Die vorliegende Erfindung betrifft eine formveränderliche Verbundstruktur mit einem flexiblen Flä chenelement, welches ausgebildet ist, um ausgehend von einem Ausgangszustand reversibel in wenigstens einen Verformungszustand überführt zu werden, sowie ein Verfahren zur Formverän derung der Verbundstruktur.

Derartige Verbundstrukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Die DE 102013 218 331 A1 beschreibt ein Wand- oder Dachelement mit einem Folienkissen für eine bewegliche Gebäudestruktur. Hierbei handelt sich um aufblasbare Folienkissen, welche mit einem Rahmen eingefasst sind. Durch Druckerhöhung und -Verminderung in den Folienkissen entsteht eine bewegliche Gebäudestruktur. Durch solch eine Bewegung können zum Beispiel Dä cher bestehend aus diesen Folienkissen geschlossen oder geöffnet werden.

In der DE 10 2010 034 954 B4 wird ein Verfahren zum Herstellen von verformten Merkmalen in einer Oberfläche eines Formgedächtnislegierungswerkstückes geschildert. Diese Druckschrift be trifft die Herstellung eines Blech- oder Metallfoliengegenstandes, der Formgedächtniseigenschaf ten aufweist und mit einem Muster geprägt ist, das mit einer Änderung in der Temperatur mehr oder weniger sichtbar gemacht werden kann. Hierbei sollen Bilder oder Muster infolge von Tem peraturänderungen reversibel erscheinen und wieder verschwinden. Höhen, Tiefen und Abstände können verändert und geformt werden.

In der DE 10 2013 209 913 B4 wird eine Oberflächentexturierung mithilfe technischer Strukturen beschrieben. Diese Druckschrift betrifft ein System und ein Verfahren zum aktiven Verändern einer Oberflächentextur mithilfe technischer Systeme, die eine Anordnung von eigenständigen Mechanismen und stärker bevorzugt eine Betätigung mit einem aktiven Material verwenden. Die Betätigung des strukturierten Material Systems kann herkömmliche elektromechanische Vorrich tungen wie Solenoide oder Motoren verwenden. Stärker bevorzugt integriert das System jedoch eine Betätigung mit einem aktiven Material (Formgedächtnislegierungen/Polymere, Phasenände rungsmaterialien etc.), was die Betätigung für das System intrinsisch macht.

Die US 5,804,276 A beschreibt eine Verbundstruktur, die eine kontrollierte Strukturverformung bewirken kann. Die Struktur setzt sich aus einer Vielzahl von Verbundwerkstoffschichten und min destens einer eingebetteten Formgedächtnislegierungskomponente (Formgedächtnislegierungs sehne) zusammen. Diese Komponente besteht auch aus einem Paar elektrisch isolierender ge- gensätzlicher Flächenplatten, die an den gegenüberliegenden Seiten der Formgedächtnislegie rungssehne haften, um die Formgedächtnislegierungssehne von den umgebenden Verbundwerk stoffschichten elektrisch zu isolieren.

Neben den vorher erläuterten Patentschriften gibt es noch weiteren Stand der Technik aus der Nichtpatentliteratur.

Dazu gehören eine programmierbare Origami-Folie aus Nafion, die sich bei bestimmten Tempe raturen zu einer vorher festgelegten Form verformt (https://online- library.wiley.eom/doi/full/10.1002/ange.201704443).

Des Weiteren gibt es Kunststofffolien, die sich nach Befeuchten automatisch zusammenfalten, jedoch ist dies nur im Millimeterbereich möglich (https://www.wissenschaft.de/technik-digita- les/mini-origami-selbstfaltend/).

Außerdem zu erwähnen ist Graphen-Origamipapier, welches selbstständig vorgegebene Formen annehmen kann (https://advances.sciencemag.Org/content/1/10/e1500533/tab-f igures-data).

Zudem gibt es einen folienbasierten Miniaturaktor, welcher aus sehr kleinen gefalteten Formge dächtnisfolien besteht (https://www.memetis.eom/de/aktorik/#form).

Eine weitere Erfindung aus dem Gebiet der adaptiven Oberflächen heißt „Unimorph“. Darunter versteht man dünne Folienkomposite, welche ihre Oberfläche in der Form verändern können. Dazu werden die thermoelektrischen Eigenschaften von Kupfer mit der hohen thermischen Ex pansionsrate von ultrahochmolekularem Polyethylen kombiniert (https://vimeo.com/140531125).

Die Erfindung „flectofold“ ist eine gelenklose Fassadenverschattung nach Vorbild der Unterwas serschnappfalle. Hier sind zwei steife Flügel mit einer starren, elliptisch geformten Mittelrippe über eine Biegezone mit geringerer Steifigkeit verbunden. Die Faltbewegung wird durch Biegen der Mittelrippe ausgelöst. Das auf biologischen Prinzipien beruhende Verschattungssystem besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Durch unterschiedliche Faserorientierungen und Laminatdi cken innerhalb des Materials entstehen Bereiche mit unterschiedlichen Steifigkeiten für Flügel, Mittelrippe und Biegezone (https://www.messekompakt.de/flectofold:-gelenklose-fassaden ver- schattung-nach-vorbild-der-unterwasserschnappfalle).

Bei den genannten Lösungen bestehen folgende Nachteile: DE 102013218 331 A1: Hier wird Druckluft benötigt, um die Folienkissen aufzublasen und somit die Oberfläche zu bewegen. Bei Ausdehnung der Kammern wird sowohl innen als auch nach außen Platz benötigt.

DE 102010 034 954 B4: Hier besteht der ganze Gegenstand der Erfindung aus Formgedächtnis material. Deswegen ist die Erhitzung des gesamten Gegenstands notwendig und man kann nur wenige Millimeter verformen.

DE 102013209 913 B4: In dieser Patentschrift geht es vorrangig um die Veränderung der Ober flächentextur ähnlich einer Pixelstruktur oder eines Brailledisplays.

Die oben genannten „Origami-Papiere“ benötigen hohe Temperaturen oder Feuchtigkeit, um das Material zu aktivieren.

Unimorph: Hier können keine großen Kräfte übertragen werden. Außerdem erhitzt sich die ge samte Folie stark.

Flectofold: Diese Erfindung kann nur ein Faltmuster ausführen.

Dielektrische Elastomere: Bei dielektrischen Elastomeren werden derzeit noch hohe Spannungen benötigt (deutlich über 12V).

In mold electronics: Hier handelt es sich um ein dünnes Verbundmaterial mit integrierten Schalt kreisen. Jedoch ist dies nicht aktorisch.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine formveränderliche Verbund struktur bereitzustellen, die sich ändernden Umgebungsbedingungen eigenständig anpassen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung die formveränderliche Verbundstruktur nach Anspruch 1 bereit.

Diese formveränderliche Verbundstruktur umfasst: ein flexibles Flächenelement, welches ausge bildet ist, um ausgehend von einem Ausgangszustand reversibel in wenigstens zwei verschiedene Verformungszustände überführt zu werden, eine Aktoreinrichtung, die ausgebildet ist, um das Flä chenelement zwischen dem Ausgangszustand und den wenigstens zwei verschiedenen Verfor mungszuständen zu überführen, eine Sensoreinrichtung, die konfiguriert ist, um Daten bezüglich der Verbundstruktur oder deren Umgebung zu erfassen und darauf basierend ein Ausgabesignal zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um die Aktoreinrichtung in Abhän gigkeit des Ausgabesignals der Sensoreinrichtung zu betätigen, vorzugsweise zu steuern oder zu regeln. Dadurch kann die Verbundstruktur auf geänderte Umgebungsbedingungen reagieren und selbstständig unterschiedliche Verformungszustände des Flächenelements herbeiführen. Mit Da ten sind jegliche messbaren Parameter der Verbundstruktur oder deren Umgebung gemeint. Die Datenerfassung kann analog oder digital erfolgen.

Das Flächenelement im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise in Form einer Folie ausgebildet aber ausdrücklich nicht auf eine Folie beschränkt. Das Flächenelement ist vorzugsweise elastisch oder gelenkig verformbar.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die Verbundstruktur ein mehrlagiges, programmierbares Ver bundmaterial, das Umgebungsbedingungen detektieren, mit intrinsischem, reversiblem Verän dern seiner Topologie reagieren und dadurch eigenständig Aufgaben erledigen kann.

Die Bewegung einer adaptiven Folienverbundstruktur kann unterschiedlich erfolgen, je nachdem welches Falt- oder Bewegungsmuster dem Verbundmaterial vorgegeben ist. Ebenso kann die Ausprägung der Oberflächenverformung variabel eingestellt bzw. initial „programmiert“ werden. Die Verbundstruktur soll keinem vorgegebenen Faltmuster unterliegen, soweit der Fokus auf dem materiellen Aufbau des Verbundmaterials liegt, weil die Formveränderung oder Faltung vielseitig sein soll.

Das Verbundmaterial besteht vorzugsweise aus mehreren Lagen von flexiblem Kunststoff, die durch Schweißen, Kleben, Pressen oder andere (Füge-)Verfahren miteinander verbunden sein können. Dabei kann jede Kunststofflage über besondere funktionale Eigenschaften verfügen. Die Flächenform der Folienstücke kann ebenso wie das bewegungsvorgebende Muster beliebig ge wählt werden. Die Kombination der Schichten mit einem aktiven Material ermöglicht die selbst ständige Bewegung und Verformung des Folienverbundmaterials. Die erzeugte Folienkinematik eignet sich zur Gestaltung jeglicher Oberflächen, die bewegt werden sollen.

Die Einsatzmöglichkeiten des Verbundmaterials sind vielseitig. Denkbar ist beispielsweise die An passung an sich verändernde aerodynamische oder akustische Anforderungen oder auch die vi suelle und haptische Veränderung von Strukturen. Diese Anpassungen können unter anderem durch die Veränderung mechanischer Eigenschaften wie beispielsweise anpassbare Steifigkeit erfolgen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche Es kann sinnvoll sein, wenn die Verbundstruktur eine Stützeinrichtung zur Stabilisierung und Formwahrung des Flächenelements aufweist. Durch die Stützeinrichtung kann/können ein oder mehrere Verformungsmuster des Flächenelements gezielt vorgegeben werden. Die Stützeinrich tung ist vorzugsweise elastisch oder gelenkig verformbar.

Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn die Stützeinrichtung eine Mehrzahl von Gliedern zur Aufspannung des Flächenelements umfasst, vorzugsweise mit wenigstens einer der folgenden Eigenschaften:

Die Glieder bilden ein Skelett für das Flächenelement, vorzugsweise ein Endoskelett oder ein Exoskelett.

Die Glieder bilden ein Netz.

Die Glieder sind sternförmig um ein Zentrum angeordnet.

Wenigstens eines der Glieder erstreckt sich entlang einer geraden oder gekrümmten Linie.

Wenigstens eines der Glieder erstreckt sich zumindest abschnittsweise entlang einer in neren oder äußeren Konturlinie des Flächenelements.

Wenigstens eines der Glieder ist elastisch verformbar.

Wenigstens eines der Glieder ist flexibel.

Wenigstens eines der Glieder weist eine höhere Biegesteifigkeit auf als das Flächenele ment, insbesondere gegenüber einer Biegung aus der Erstreckungsebene des Flächen elements.

Wenigstens eines der Glieder erstreckt sich von/und oder zu einem Zentrum des Flächen elements.

Wenigstens eines der Glieder erstreckt sich von/und oder zu einem Eckpunkt des Flächen elements.

Wenigstens zwei der Glieder sind an einem Knotenpunkt miteinander verbunden.

Wenigstens zwei der Glieder sind gelenkig miteinander verbunden. Wenigstens zwei der Glieder bilden einen Zwischenraum, der von dem Flächenelement abschnittsweise oder vollständig überspannt werden.

Mehrere Glieder bilden mehrere Zwischenräume, die von dem Flächenelement abschnitts weise oder vollständig überspannt werden.

Wenigstens eines der Glieder ist ausgebildet, um sich bei Betätigung der Aktoreinrichtung gemeinsam mit dem Flächenelement zu verformen.

Wenigstens eines der Glieder, vorzugsweise mehrere oder alle Glieder, erstreckt/erstre cken sich zwischen zwei Schichten des Flächenelements.

Wenigstens eines der Glieder, vorzugsweise mehrere oder alle Glieder, erstreckt/erstre cken an einer Außenseite des Flächenelements.

Mit diesen Merkmalen kann die Stützeinrichtung auf individuelle Anwendungsfälle gezielt zuge schnitten werden.

Es kann sich aber auch als nützlich erweisen, wenn die Aktoreinrichtung wenigstens ein Aktorel ement zur Verformung des Flächenelements umfasst, vorzugsweise mit wenigstens einer der fol genden Eigenschaften:

Das Aktorelement ist aus einem aktiven Material ausgebildet.

Das Aktorelement ist aus einem Formgedächtnismaterial, vorzugsweise als Legierung o- der Polymer, ausgebildet.

Das Aktorelement ist aus einem Phasenänderungsmaterial ausgebildet.

Das Aktorelement ist als Draht oder Band ausgebildet.

Das Aktorelement erstreckt sich quer über einen zu verformenden Abschnitt des Flächen elements, vorzugsweise quer über einen von Gliedern der Stützeinrichtung gebildeten Zwi schenraum.

Das Aktorelement ist durch elektrische Ansteuerung, vorzugsweise durch Anlegen einer Ansteuerspannung, betätigbar, bevorzugt mechanisch verformbar.

Das Aktorelement ist derart mit dem Flächenelement gekoppelt, um dessen Verformung auf das Flächenelement zu übertragen. Mehrere Aktorelemente bilden ein das Flächenelement überspannendes Netz.

Mehrere Aktorelemente sind sternförmig um ein Zentrum angeordnet.

Das Aktorelement erstreckt sich entlang einer geraden oder gekrümmten Linie.

Das Aktorelement erstreckt sich von/und oder zu einem Zentrum des Flächenelements.

Das Aktorelement erstreckt sich von/und oder zu einer Konturline zwischen zwei Eckpunk ten des Flächenelements.

Das Aktorelement ist ausgebildet, um sich durch ein von der Steuereinrichtung ausgege benes, thermisches, elektrisches oder magnetisches Signal zu verformen.

Die Spannung zur Betätigung des Aktorelements liegt im Bereich von 8 bis 16 V, vorzugs weise im Bereich von 10 bis 14 V, bevorzugt bei 12 V. Zur Verformung einer größeren Fläche in gleicher Geometrie sind tendenziell kleinere Spannungen und größere Strom stärken notwendig. In umgekehrter weise verhält es sich, wenn das dargelegte Geomet riebeispiel kleiner ausfallen sollte. Ebenso die „Faltgeometrie“, welcher der „Gelenkgeo metrie“ zugrunde liegt, hat einen wesentlichen Einfluss auf die benötigte Energie. Andere Aktormaterialien (anstelle FGL) wie bspw. Polymeren, würden bei gleicher Geometrie wie im dargelegten Beispiel ebenfalls andere Bestromungsparameter benötigen.

Die Stromstärke zur Betätigung des Aktorelements liegt im Bereich von 0,1 bis 5 A, vor zugsweise im Bereich von 0,2 bis 1 A, bevorzugt bei 0,5 A.

Das Aktorelement wird mit Energie versorgt, die in der Verbundstruktur, vorzugsweise in der Aktoreinrichtung, gespeichert wird, beispielsweise einer Batterie/Akku, oder erzeugt wird, beispielsweise mit einem Generator, oder gewonnen wird, beispielsweise mit einer Solarzelle. Die Stromzufuhr kann aber auch von extern erfolgen.

Das Aktorelement übt eine translatorische und/oder rotatorische Kraft auf die Stützeinrich tung und/oder das Flächenelement aus.

Mit diesen Merkmalen kann die Verformung des Flächenelements gezielt gesteuert werden.

Es kann auch praktisch sein, wenn die Aktoreinrichtung und/oder die Sensoreinrichtung und/oder die Steuereinrichtung und/oder die Stützeinrichtung fest mit dem Flächenelement verbunden sind, vorzugsweise Teil(e) des Flächenelements oder eine mit dem Flächenelement verformbare Ein heit bildet/bilden, und bevorzugt in das Flächenelement eingebettet ist/sind. Dadurch lassen sich die Einrichtungen der Verbundstruktur besonders kompakt und ggf. von außen nicht sichtbar in nerhalb des Flächenelements unterbringen. Ein hoher Kraftschluss zwischen bspw. „Epidermis“ und „Endoskelett“ ist generell vorteilhaft, zwischen „sensitiver Schicht“ und „Epidermis“ muss das nicht unbedingt sein.

Es kann sich überdies als nützlich erweisen, wenn das Flächenelement im Ausgangszustand oder in einem der beiden Verformungszustände eben, gekrümmt oder gefaltet ist, wobei das Flächen element in einem ebenen Zustand vorzugsweise einen polygonalen, bevorzugt viereckigen, be sonders bevorzugt quadratischen Umriss aufweist. Die Außengeometrie des Flächenelements kann aber auch rund, elliptisch oder dergleichen sein. Mit diesen Merkmalen kann das Flächen element seine aerodynamischen, akustischen, optischen, haptischen oder visuellen Eigenschaf ten ändern. Im Fokus der Erfindung steht aber nicht die Beispielgeometrie, sondern der struktu relle Aufbau des Verbundmaterials und die Eigenschaften/Funktionsmöglichkeiten dessen - sprich die Art und Weise der Umsetzung der Funktionsintegration in die Materialebene - die Er zeugung eines formveränderlichen Materials, welches nachträglich programmiert werden kann. Dieser Aspekt ist losgelöst von der Faltgeometrie.

Es kann auch sinnvoll sein, wenn die Sensoreinrichtung wenigstens einen der folgenden Senso ren aufweist: Gegenstandssensor, Bewegungssensor, Temperatursensor, Helligkeitssensor, Lautstärkesensor, Entfernungssensor, Beschleunigungssensor, Kraftsensor, Gassensor, wobei der Sensor vorzugsweise in das Flächenelement eingebettet oder eingedruckt ist. Dadurch lassen sich Zustandsänderungen der Verbundstruktur oder des Flächenelements, aber auch Änderun gen in den Umgebungsbedingungen erkennen und in Signale zur Verformung des Flächenele ments umsetzen.

Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn das Flächenelement wenigstens eine Schicht aufweist, bevorzugt mit wenigstens einer der folgenden Eigenschaften:

Die Schicht ist zumindest abschnittsweise aus Metall und/oder Kunststoff und/oder Holz und/oder Textil hergestellt.

Die Schicht weist eine Faserverstärkung auf, vorzugsweise eine Glasfaserverstärkung.

Die Schicht weist eine elektrische Schaltung auf.

Die Schicht weist elektronische Kontaktierung auf. Die Schicht weist elektronische Komponenten auf.

Die Schicht ist wasserundurchlässig ausgebildet.

Die Schicht weist ein Dekor auf.

Die Schicht weist elektrische Leiter auf, wobei die elektrischen Leiter vorzugsweise als Leitungsdrähte oder geätzte Leiterbahnen ausgebildet sind.

Die Schicht weist eine Dicke im Bereich von 10 bis 1000 pm, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 500 pm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 300 pm auf. Beispielsweis kann die „Epidermis“ eine Dicke unter 100 pm aufweisen. Das „Endoskelett“ kann eine Dicke von 1000 pm oder mehr aufweisen.

Die Schicht ist als Folie ausgebildet, vorzugsweise aus Metall und/oder aus Kunststoff. Die Schicht ist als Textilmatte ausgebildet.

Die Schicht umfasst eine Mehrzahl von gelenkig verbundenen Elementen.

Wenigstens zwei der Schichten weisen unterschiedliche Dicken auf.

Wenigstens zwei der Schichten weisen unterschiedliche Faserorientierungen auf, wobei die Fasern unterschiedlicher Schichten vorzugsweise senkrecht oder im Winkel von 45° zueinander ausgerichtet sind.

Wenigstens zwei der Schichten weisen unterschiedliche Flächenträgheitsmomente bezüg lich einer Biegung aus ihrer Erstreckungsebene auf.

Wenigstens zwei der Schichten weisen unterschiedliche Biegesteifigkeiten bezüglich einer Biegung aus ihrer Erstreckungsebene auf.

Wenigstens zwei der Schichten sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt.

Wenigstens zwei der Schichten sind fest verbunden, vorzugsweise durch Schweißen, Kle ben oder Pressen.

Wenigstens zwei der Schichten sind, soweit vorhanden, in folgender Reihenfolge von au ßen nach innen angeordnet: o Epidermis-Schicht, die vorzugsweise wasserundurchlässig ausgebildet ist, bevor zugt auf der Außenseite ein Dekor aufweist. o Endoskelett-Schicht, umfassend die Stützeinrichtung. o Rezeptive Schicht, umfassend die Sensoreinrichtung. o Neuronale Schicht, umfassend die Steuereinrichtung. o Muskulatur-Schicht, umfassend die Aktoreinrichtung. o Epidermis-Schicht, die vorzugsweise wasserundurchlässig ausgebildet ist.

Zwischen den „Epidermis-Schichten“ kann die Reihenfolge der Schichten variieren. Zwei oder mehr Schichten können mitunter, je nach Anwendungsfall, auch kombiniert sein, bspw. rezeptive Schicht, neuronale Schicht und Muskulatur-Schicht.

Es kann sich als nützlich erweisen, wenn die Verbundstruktur wenigstens eine der folgenden Ei genschaften aufweist:

Die Dicke der Verbundstruktur, vorzugsweise des Flächenelements, liegt im Bereich von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm, bevorzugt 2 mm.

Ein durch Überführung des Flächenelements zwischen dem Ausgangszustand und den wenigstens zwei verschiedenen Verformungszuständen erzielbarer Hub, der vorzugs weise senkrecht zu einer Erstreckungsebene des Flächenelements gemessen wird, liegt bei mindestens dem 10-fachen der Dicke der Verbundstruktur, vorzugsweise des Flächen elements, bevorzugt bei wenigstens dem 20-fachen.

Ein durch Überführung des Flächenelements zwischen dem Ausgangszustand und den wenigstens zwei verschiedenen Verformungszuständen erzielbarer Hub, der vorzugs weise senkrecht zu einer Erstreckungsebene des Flächenelements gemessen wird, liegt bei mindestens 10 mm, vorzugsweise mindestens 20 mm, bevorzugt bei mindestens 30 mm.

Die Verbundstruktur ist ausgebildet, um durch Überführung des Flächenelements zwi schen dem Ausgangszustand und den wenigstens zwei verschiedenen Verform ungszu- ständen seine aerodynamischen und/oder akustischen und/oder visuellen und/oder hapti schen und/oder mechanischen (Steifigkeit) und/oder topologischen Eigenschaften (Geo metrisch) zu verändern.

Die Verbundstruktur oder das Flächenelement ist nach wenigstens einem der folgenden Verfahren hergestellt: Laminieren, Kleben, 3D-Druck, Spritzguss, Tiefziehen oder Heiß pressen.

Die Verbundstruktur umfasst eine Einrichtung zur Energiespeicherung und/oder eine Ein richtung zur Energieerzeugung und/oder eine Einrichtung zur Energiegewinnung, wobei diese Einrichtung(en) vorzugsweise die Aktoreinrichtung und/oder die Sensoreinrichtung und/oder die Steuereinrichtung mit Energie versorgt, wobei diese Einrichtung(en) bevor zugt Teil(e) des Flächenelements oder eine mit dem Flächenelement verformbare Einheit bildet/bilden, und bevorzugt in das Flächenelement eingebettet ist/sind. Externe Einrich tungen zur Energiespeicherung, Energieerzeugung oder Energiegewinnung können ebenso verwendet werden.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung der Verbund struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte um fasst:

Erfassen von Daten bezüglich der Verbundstruktur oder deren Umgebung und Ausgabe eines darauf basierenden Ausgabesignals mittels der Sensoreinrichtung.

Betätigen (Steuern oder Regeln) der Aktoreinrichtung mittels der Steuereinrichtung in Ab hängigkeit des Ausgabesignals der Sensoreinrichtung, um das Flächenelement zwischen dem Ausgangszustand und den wenigstens zwei verschiedenen Verformungszuständen zu überführen.

Weiterer vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprü chen offenbarten Merkmale mit Merkmalen aus der Beschreibung oder den Zeichnungen.

Durch die Erfindung werden die Gestaltungs- und Nutzungsmöglichkeiten von Oberflächen enorm erweitert. Ohne komplexe Apparaturen für Antrieb und Bewegungsumsetzung, ohne Energieträ germedien wie Gase und Fluide und mit nur wenig Energie kann das Material dafür genutzt wer den, Oberflächen topologisch zu verändern und aktorische Aufgaben zu übernehmen. Die erfindungsgemäße Verbundstruktur kann Umgebungsbedingungen analysieren, verarbeiten und aktiv mit einer topologischen Veränderung seiner Form reagieren. Die Eigenschaften, primär die Topologie der Verbundstruktur, sind gezielt aktiv oder passiv veränderbar. Durch die Integra tion von Werkstoff, Aktorik, Sensorik und Reglungselektronik werden hochkomplexe Strukturen erzeugt und eine intelligente, funktionale Materialkomponente geschaffen. Der mehrlagige Aufbau und die verschiedenen Schichten erlauben eine optimale Anpassung bzw. Einstellung des Ver bundwerkstoffs an seine Arbeitsaufgabe.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und computergenerierte Ansicht einer erfindungsgemäßen, formver änderlichen Verbundstruktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel, umfassend ein transparen tes Flächenelement und eine in das Flächenelement eingebettete, skelettartige Stützeinrichtung sowie in das Flächenelement eingebetteten Schichten mit Elementen der Aktor,- Sensor- und Steuereinrichtungen.

Fig. 2 den Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Verbundstruktur nach Fig. 1 in einer perspekti vischen Explosionsansicht.

Fig. 3 in Ansicht (a) eine fotografische Abbildung einer erfindungsgemäßen Verbundstruktur ge mäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Ausgangszustand und in Ansicht (b) dieselbe Ver bundstruktur in einem Verformungszustand.

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Verbundstruktur nach einem zwei ten Ausführungsbeispiel, umfassend ein flexibles, mehrlagiges Flächenelement mit einem netzar tigen Exoskelett als Stützeinrichtung, das eine Vielzahl von an Knotenpunkten verbundenen Glie dern aufweist, wobei die Elemente der Aktor,- Sensor- und Steuereinrichtungen als Schichten in das Flächenelement integriert sind.

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Verbundstruktur nach einem dritten Ausführungsbeispiel, umfassend ein flexibles, mehrlagiges und transparentes Flächenelement mit in eigenen Schichten eingebetteten Sensor-, Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen (nicht darge stellt). Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Verbundstruktur nach einem vierten Ausführungsbeispiel, umfassend ein flexibles Flächenelement aus einem Holzfurnier mit einge betteten Sensor-, Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen (nicht dargestellt).

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die Erfindung betrifft eine mehrlagige formveränderliche Verbundstruktur 1. Die Verbundstruktur 1 kann insbesondere als Folienverbundstruktur ausgebildet sein, wobei jede Folienschicht eine Teilaufgabe innerhalb des Gesamtsystems übernimmt - vergleichbar mit einem Organismus. Die Schichten unterscheiden sich vorzugsweise in ihrem strukturellen Aufbau und zuweilen Ihrer Ma terialität. Durch die dünne Materialstärke (im Mikrometer- bis Millimeterbereich) können mehrere Folien miteinander kombiniert werden und selbstständig untergeordnete Aufgaben ausführen. Im Vordergrund steht beispielsweise die reversible Veränderung der Topologie. Dies erfolgt z.B. durch die Betätigung einer Formgedächtnislegierung, d.h. eines aktiven Materials (Formgedächt nislegierungen/Polymere, Phasenänderungsmaterialien etc.). Formgedächtnislegierungen sind metallische Materialien, die die Eigenschaft besitzen, sich an eine zuvor definierte Form zu „erin nern“, wenn sie thermischen, elektrischen oder magnetischen Reizen ausgesetzt werden.

Die einzelnen Funktionsschichten können im Gesamtverbund mehrfach vorhanden sein bzw. sich in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen wiederholen. Die Reihenfolge der Schichtena nordnung ist variabel. Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist rein beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen in keiner Weise einschränken.

Erstes Ausführungsbeispiel (Fig. 1 bis 3)

Im ersten Ausführungsbeispiel, das nachstehend mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben wird, ist die formveränderliche Verbundstruktur 1 als flexibles Flächenelement 2 aus mehreren laminierten Schichten ausgebildet, wobei einzelne Schichten des Flächenelements 2 die Sensor- , Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen 3, 4, 5 bzw. 6 enthalten bzw. deren Funktionen erfüllen.

In der Draufsicht auf die Erstreckungsebene umfasst das Flächenelement 2 einen quadratischen Umriss.

Die beiden innersten bzw. äußeren Schichten 7 der Verbundstruktur 1 bilden die visuelle Oberflä che des flexiblen Flächenelements 2 - die Haut bzw. Epidermis. Sie sind beliebig gestalt- bzw. bedruckbar, halten alle weiteren Schichten zusammen und schützen die inneren Komponenten vor ungewünschten äußeren Einflüssen. Unter der Oberfläche befindet sich die Stützeinrichtung 6 als bewegungsvorgebende, kinematische Schicht - das Endoskelett. Diese Schicht gibt die Form der Oberflächenveränderung und deren Intensität vor. Diese Folie besteht aus einem festeren, stabileren Material, um eine einwandfreie Faltung zu gewährleisten. Darunter folgt eine rezeptive Schicht mit der integrierten Sensorik, welche die Sensoreinrichtung 3 bildet. Hier befinden sich eingedruckte oder eingebettete Sensoren, welche die unmittelbare Umgebung der Folie erfassen. Bezüglich der Messgrößen gibt es keine Einschränkungen. So können beispielsweise Gegen stände, Bewegungen, Temperatur, Helligkeit, Lautstärke, Entfernungen usw. vom Verbund erfasst bzw. gemessen werden. Die neuronale Schicht übernimmt als Steuereinrichtung 4 die Verbindung der Sensoreinrichtung 3 und der Aktoreinrichtung 5 - d.h. die Verbindung der rezeptiven und ak tiven Schicht - mit Ansteuerung. Die die Steuereinrichtung 4 aufweisende Schicht beherbergt die Leiterbahnen und die mechanische/elektrische Kontaktierung der einzelnen Bauteile und aktiven Materialien. Die Ansteuerung erfolgt über eine elektronische Schaltung. Es schließt sich nach in nen die Aktoreinrichtung 5 als aktive, aktorische Schicht an - die Muskulatur. Hier erfolgt die Kraft ausübung, welche die Faltung der Folie initiiert. Eingebettete aktive Materialien üben translatori sche Kräfte auf die Stützeinrichtung 6 als endoskeletöse Schicht aus. Diese wiederum bewegt, in der Ihr strukturell vorgegebenen Weise, die umliegenden Schichten mit.

In der Draufsicht umfasst das Flächenelement 2 einen quadratischen Umriss. Die skelettartige Stützeinrichtung 6 umfasst eine Vielzahl von Gliedern 6b, 6c, die an Knotenpunkten 6e z.B. an den Ecken 2b des Flächenelements 2 verbunden sind. Einige Glieder 6b erstrecken sich diagonal über das Flächenelement 2 und dessen Zentrum 2a bzw. das Zentrum 6a der Stützeinrichtung 6 zwischen den Eckpunkten 2b des Flächenelements. Andere Glieder 6c verlaufen in gerader Linie entlang der Außenkanten 2c bzw. entlang der äußeren Konturlinien 2c des Flächenelements, um sich an den Knotenpunkten 6e mit den diagonal verlaufenden Gliedern 6b zu verbinden. Die Glie der 6b und 6c der Stützeinrichtung 6 bilden insgesamt vier bogensegmentförmige Zwischenräume bzw. Fenster 6f, die durch die benachbarten Schichten des Flächenelements 2 überspannt wer den.

Die Verbundstruktur 1 kann im inaktiven Zustand, der als Ausgangszustand bezeichnet wird, eben, gekrümmt oder gefalten sein - je nach Anwendungsfall.

Die Verbundstruktur 1 kann auch in einem aktiven Zustand, der als Verformungszustand bezeich net wird, eben, gekrümmt oder gefalten sein - je nach Anwendungsfall.

Die fotografischen Abbildungen gemäß den Figuren 3a und 3b zeigen die erfindungsgemäße Ver bundstruktur 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Ausgangszustand (Figur 3a), in welchem das Flächenelement 2 sich näherungsweise in einer Ebene erstreckt, bzw. in einem ersten Verformungszustand, in welchem die sich diagonal überdas Flächenelement 2 erstrecken den Gliederder Stützeinrichtung 6 bogenförmig aus der Erstreckungsebene des Flächenelements 2 gekrümmt sind. Durch nimmt das Flächenelement 2 im Verformungszustand eine näherungs weise schalenförmige Gestalt an, die zur Oberseite konkav und zur Unterseite konvex gewölbt ist. Durch Betätigung der Aktoreinrichtung 5, die bedingt durch die von der Sensoreinrichtung 3 aus gegebenen Signale von der Steuereinrichtung 4 angesteuert wird, wird das über die Stützeinrich tung 6 gespannte Flächenelement 2 entsprechend verformt.

Die Verbundstruktur 1 kann eben produziert und nachträglich (z.B. thermisch) umgeformt werden. Dies kann beispielsweise notwendig sein um eine Vorzugsrichtung für die auszuführende topolo gische Veränderung des Verbundmaterials zu initiieren, auszubilden oder zu verstärken.

Weitere Ausführungsbeispiele

Die Verbundstruktur 1 muss nicht vollständig aus Kunststoffschichten bestehen. In den nachfol genden Ausführungsbeispielen sind weitere Materialkombinationen dargestellt.

Der Aufbau der Verbundstruktur 1 und die Funktionsweise des Flächenelements 2 sowie der Sen sor-, Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen 3, 4, 5 bzw. 6 sind in den weiteren Ausführungsbei spielen vorzugsweise identisch wie im ersten Ausführungsbeispiel, soweit die Unterschiede nicht explizit angegeben sind.

Zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 4)

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, das nachstehend mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben wird, umfasst die Verbundstruktur 1 ein flexibles, mehrlagiges Flächenelement 2 mit einer äußeren Stützeinrichtung 6 zur Ausbildung eines netzartigen Exoskeletts, das eine Vielzahl von an Kno tenpunkten 6e verbundenen Gliedern 6b, 6c, 6d mit dazwischen ausgebildeten Zwischenräumen aufweist. Die Sensor-, Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen 3, 4, 5 bzw. 6 und deren Kompo nenten sind jeweils in eine eigene Schicht eingebettet in das Flächenelement 2 integriert. Die Verbundstruktur 1 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff-Textil Hybridmaterial und wird bei spielsweise im 3D-Druckverfahren, alternativ oder ergänzend im Spritzguss- bzw. Tiefziehverfah ren hergestellt.

Drittes Ausführungsbeispiel (Fig. 5)

Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, das nachstehend mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben wird, umfasst die Verbundstruktur 1 ein flexibles, mehrlagiges und transparentes Flächenelement mit eingebetteten Sensor-, Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen 3, 4, 5 bzw. 6 (nicht dargestellt). Die Verbundstruktur 1 besteht vorzugsweise aus einem Mehrkomponenten-Kunststoff und wird z.B. durch Lamination, alternativ oder ergänzend im Heißpress- bzw. Tiefziehverfahren herge stellt.

Viertes Ausführungsbeispiel (Fig. 6)

Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, das nachstehend mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben wird, umfasst die Verbundstruktur 1 ein flexibles Flächenelement 2 aus einem Holzfurnier mit eingebet teten Sensor-, Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen 3, 4, 5 bzw. 6 (nicht dargestellt). Die Schich ten des Holzfurniers werden vorzugsweise geklebt, gegebenenfalls laminiert, ergänzend sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Verbundstruktur 1 umfasst sowohl sensitive, kognitive als auch reaktive Fähigkeiten. Ermöglicht werden kann dies durch die Integration von Sensorik, Aktorik, Steue rungselektronik, Kinematik in Gestalt der Sensor-, Steuer-, Aktor- und Stützeinrichtungen 3, 4, 5 bzw. 6 in die MaterialebeneDas Verbundmaterial kann „programmiert“ werden, d.h. auf jede Schicht des Materialverbundes kann initial (bei der Produktion des Verbundes) aktiv Einfluss ge nommen und die Eigenschaften, entsprechen der optimalen Ausführung der Arbeitsaufgabe, ver ändert werden. Gleichsam wird eine nachträgliche Manipulation der rezeptiven und reaktiven Fä higkeiten möglich - das Material ist justierbar.

Die erfindungsgemäße Verbundstruktur 1 benötigt niedrigere Temperaturen, um sich zu verfor men. Auch ist keine Feuchtigkeit erforderlich, um das Material zu aktivieren und mit nur wenig Energie können große Formveränderungen erzeugt werden. Man benötigt kein zusätzliches Ener gieträgermedium wie Gase oder Fluide. Insgesamt können mit dem erfindungsgemäßen Verbund material bei geringer Energiezuführung große Bewegungen und Kräfte erzeugt werden, um die Topologie der Verbundstruktur 1 ändern.

Die erfindungsgemäße Verbundstruktur 1 kann einen mehrlagigen Aufbau mit unterschiedliche Materialeigenschaften je Schicht aufweisen. Die Sensoreinrichtung 3 ermöglicht ein Erfassen des näheren Umfeldes. Außerdem kann die erfindungsgemäße Verbundstruktur 1 verschiedene Falt muster ausführen. Bezugszeichenliste

1 Verbundstruktur

2 Flächenelement

2a Zentrum des Flächenelements

2b Eckpunkt des Flächenelements

2c Außenkante bzw. äußere Konturlinie des Flächenelements

3 Sensoreinrichtung bzw. rezeptive Schicht

4 Steuereinrichtung bzw. neuronale Schicht

5 Aktoreinrichtung bzw. Muskulaturschicht

6 Stützeinrichtung (Skelett)

6a Zentrum der Stützeinrichtung

6b Glied, welches sich vom/zum Eckpunkt des Flächenelements erstreckt 6c Glied, welches sich entlang einer Konturlinie des Flächenelements erstreckt

6d Glied, welches sich von/zu einem Knotenpunkt des Flächenelements erstreckt

6e Knotenpunkt

6f Ausschnitt bzw. Fenster

7 Epidermis-Schicht