete Aktorelement 10 weist eine

Längung um den Weg s auf, wobei die Längung hervorgerufen wurde durch die Beaufschlagung mit der Kraft F. Dieser Zustand des Aktorelementes 10 betrifft dabei die zweite Gestalt II, aus der das Aktorelement 10

beispielsweise in die erste Gestalt I rückführbar wäre durch eine

entsprechende Wärmezufuhr. Unter c) ist dargestellt, dass das Aktorelement 10 unter Beibehaltung der weiten Gestalt II mit einer Schicht 12 aus einem Elastomer beschichtet wird, und die Schicht 12 aus dem Elastomer bildet erfindungsgemäß ein Rückstellmittel 11. Beispielsweise kann die Schicht 12 durch ein

Sprühverfahren oder ein Tauchverfahren auf das drahtförmige

Aktorelement 10 aufgebracht werden. Anschließend erfolgt eine

Wärmezufuhr 14, sodass das Aktorelement 10 mit dem Elastomer der Schicht 12 erwärmt wird.

Das unter c) gezeigte Aktorelement 10 bildet somit einen thermisch wirksamen Aktor 1 , der, wie in den nachfolgenden Teilansichten d) und e) gezeigt, als Aktor 1 mit einem Zweiwege-Effekt eingesetzt werden kann.

Unter d) ist das Aktorelement 10 in der ersten Gestalt I gezeigt, nachdem eine Wärmezufuhr 14 das Aktorelement 10 des thermisch wirksamen Aktors 1 erwärmt hat. Entgegen der elastischen Kraft der Schicht 12 gelangt das Aktorelement 10 zurück von der zweiten Gestalt II in die erste Gestalt I, und legt damit den Weg s im Wesentlichen wieder zurück, indem sich das Federelement wieder verkürzt. In dem unter d) gezeigten Zustand befindet sich das Aktorelement 10 in der antrainierten Gestalt, während die Schicht 12 mit dem Elastomer unter elastische Rückstellspannung gesetzt ist.

Kühlt das Aktorelement 10 unter Wärmeabfuhr 15 wieder ab, so verliert das Aktorelement 10 seine Haltekraft in der ersten Gestalt 1 und die Schicht 12 aus Elastomer sorgt für eine Längung um den Weg s und das

Federelement nimmt wieder nahezu die zweite Gestalt II an. Erst bei einer erneuten Wärmezufuhr kann der Aktor 1 wieder in die erste Gestalt I zurückgeführt werden. Figur 2 zeigt unter a) ein Ausführungsbeispiel eines thermisch wirksamen Aktors 1 mit einem Aktorelement 10 in Form eines Drahtes mit einem runden Querschnitt, und auf der Oberfläche 13 des Aktorelementes 10 ist zur Bildung eines Rückstellmittels 1 1 eine Schicht 12 aus einem Elastomer aufgebracht. Erfolgt ein pseudo-plastisches Verformen des Aktorelementes 10, so erzeugt die Verformung in der Schicht 12 eine elastische Spannung, und die Schicht 12 umfasst ein Elastomer, insbesondere ein Silikon.

Die Figur zeigt unter b) ein alternatives Ausführungsbeispiel eines

Aktorelementes 10 als Flächenkörper, beispielsweise als Blechelement. Die beiden Oberflächen 13 des Aktorelementes 10 sind mit dem Rückstellmittel 1 1 versehen, indem auf die Oberflächen 13 Schichten 12 aus einem

Elastomer aufgebracht sind. Somit kann auch mit einem flächenförmigen Aktorelement 10 ein thermisch wirksamer Aktor 1 gebildet werden.

Schließlich zeigt Figur 3 ein Beispiel eines Beschichtungsverfahrens zur Aufbringung der Schicht 12 auf die Oberfläche 13 des Aktorelementes 10 mittels eines Sprühverfahrens. Hierfür wird das Aktorelement 10, beispielsweise ausgeführt als ein Draht bzw. Endlosdraht, an einer

Sprüheinrichtung 16 kontinuierlich vorbeigeführt, und aus der ein in einem sprühfähigen Zustand vorgehaltenes Elastomer, beispielsweise ein Silikon, austritt und auf die Oberfläche 13 des Aktorelementes 10 in der gezeigten Drahtform gelangt und an dieser haften bleibt, sich also niederschlägt. Die resultierende Schichtdicke beträgt ca. 50pm bis 100pm, beispielsweise 70pm.

Überraschenderweise konnte beispielhaft bei einem Drahtdurchmesser des drahtförmigen Aktorelementes von 200pm und einer nur 70pm dicken Schicht 12 aus Silikon festgestellt werden, dass beide Gestaltänderungen sowohl in eine erste Gestalt als auch in eine zweite Gestalt intrinsisch wirken können und wobei die Gestaltänderungen hohe Umformgrade aufwiesen. Das gleiche überraschend gute Ergebnis wurde bei einem Blechstreifen erreicht, der aus einer Formgedächtnislegierung gebildet wurde und das Aktorelement darstellt. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen

hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste:

1 thermisch wirksamer Aktor

10 Aktorelement

11 Rückstellmittel

12 Schicht

13 Oberfläche

14 Wärmezufuhr

15 Wärmeabfuhr

16 Sprüheinrichtung

I erste Gestalt

zweite Gestalt

F Kraft

s Weg