DE112005000562B4

DE112005000562B4 - Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material und Verfahren zum Verändern der Dichtungskraft

Info

Publication number: DE112005000562B4
Application number: DE200511000562
Authority: DE
Inventors: Geoffrey P. Los Angeles Mc Knitht; Cameron Hawthorne Massey; William Ventura Barvosa-Carter; Christopher P. Newbury Park Henry; Guillermo Winnetka Herrera; Andrew C. Santa Monica Keefe; Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: US20050206096A1; WO2005089190A3; US7815233B2; US7815232B2; DE112005000562T5; DE112005000573B4; US20080104796A1; US20050212304A1; US20050206095A1; WO2005089190A2; US7845648B2; US20050230925A1; US8109042B2; DE112005000573T5; US20070246898A1; US20050198907A1; US20050198904A1; WO2005089186A3; US8240677B2; WO2005089186A2

Abstract

Verfahren zum Verringern einer Kraft zum Schließen einer Tür in einem Türrahmen, das umfasst, dass:
eine Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material an entweder der Tür oder dem Türrahmen angebracht wird, wobei die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material ein aktives Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) umfasst;
das aktive Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) aktiviert und mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal verändert wird, wobei die Veränderung in mindestens einer Eigenschaft eine Moduleigenschaft und/oder eine Form der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material verändert;
die Tür gegen den Türrahmen geschlossen und verriegelt wird; und
das aktive Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) deaktiviert und ein Dichtungsdruck zwischen der Tür und dem Türrahmen erhöht wird, wobei...

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft und beansprucht die Priorität der U. S. Provisional Application Nr. 60/552,781 mit dem Titel "Active Seal Assemblies", die am 12. März 2004 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig miteingeschlossen ist.
HINTERGRUND
Diese Offenbarung betrifft aktives Material, das geeignet ist, die Dichtungskraft, die Dichtungseffektivität für den Schutz oder das Wandern von Geräusch, Wasser oder dergleichen durch die Dichtungsanordnung, oder die Leichtigkeit, mit der der Eintritt in oder der Austritt aus einem Kraftfahrzeug von einem Bediener oder einem Insassen desselben bewerkstelligt werden kann, wahlweise zu verändern, zu verringern oder zu erhöhen.
Gegenwärtige Verfahren und Anordnungen zum Abdichten gegenüberliegender Flächen, wie beispielsweise Türen und Kofferraumdeckel, umfassen die Verwendung von flexiblen elastischen Membranen und Strukturen, die sich bei einem Druckkontakt von einer Komponente gegen eine andere Komponente zusammendrücken. Deswegen muss, um einen effektiven Dichtungseingriff bereitzustellen, die Schließkraft ausreichend sein, um jegliche Druckkräfte, die zu der Dichtungsanordnung gehören, zu überwinden. Typische Materialien, die für Dichtungsanordnungen ange wandt werden, sind passive Materialien und umfassen im Allgemeinen verschiedene Formen von Elastomeren, z. B. Schäume und Feststoffe, die zu Strukturen ausgebildet sind, die massive und/oder hohle Querschnittsstrukturen aufweisen. Die Geometrien der Querschnitte werden verändert und können von kreisförmigen Formen bis zu unregelmäßigen Formen reichen, die mehrere Hohlräume, Kanäle, Schlitze und/oder ausgedehnte Rippen aufweisen.
Dichtungsanordnungen werden typischerweise für das Schall-, Luftströmungs- und/oder Fluidmanagement verwendet. Die Dichtungen sind im Allgemeinen einer Vielzahl von Bedingungen ausgesetzt. Beispielsweise werden bei Fahrzeuganwendungen Türdichtungen im Allgemeinen einem weiten Bereich von Umgebungsbedingungen ausgesetzt, wie etwa Regen-, Schnee-, Sonnen-, Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen und dergleichen. Wie es oben angemerkt wurde, sind gegenwärtige Materialien, die für Kraftfahrzeugdichtungen benutzt werden, im Allgemeinen passiv. Das heißt abgesehen von immanenten Veränderungen in den Moduleigenschaften des Dichtungsmaterials aufgrund von Alterungs- und Umgebungsstimuli können die Steifigkeit und die Querschnittsgeometrien der Dichtungsanordnungen nicht aus der Ferne verändert oder nach Bedarf gesteuert werden.
Ein Problem bei gegenwärtigen passiven Dichtungen ist der Kompromiss in der Dichtungseffektivität. Eine Zunahme des Grenzflächendruckes und/oder der Kontaktfläche der Dichtung kann im Allgemeinen die Dichtungseffektivität erhöhen. Jedoch bei Abdichtungsanwendungen in Fahrzeugtüren führt der erhöhte Grenzflächendruck und/oder die größere Kontaktfläche durch passive Dichtungsanordnungen im Allgemeinen zu erhöhten Anstrengungen zum Öffnen und Schließen der Tür.
US 5,390,974 beschreibt eine Dichtungsanordnung für eine Kraftfahrzeugtür, die auf einen Flansch der Tür aufgeschoben wird. Das Dichtungsteil umfasst einen Schlauch, der an dem Halteteil der Dichtung angebracht ist und mit einem elektrorheologischen Fluid gefüllt ist. Das Fluid verändert unter Einwirkung einer elektrischen Spannung seine Viskosität und wird fest.
US 6,702,301 B1 beschreibt eine Fensterdichtung. Ein Hohlraum wird entweder aufgeblasen oder evakuiert, um die Dichtwirkung zu ändern. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine Spannung zwischen dem Rahmen und der Dichtung angelegt, um eine bewegliche Lippe zum Rahmen oder vom Rahmen weg zu bewegen.
EP 0 369 799 A2 beschreibt eine magnetische Fensterabdichtung, bei der ein erstes magnetisches Element an einer Kraftfahrzeugkarosserie und ein zweites magnetisches Element an dem Fenster befestigt sind. Beim Schließen des Fensters wird durch die resultierende magnetische Kraft eine Dichtung zusammengehalten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zum Verringern einer Kraft zum Schließen einer Tür in einem Türrahmen und Verfahren zum Verringern einer Kraft zum Öffnen einer Tür in einem Türrahmen anzugeben, wobei die Dichtungseffektivität gesteuert und aus der Ferne verändert werden kann.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verringerung einer Kraft zum Schließen einer Tür mit einem Verfahren mit den Merkmalen der Anspruchs 1 oder einem Verfahren mit den Merkmalen der Anspruchs 8 und hinsicht lich eines Verfahrens zum Verringern einer Kraft zum Öffnen einer Tür mit Hilfe eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.
Die eingesetzten Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material können gesteuert und aus der Ferne verändert werden, um die Dichtungseffektivität zu verändern, wobei die aktiven Dichtungsanordnungen ihre Steifigkeitseigenschaften nach Bedarf verändern, beispielsweise durch Verändern des Elastizitätsmoduls des Materials oder der Geometrie, indem die Querschnittsform der Dichtungsstruktur aktiv verändert wird. Auf diese Weise können bei Dichtungsanwendungen, wie etwa der oben erwähnten Fahrzeugtüranwendung, die Anstrengungen zum Öffnen und Schließen einer Tür minimiert werden, die Dichtungseffektivität kann jedoch maximiert werden, indem die Dichtungseigenschaften aktiv manipuliert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun Bezug auf die Figuren genommen, die beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind:
1 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer Ausführungsform;
2 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform;
3 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform;
4 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform;
5 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform;
6 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform;
7 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform;
8 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform;
9 und 10 sind jeweils eine Querschnitts- bzw. eine Perspektivansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
11 und 12 sind jeweils eine Querschnitts- bzw. eine Perspektivansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
13 und 14 sind jeweils eine Querschnitts- bzw. eine Perspektivansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
15 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform; und
16 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in den Ausschalt- und Einschaltzuständen gemäß einer anderen Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin sind Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material und Verfahren zu deren Verwendung offenbart, wobei der Durchmesser, die Form, die Orientierung und/oder das Volumen der Abdichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Bedarf eingestellt werden kann. Die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material umfassen im Allgemeinen ein aktives Material, das für einen Dichtungseingriff zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen geeignet ist, eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material und einen Controller in Wirkverbindung mit der Aktivierungsvorrichtung zum wahlweisen Liefern eines Aktivierungssignals an das aktive Material. Mindestens eine der zwei gegenüberliegenden Flächen ist bevorzugt relativ zu der anderen Fläche beweglich. Für Türanwendungen können die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material programmiert sein, um die Dichtungskraft, die Dichtungseffektivität für den Schutz oder das Wandern von Geräusch, Wasser oder dergleichen durch die Dichtung oder die Leichtigkeit, mit der der Eintritt oder Austritt in ein Fahrzeug durch den Fahrzeugbediener oder -insassen bewerkstelligt wird, zu variieren, zu verringern oder zu erhöhen. Obwohl hierin Bezug auf Kraftfahrzeuganwendungen genommen wird, ist in Betracht zu ziehen, dass die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material zum Abdichten gegenüberliegender Flächen für verschiedene Grenzflächen, wie etwa Kühlschranktüren, Fenster, Schubladen und dergleichen, angewandt werden können. Für Kraftfahrzeuganwendungen werden Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material bevorzugt zwischen einer Öffnung in einem Fahrzeug und einer Fläche in bewegbarem Eingriff mit der Öffnung, wie etwa einer Fahrzeugtür, benutzt.
Die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material umfassen im Allgemeinen ein aktives Material, das wahlweise aktiviert werden kann, um die Eigenschaften der Dichtungsstruktur zu manipulieren. Der Ausdruck "aktives Material", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf mehrere unterschiedliche Materialklassen, von denen alle eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft, wie der Abmessung, Form, Orientierung und/oder dem Elastizitätsmodul, zeigen, wenn sie mindestens einem von vielen unterschiedlichen Arten von angelegten Aktivierungssignalen ausgesetzt werden, wobei Beispiele von derartigen Signalen thermisch, elektrisch, magnetisch, Spannung und dergleichen sind. Eine Klasse von aktiven Materialien sind ist Formgedächtnismaterialien. Diese Materialien zeigen ein Formgedächtnis. Nachdem sie pseudoplastisch verformt worden sind, können die Formgedächtnismaterialien insbesondere durch Anlegen eines geeigneten Feldes wieder in ihre ursprüngliche Form zurückgeführt werden. Auf diese Weise können sich Formgedächtnismaterialien in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu einer bestimmten Form verändern. Geeignete Formgedächtnismaterialien umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische SMAs (FSMA) und Formgedächtnispolymere (SMP). Als eine zweite Klasse von aktiven Materialien können als diejenigen betrachtet werden, die eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft zeigen, wenn sie einem angelegten Feld ausgesetzt werden, aber bei Wegnahme des angelegten Feldes in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Aktive Materialien in dieser Kategorie umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), trainierte Zweiweg-Formgedächtnislegierungen, magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR), elektrorheologische Fluide (ER), Verbundwerkstoffe aus einem oder mehreren der vorstehenden Materialien mit nichtaktiven Materialien, Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Materialien umfassen, und dergleichen. Von den oben angemerkten Materialien umfassen aktive Dichtungs anordnungen auf der Basis von SMA und SMP bevorzugt einen Rückführmechanismus, um die ursprüngliche Geometrie der Abdichtungsanordnung wiederherzustellen. Der Rückführmechanismus kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder pyrotechnisch sein, oder er kann auf den vorstehend erwähnten intelligenten Materialien beruhen. Indem das aktive Material in der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material benutzt wird, kann die Dichtungsanordnung ihre Modul- und/oder Abmessungseigenschaften reversibel verändern, um einen verbesserten Abdichtungseingriff zwischen gegenüberliegenden Flächen bereitzustellen, wie es zum Öffnen und Schließen einer Tür erwünscht sein kann. Das Anlegen eines Aktivierungssignals an das aktive Material kann die reversible Veränderung bewirken. Geeignete Aktivierungssignale werden von der Art des aktiven Materials abhängen. Als solches kann das Aktivierungssignal, das zum reversiblen Verändern der Form- und Moduleigenschaften der Dichtungsstruktur bereitgestellt wird, ein Wärmesignal, ein elektrisches Signal, ein magnetisches Signal und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Signale umfassen, und dergleichen einschließen.
Wahlweise kann die Abdichtungsstruktur der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material einen oder mehrere Sensoren umfassen, die in Kombination mit einer erweiterten Steuerlogik verwendet werden, um beispielsweise das gleiche Niveau an Abdichtungskraft unabhängig von Alterungseffekt und Umgebungsbedingungen, z. B. Feuchtigkeit, Temperatur, Druckdifferenz zwischen Innenraum und Umgebung und dergleichen, aufrechtzuerhalten.
In den verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen kann die Dichtungsstruktur, es sei denn, sie ist vollständig aus dem aktiven Material gebildet, im Allgemeinen aus verschiedenen Gummis, Schäumen, Elastomeren und dergleichen gebildet sein, die typischerweise für passive Dichtungsanordnungen benutzt werden, welche in Kombination mit dem aktiven Material verwendet werden, um die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material bereitzustellen. Als solche umfassen geeignete Abdichtungsstrukturmaterialien zusätzlich zu den aktiven Materialien, sie sind aber nicht darauf beschrankt, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyurethane, Polyisopren, Neopren, chlorsulfonierte Polystyrole und dergleichen.
In einer Ausführungsform ist die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material derart gestaltet, dass sich der Außendurchmesser, die Form, die Orientierung oder das Volumen eines Dichtungskörpers infolge einer ziehenden oder schiebenden Wirkung verändert, die durch einen Aktuator aus aktivem Material hervorgerufen wird, der innen oder außen von dem Dichtungskörper angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Kraft, mit der die Dichtung hergestellt wird, wahlweise über die Fläche verändert werden, über die die Abdichtung auftritt. Dies ist besonders vorteilhaft für Türanwendungen, da die Anstrengungen zum Schließen und Öffnen der Fahrzeugtür verringert werden können. Fahrzeugtüren umfassen typischerweise einen passiven Dichtungskörper, der um den Umfang der Tür herum angeordnet und geeignet ist, sich bei Kontakt mit einem Türrahmen zusammenzudrücken, um den Spalt zwischen diesen beiden Fahrzeugteilen abzudichten. Durch wahlweises Variieren der Orientierung der Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material, wie es hierin beschrieben ist, entlang des Umfangs der Tür kann die Dichtungskraft und/oder -fläche aktiv manipuliert werden, und die Dichtungseffektivität kann geändert werden. Hinsichtlich der Türöffnung müssen ähnlich die Kräfte, die zu dem Ausrücken des Verriegelungsmechanismus gehören, überwunden werden, um ein Öffnen der Tür zu ermöglichen. Durch wahlweises Aktivieren der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Ma terial kann die Dichtungsanordnung jegliche Öffnungskräfte überwinden sowie beim anfänglichen Öffnen der Tür Unterstützung leisten.
In den 1 und 2 ist eine beispielhafte Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in einem lateralen Querschnitt gezeigt (d. h. einem Querschnitt entlang der Länge der Dichtung), die im Allgemeinen durch Bezugszeichen 10 angegeben ist. Die Dichtungsanordnung ist als eine Klappe ausgestaltet. Die veranschaulichte Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material umfasst ein aktives Material 12, das aktiviert werden kann, um die Orientierung der Klappe zu verändern. Das aktive Material steht in Wirkverbindung mit einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und einem Controller (nicht gezeigt). Der Controller ist geeignet, verschiedene Eingangssignale von Vorrichtungen, wie etwa Sensoren, anzunehmen, die verwendet werden können, um beispielsweise den Zustand der Türposition, die Fahrzeuggeschwindigkeit, Umgebungsbedingungen, wie etwa Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt, und dergleichen wie gewünscht zu bestimmen. Der Controller verarbeitet die Eingangsinformation und sendet dann ein geeignetes Signal an die Aktivierungsvorrichtung. Die Aktivierungsvorrichtung wiederum liefert ein geeignetes Aktivierungssignal an das aktive Material, so dass die gewünschte mindestens eine Eigenschaft, verändert wird. Es ist zu verstehen, dass die folgenden Ausführungsformen von Dichtungsanordnungen mit aktivem Material eine Aktivierungsvorrichtung umfassen würden, die von einem Controller gesteuert wird, um wahlweise ein geeignetes Aktivierungssignal an das aktive Material zu liefern, es sei denn, es ist anders angegeben. Wie es in 1 gezeigt ist, bewirkt die Aktivierung des aktiven Materials eine Veränderung von einer ursprünglich geradlinigen Orientierung zu einer aktivierten krummlinigen Orientierung. In 2 bewirkt die Aktivierung des aktiven Materials eine Veränderung von einer ursprünglich krummlinigen Orientierung zu einer aktivierten geradlinigen Orientierung.
Die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material kann arbeiten, indem Druck auf die Dichtungsstruktur aufgebracht wird, beispielsweise beim Schließen und Verriegeln einer Tür. Dies erlaubt, dass die Dichtungsstruktur das gewünschte Ausmaß einer geeigneten Dichtungsfläche und eines geeigneten Dichtungsdruckes erzielt, während die Kraft verringert wird, die notwenig ist, um die Dichtung zusammenzudrücken und die Tür zu verriegeln. Die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material kann für eine Vielfalt von Bedingungen aktiviert werden. Beispielsweise kann ein Aktivieren des aktiven Materials, d. h. ein Einschaltzustand, die Gesamtabmessungen der Dichtungsanordnung minimieren oder kann die Dichtungsanordnung, z. B. eine Klappe, aus einem Abdichtungskontakt mit zwei gegenüberliegenden Flächen bewegen. Alternativ wird die gewünschte Geometrie der Dichtungsanordnung zum Abdichten bei Deaktivierung des aktiven Materials, d. h. einem Ausschaltzustand erzielt. Die Geometrie der Dichtungsstruktur wird dann zurückgezogen (d. h. reduziert), wenn die Energie an das aktive Material angelegt wird. Zur Darstellung wird bevorzugt Energie an das aktive Material zwischen dem Zeitpunkt aufgebracht, wenn die Tür entriegelt und verriegelt wird. Diese Ausführungsform ist im Allgemeinen für die meisten Türanwendungen bevorzugt, da die Tür im Fall einer Energieunterbrechung abgedichtet bleiben wird. Wenn zusätzlich das Fahrzeug nicht in Betrieb ist, ist keine Energie erforderlich, um die Dichtung aufrechtzuerhalten, der somit zu einem Zug an der Fahrzeugbatterie führen könnte. In manchen Ausführungsformen könnte eine Energiespeichervorrichtung, wie etwa ein Kondensator, angewandt werden, um jeglichen Zug an der Batterie zu minimieren.
Wie es Fachleute feststellen werden, kann das aktive Material einen Teil der Dichtungsanordnung bilden, kann deren Gesamtheit bilden, oder kann als ein Aktuator in Wirkverbindung mit einem Ende der Klappe angeordnet sein, um eine Bewegung der Klappe in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu bewirken. Einer der vielen Vorteile, die aus der Verwendung der aktiven Materialien resultieren, ist die Beseitigung von voluminösen und komplizierten Motoren, was die Anzahl von möglichen Ausfällen reduziert, die zu diesem herkömmlichen Ansatz gehören.
Die 3 und 4 veranschaulichen zwei Ausführungsformen von Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material, die eine Einschaltabdichtung anwenden. In 3 wird eine bewegliche Fläche 14 (z. B. eine Tür) in Position mit einer feststehenden Fläche 16 (z. B. einem Türrahmen) bewegt. Die Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material ist mit der feststehenden Fläche 16 gekoppelt. Wenn die bewegliche Fläche 14 in Position bewegt wird, wird das aktive Material 12 aktiviert, um eine Veränderung in der Formorientierung zu der Geometrie der lösbaren Dichtungsanordnung 10 zu bewirken. Die Veränderung in der Formorientierung treibt das Passen an und erhöht den wechselseitigen Druck der beiden Dichtflächen.
In 4 ist die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material an der sich bewegenden Fläche 14 der Dichtflächen platziert. Wenn die bewegliche Fläche 14 in Position bewegt und mit der feststehenden Fläche 16 verriegelt wird, wird das aktive Material 12 aktiviert, was bewirkt, dass die lösbare Dichtungsanordnung 10 ihre Formorientierung verändert und den Druck und die Kontaktfläche der Dichtflächen vergrößert.
5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform, in der die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material derart gestaltet ist, dass sie eine Ausschaltabdichtung bereitstellt. Im Ausschaltzustand ist die Dichtungsanordnung derart gestaltet, dass sie eine im Wesentlichen geradlinige Orientierung bietet. Die Aktivierung des aktiven Materials (Einschalten) bewirkt, dass die Dichtungsanordnung eine krummlinige Formorientierung annimmt, wie es durch die gepunktete Linie gezeigt ist. Das aktive Material ist derart gestaltet, dass es die Klappe von der Passfläche 18 wegbewegt. Die Dichtflächen werden dann in enge Nähe gebracht, während die Energie für das aktive Material aufrecht erhalten bleibt, um ein Verriegeln vorzunehmen. Daraufhin wird das Aktivierungssignal unterbrochen, wobei sich die Formorientierung der Dichtungsanordnung von der krummlinigen Form zu einer gerade gerichteten Orientierung verändert. Diese Veränderung bewirkt, dass die Dichtungsanordnung abdichtend mit der Passfläche 18 in Eingriff gelangt.
Wahlweise kann die Dichtungsanordnung 10 geeignet sein, um bei Fehlen eines Aktivierungssignals eine krummlinige Formorientierung bereitzustellen. Die krummlinige Form ist in Richtung der Passfläche 18 orientiert. Bei diesem Prozess wird das aktive Material vor dem Schließen der Tür aktiviert, so dass sich die Dichtungsanordnung 10 zu der geradlinigen Orientierung verformt. Nachdem die Tür geschlossen und verriegelt worden ist, wird die Energie unterbrochen, so dass die Dichtungsanordnung 10 ihre Formorientierung zu der krummlinigen Form ändert. Da die Orientierung der krummlinigen Form in Richtung der Passfläche 18 geht, resultieren sowohl ein erhöhter Dichtungsdruck als auch eine größere Kontaktfläche.
Die in Verbindung mit 5 beschriebenen Ausführungsformen bieten ein Schließen einer Tür mit einer minimalen oder ohne Schließkraft. Das heißt die notwendigen Druckkräfte, die typischerweise zu passiven Dichtungen gehören, werden durch eine wahlweise Aktivierung der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material wie beschrieben minimiert oder beseitigt. Darüber hinaus sollte es deutlich sein, dass die Dichtungs effektivität aufrecht erhalten bleibt, insbesondere was den Wasser- und Geräuscheintritt durch die Dichtungsgrenzfläche anbelangt. Als solche kann die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material derart gestaltet sein, dass sie den Spalt zwischen Passflächen aktiv schließt, wodurch der Effekt mechanischer Toleranzen minimiert wird.
Obwohl Bezug auf eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material in der Form einer Klappe genommen worden ist, sollte es deutlich sein, dass die hierin beschriebenen Verfahren unabhängig von der Form oder Konfiguration sind. Die Dichtungsanordnung kann beispielsweise in der Form eines Rohrs vorliegen, das ein aktives Material, als Ganzes oder zum Teil, umfasst, so dass eine Aktivierung des aktiven Materials Ausdehnungs- oder Volumenveränderungen bewirkt. Auf diese Weise können die Anstrengungen zum Schließen und Öffnen einer Tür wahlweise gesteuert werden.
In 6 ist eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gezeigt, die allgemein mit Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, wobei das aktive Material 22 sich wahlweise ausdehnt, um eine Schubkraft auf eine gegenüberliegende Fläche 24 auszuüben und somit einen effektiven Dichtungseingriff bereitzustellen. Dieser Ansatz zeigt eine Version einer Einschalt-Dichtungsanwendung. Die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material 20 umfasst ein starres Element 26, auf dem das aktive Material 22 angebracht ist, welches sich während des Dichtungseingriffs in der Nähe zu der gegenüberliegende Fläche 24 befindet. Das Element 26 kann irgendeine Komponente innerhalb des Fahrzeugs sein, das einen Verschluss oder eine Dichtung bildet, z. B. ein Türrahmen, eine Tür, ein Fenster, ein Fensterrahmen, usw. Der tatsächliche Abstand von der gegenüberliegenden Fläche 24 zu der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material 20 hängt im Allgemeinen von dem Ausmaß an Ver schiebung ab, das durch das besondere verwendete aktive Material 22 bereitgestellt wird. Mit einer Struktur, die einen Hebelarm bereitstellt, kann mehr Verschiebung von dem aktiven Material erzielt werden, aber mit einer damit einhergehenden Abnahme der verfügbaren Kraft. Sobald sie aktiviert worden ist, wird die Dichtungsanordnung 20 auf der Basis von aktivem Material gegen die gegenüberliegende Fläche 24 drücken, um einen angemessenen Druck und eine angemessene Kontaktfläche zum Bilden der Dichtung zuzuführen. Bei Türanwendungen wäre dies gegenüber der gegenwärtigen passiven Dichtungstechnologie vorteilhaft, da wenig Anstrengung aufgebracht werden muss, um die Tür zu schließen. Im Stand der Technik erfordert das Schließen von Türen im Allgemeinen eine Kraft, die ausreicht, um die passive Dichtung, die zwischen der Tür und der gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, zusammenzudrücken und somit einen Dichtungseingriff zu erhalten, wodurch eine beträchtliche Schließkraft erforderlich ist, um ein vollständiges Schließen zu bewirken. Indem das aktive Material auf die beschriebene Weise verwendet wird, kann die zum Zusammendrücken erforderliche Kraft in Bezug auf passive Dichtungsstrukturen aus dem Stand der Technik beseitigt und/oder minimiert werden.
Um den Dichtungseingriff zu bewirken, erfährt das aktive Material 22 eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft in Reaktion auf ein geeignetes Aktivierungssignal. Beispielsweise kann das aktive Material geeignet sein, um etwa eine Längenabmessung, eine Form, eine Orientierung, eine Drehung oder eine Moduleigenschaft zu verändern. Die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft, die manipuliert wird, bewirkt den Dichtungseingriff, der abhängig von dem angewandten aktiven Material variieren kann.
In 7 umfasst die Dichtungsanordnung 30 auf der Bass von aktivem Material einen elastischen Körper 32, der aus einem nichtaktiven Material gebildet ist und zwischen dem aktiven Material 22 und der gegenüberliegenden Fläche 24 angeordnet ist. Abhängig von der vorgesehenen Anwendung kann der elastische Körper 32 direkt an der gegenüberliegende Fläche 24 oder an der Dichtung auf der Basis von aktivem Material 22 angebracht sein. Auf diese Weise bewirkt die Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials, dass der elastische Körper 32 gegen die gegenüberliegende Fläche 24 Druck ausübt, um wahlweise einen Dichtungseingriff zwischen beispielsweise der Tür und dem Türrahmen bereitzustellen.
In 8 ist eine Dichtungsanordnung 40 auf der Basis von aktivem Material gezeigt, die bei Aktivierung eine volumetrische Veränderung bereitstellt. Die Dichtungsanordnung 40 umfasst ein aktives Material 42, das geeignet ist, seine Abmessung im Einschaltmodus zu verändern, so dass sich die Dichtung 40 auf der Basis von aktivem Material bei Aktivierung ausdehnt.
Eine beispielhafte Ausführungsform dieser Art von Dichtungsanordnung ist in den 9 und 10 gezeigt. Die rohrförmige Dichtungsstruktur 50 ist aus einem dielektrischen Elastomermaterial 52 und einer elastischen äußeren Abdeckung 54 zusammengesetzt. Wie es in 10 deutlicher gezeigt ist, steht die rohrförmige Dichtungsstruktur 50 mit einem Druckeinlassventil 56 und einer Luftversorgung oder -pumpe 58 in Fluidverbindung. Bei Aktivierung des dielektrischen Elastomermaterials 52 durch Anlegen einer Spannung, die von der Stromversorgung 60 zugeführt wird, wird sich die rohrförmige Dichtungsstruktur 50 ausdehnen, was bewirkt, dass sich die Dichtungsanordnung 50 ausdehnt. Durch Verringern der Spannung nimmt der Durchmesser der Dichtungsanordnung 50 ab. Ein Controller 62, der auf Eingangssignale reagiert, die beispielsweise von einem Sensor 64 geliefert werden, kann wahlweise einen geeigneten Spannungsbetrag an das dielektrische Elastomer anlegen.
Eine andere Ausführungsform ist in den 11 und 12 gezeigt. In dieser Ausführungsform umfasst eine rohrförmige Dichtung, die allgemein bei 70 gezeigt ist, einen elastischen rohrförmigen Körper 72, der mit einem elektroaktiven Polymergel 74 gefüllt ist, dessen Volumen sich ausdehnt, indem es bei Anlegen eines elektrischen Signals Wasser und andere Fluide aufnimmt. Das Umkehren des elektrischen Signals kann das Volumen verringern. Durch Anlegen geeigneter elektrischer Signale an dieses elektroaktive Polymergel 74 kann Fluid aus einem Reservoir 76 verwendet werden, um den Durchmesser des elastischen rohrförmigen Körpers 72 auszudehnen und eine zusätzliche Abdichtungsfläche und -kraft bereitstellen. Energie wird durch eine Steuerleitung von einer Stromversorgung 78 angelegt, die von einem Controller 80 gesteuert wird. Der Controller kann verschiedene Eingangssignale beispielsweise von einem Sensor 82 empfangen, der derart eingerichtet ist, dass er die Zustande von verschiedenen Fahrzeugkomponenten, Umgebungsfaktoren und dergleichen detektiert.
Ein anderes Beispiel einer sich ausdehnenden Dichtung benutzt Bimorph-Aktuatoren auf der Basis von aktivem Material, die an den Wänden eines rohrförmigen äußeren Abdeckmaterials befestigt sind. Beispielsweise veranschaulichen 13 und 14 eine rohrförmige Dichtungsanordnung, die allgemein mit 90 bezeichnet ist und Bimorph-Aktuatoren 92 umfasst, die an einer Innenwand eines elastischen Dichtungskörpers 94 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform bewirkt die Aktivierung der Bimorph-Materialien 92 eine Zunahme des Durchmessers des Dichtungskörpers 94 oder kann die Abmessung des Dichtungskörpers 94 ändern, um eine zusätzliche Dichtfläche bereitzustellen und/oder die Schließkraft zu ändern.
In 13 sind die Bimorph-Aktuatorelemente 92 an den Innenwänden eines äußeren Dichtungskörpers 94 befestigt, so dass zwischen ihnen mechanische Lasten übertragen werden. Die Bimorph-Aktuatoren 94 werden über eine elektrische Versorgungsleitung von der Stromversorgung 96 aktiviert. Die Stromversorgung 96 wird über einen Controller 98 gesteuert, der verschiedene Eingangssignale von Sensoren 100 verwenden kann, die überall im Fahrzeug angeordnet sind. Die Bimorph-Aktuatoren 92 können irgendwelche der zahlreichen Lösungen von aktivem Material sein, die dieses Verhalten haben, einschließlich, aber nicht beschrankt auf, piezoelektrische Bimorphe und Unimorphe, leitfähige Polymer-Bimorphe, IPMCs, Bimorphe auf Basis von Formgedächtnislegierungen und dergleichen. Die Bimorph-Aktuatoren können voneinander beabstandet sein, wie es in 14 gezeigt ist, oder können entlang der Länge des Dichtungskörpers 94 kontinuierlich sein.
Somit kann Energie wahlweise angelegt werden, um das aktive Material zu aktivieren und eine Zusammenziehung, Umorientierung oder Drehung der Querschnittsgeometrie und/oder Längenabmessung des aktiven Materials zu bewirken. Nach Wegnahme der Energie tritt dann eine Ausdehnung der Dichtung auf, um einen effektiven Dichtungseingriff zwischen dem Dichtungskörper und der gegenüberliegenden Fläche bereitzustellen. Diese Art von Mechanismus kann für diejenigen Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen es erwünscht ist, eine effektive Abdichtung im Ausschaltmodus bereitzustellen. Beispielsweise beim Öffnen eines Seitenfensters im Stand der Technik kann Reibung zwischen einer passiven Dichtung und dem Glas resultieren, so dass eine erhöhte Kraft erforderlich ist, damit eine Bewegung des Fensters erfolgt. Durch Anwenden des aktiven Materials, wie es offenbart ist, kann die aktive Dichtungsanordnung die Reibungskräfte, die zu der Bewegung des Fensters gehören, beseitigen und/oder minimieren und dennoch bei Unterbrechung des Aktivierungssignals ei nen effektiven Dichtungseingriff bereitstellen. Das veranschaulichte Beispiel soll nicht auf Fenster beschränkt sein und kann für eine Anzahl von Anwendungen angewandt werden, bei denen es erwünscht ist, dass die aktive Dichtungsanordnung auf die beschriebene Weise funktioniert. Beispielsweise kann die Dichtungsanordnung 90 auf die zuvor beschriebene Weise für Türen angewandt werden. Die Position zum Öffnen und Schließen der Tür ist bevorzugt die Position, die einen größeren Zwischenraum für die Dichtungsanordnung bietet, wenn die Tür verriegelt ist. Sobald die Tür vollständig geschlossen und verriegelt ist, kann die Dichtungsanordnung in die andere stabile Position geschaltet werden, um eine größere Dichtfläche und einen erhöhten Dichtungsdruck bereitzustellen. Materialien, die für die bistabile Anordnung, wie sie beschrieben wurde, bevorzugt sind, umfassen dielektrische Elastomere, Formgedächtnislegierungen, Flüssigkristallelastomere, leitende Polymere, Kohlenstoffnanoröhrenaktuatoren und Piezoelektrika und elektrostriktive Polymere und Keramiken.
15 veranschaulicht eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Dichtungsanordnung 110 auf der Basis von aktivem Material umfasst eine erste Schicht 112 und eine zweite Schicht 114. Die erste Schicht 112 ist aus einem aktiven Material gebildet, wohingegen die zweite Schicht 114 aus einem passiven (nicht aktiven) elastischen Material gebildet ist. Obwohl auf zwei Schichten Bezug genommen wird, ist festzustellen, dass die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material mehr als zwei Schichten umfassen kann. Die zusätzlichen Schichten können aus dem aktiven Material gebildet sein, das gleich wie das der ersten Schicht 112 oder von diesem verschieden sein kann, und/oder kann zusätzliche passive Schichten umfassen, die gleich der zweiten Schicht 114 oder von dieser verschieden sein können. Optional ist die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material mit einem Material 116 verkapselt, das dazu dient, während des Gebrauchs einen Schutz vor der Umgebung bereitzustellen. Geeignete Materialien umfassen Stoffe, Membranen, elastische Materialien und dergleichen.
Die in 15 gezeigte Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material funktioniert wie ein langer freitragender Biegeaktuator. Dieser kann Unimorphe oder Bimorphe umfassen. In der Literatur besteht ein Unimorph-Aktuator aus einem einzigen aktiven Material, das angesteuert werden kann, um den freitragenden Balken in entgegengesetzte Richtungen zu biegen, indem das Vorzeichen des Steuersignals verändert wird. Beispiele von Materialien für Unimorphe sind IPMCs, ionische Polymergele (von denen beide Innenspezies bewegen), piezoelektrische Polymere, elektrostriktive Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien. Ein Bimorph-Aktuator besteht aus zwei Materialien, nämlich einem aktiven Material und einem elastischen Material, die entlang ihrer Länge verbunden sind, oder zwei aktiven Materialien, die entlang ihrer Länge verbunden sind. Wenn eines der Komponentenmaterialien derart hergestellt ist, dass es sich verformt, biegt sich der freitragende Balken aufgrund der unterschiedlichen Längenveränderung des aktiven Materials gegenüber dem zweiten der damit verbundenen Materialien. In der Ausgestaltung eines freitragenden Balkens wird der Unimorph oder Bimorph ein Teil der Dichtungsanordnung. In 15 kann das distale Ende der freitragenden Dichtungsanordnung 110 derart hergestellt sein, dass es die gegenüberliegende Fläche berührt, um somit eine Dichtung zu berühren. Bei Dichtungsanwendungen können einige Materialien an sich für die Aufßenfläche 116 der Dichtung 110 geeignet sein, während andere nachgiebiges Beschichtungsmaterial umfassen können, um die Dichtfläche zu verbessern. In diesem Fall kann der zugrundeliegende Unimorph oder Bimorph mit einer Beschichtung aus stark nachgiebigem Material verstärkt werden, das helfen wird, eine effektive Feuch tigkeits- und Schallabdichtung zu bilden, wenn das Dichtungsmaterial aktiviert wird.
Bimorph-Konfigurationen können derart verallgemeinert werden, dass sie eine normalerweise nach links oder nach rechts gebogene oder gerade Konfigurationen aufweisen, die bevorzugt die Biegerichtung vorgibt. Bei normal gebogenen Konfigurationen ist eines der aktiven oder elastischen Materialien derart verbunden, dass dessen Differenz langer oder kürzer als die des zweiten Bimorph-Materials ist. Es können auch Mehrschichtkonfigurationen verwendet werden. Es können Bimorphe mit ungleichmäßiger Dicke verwendet werden, um die Größe, um die sich der freitragende Balken nach links oder rechts biegt, vorzugeben. Eine Dickenänderung kann verwendet werden, um das gewünschte Biegeverhalten zu erzielen. Physikalische Barrieren oder Leitungen an der Außenseite oder an der Materialgrenzfläche, die bevorzugt die Biegerichtung vorgeben, sind hauptsächlich für unipolare Signale nützlich, wie etwa eine Ionenkonzentration (beispielsweise eine Membranbarriere), ein pH, ein magnetisches Moment (wie etwa eine harte ferromagnetische Schicht) und Strahlung (wie etwa eine Lichtbarriere). Bevorzugte Materialien sind jene, die große elastische Dehnungsgrenzen zeigen, und jene, die mechanische Energie effektiv speichern können. Sekundäre Erwägungen umfassen jene, die leicht mit dem aktiven Material verbunden werden können, die Eigenschaften aufweisen, die im Arbeitstemperaturbereich akzeptabel sind und die eine geeignete Robustheit aufweisen, um eine wiederholte Betätigung zu überstehen. Ein Bimorph kann für jede Anwendung geschaffen werden, bei der das Material angesteuert wird, um sich abhängig von dem Steuersignal zu biegen. Alle Arten von aktiven Materialien können als Komponente des Bimorphs verwendet werden, sowie alle Arten von elastischen Materialien, wie etwa Materialien, Polymere und Keramiken. Zusätzlich ist zu erkennen, dass thermoelastische Materialien als Bimorph- Materialien verwendet werden könnten. Deshalb könnten die meisten Materialien für eine bimorphartige Verformung verwendet werden.
16 veranschaulicht eine Dichtungsanordnung 120 auf der Basis von aktivem Material, die eine Geometrie anwendet, die ein auxetisches Verhalten (oder ein Verhalten mit negativem Poisson-Verhältnis) zulässt. Die Dichtungsanordnung 120 umfasst einen passiven elastischen Dichtungskörper 122 und einen Abschnitt 124 aus aktivem Material, der in Wirkverbindung mit dem Dichtungskörper 122 angeordnet ist, so dass bei Aktivierung der Dichtungsanordnung 120 der Dichtungskörper sich gleichzeitig in zwei senkrechten Richtungen ausdehnt und zusammenzieht. Auf diese Weise kann beispielsweise die Dichtungsanordnung 120 zusammengezogen werden, während die Tür verriegelt und geschlossen wird, und dann im Anschluss ausgedehnt werden, um verbesserte Dichtungseigenschaften bereitzustellen. Somit kann sich eine Dichtungsverzerrung als Funktion des Signals an das aktive Material verändern. Der Abschnitt aus aktivem Material ist bevorzugt ein Biegeelement, wie etwa ein IPMC, eine leitfähiges Polymer, ein Piezoelektrikum oder ein Bimorph auf Basis einer Formgedächtnislegierung oder ein anderes Material, das allgemein für eine Biegebetätigung geeignet ist.
Wie es zuvor erörtert wurde, bezieht sich der Ausdruck "aktives Material" auf mehrere unterschiedliche Materialklassen, die alle eine Änderung in mindestens einer Eigenschaft, wie etwa Abmessung, Form und/oder Biegemodul zeigen, wenn sie mindestens einem von vielen unterschiedlichen Arten von angelegten Aktivierungssignalen ausgesetzt werden, wobei Beispiele derartiger Signale thermisch, elektrisch, magnetisch, Spannung und dergleichen sind. Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalloxide. Im Hinblick auf organische Materialien können alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und großer Dipolmomentgruppe/großen Dipolmomentgruppen an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen etwa, sind aber nicht darauf beschränkt, Poly(natrium-4-styrolsulfonat), Polymer von Azochromophoren mit Polyvinylaminseitenketten und dessen Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid, dessen Copolymer Vinylidenfluorid ("VDF"), Cotrifluorethylen und deren Derivate, Polychlorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und deren Derivate; Polyacrylnitrile und deren Derivate; Polycarbonsäuren, einschließlich Polymethacrylsäure und deren Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane und deren Derivate; Biomoleküle, wie beispielsweise Poly-L-Milchsäuren und deren Derivate und Zellmembranproteine sowie Phosphat-Biomoleküle, wie Phosphodilipide; Polyaniline und deren Derivate, und alle Derivate von Tetraminen; Polyamide, einschließlich aromatische Polyamide und Polyimide, einschließlich Kapton und Polyetherimid, und deren Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-vinylpyrrolidon(PVP)-Homopolymer und dessen Derivate und zufällige PVP-Covinylacetatcopolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten und Mischungen davon.
Piezoelektrisches Material kann auch Metall(oxide) umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirkonium, Niob, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen, und Oxide, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃; BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon, und Verbindungen der Gruppe VIA und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon. Das piezoelektrische Material ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirkonattitanat und Bariumtitanat und Mischungen davon besteht.
Formgedächtnispolymere (SMPs) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, zu irgendeiner zuvor definierten Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Das Formgedächtnispolymer kann in der Form eines Feststoffes oder eines Schaums vorliegen, wie es für manche Ausführungsformen erwünscht sein kann. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren, in denen ihre Formorientierung als Funktion der Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen sind SMPs Copolymere, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Einheiten bestehen, die derart beschrieben werden können, dass sie unterschiedliche Segmente innerhalb des Copolymers definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Biegemoduleigenschaften und Wärmeübergangstemperaturen des Materials beiträgt. Der Ausdruck "Segment" bezieht sich auf einen Block, einen Pfropf oder eine Sequenz der gleichen oder von ähnlichen Monomer- oder Oligomereinheiten, die mit einem unterschiedlichen Segment copolymerisiert sind, um ein kontinuierlich quervernetztes, einander durchdringendes Netz aus diesen Segmenten zu bilden. Diese Segmente können eine Kombination von kristallinen oder amorphen Materialien sein und sind daher allgemein als hartes Segment/harte Segmente oder weiches Segment/weiche Segmente klassifiziert worden, wobei das harte Segment im Allgemeinen eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg) oder einen höheren Schmelzpunkt als das weiche Segment aufweist. Jedes Segment trägt dann zu den Gesamt-Biegemoduleigenschaften des SMP und den Wärmeübergängen davon bei.
Wenn mehrere Segmente verwendet werden, können mehrere Wärmeübergangstemperaturen beobachtet werden, wobei die Wärmeübergangstemperaturen des Copolymers als gewichtete Mittelwerte der Wärmeübergangstemperaturen seiner in ihm enthaltenen Segmente angenähert werden können. Im Hinblick auf Formgedächtnispolymerschäume kann die Struktur wie gewünscht offenzellig oder geschlossenzellig sein.
In der Praxis werden die SMPs zwischen einer von mindestens zwei Formorientierungen geändert, so dass mindestens eine Orientierung eine Größenreduktion in Bezug auf die andere Orientierung/die anderen Orientierungen bereitstellen wird, wenn ein geeignetes thermisches Signal geliefert wird. Um eine permanente Form festzulegen, muss das Formgedächtnispolymer bei oder über seinem Schmelzpunkt oder seiner höchsten Übergangstemperatur (die auch als "letzte" Übergangstemperatur bezeichnet wird) liegen. Die SMP-Schäume werden bei dieser Temperatur durch Blasformen geformt oder mit einer aufgebrachten Kraft geformt, wonach ein Abkühlen folgt, um die permanente Form festzulegen. Die Temperatur, die notwendig ist, um die permanente Form festzulegen, liegt im Allgemeinen zwischen ungefähr 40°C und ungefähr 200°C. Nach der Ausdehnung durch Fluid wird die permanente Form zurückerlangt, wenn die aufgebrachte Kraft weggenommen und das ausgedehnte SMP auf oder über die höchste oder letzte Übergangstemperatur des SMP gebracht wird. Die Tg des SMP kann für eine besondere Anwendung durch Modifizieren der Struktur und Zusammensetzung des Polymers gewählt werden.
Die Temperatur, die für die Wiederherstellung einer permanenten Form notwendig ist, kann im Allgemeinen auf irgendeine Temperatur zwischen ungefähr –63°C und ungefähr 160°C oder darüber festgelegt werden. Der Entwurf der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung ermöglichen. Eine bevorzugte Temperatur zur Wiederherstellung einer Form ist gleich oder größer als etwa –30°C, stärker bevorzugt gleich oder größer als etwa 20°C und am stärksten bevorzugt ist die Temperatur gleich oder größer als etwa 70°C. Ebenfalls eine bevorzugte Temperatur für die Wiederherstellung der Form ist gleich oder kleiner als etwa 250°C, stärker bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 200°C und am stärkten bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 180°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere können thermoplastische, einander durchdringende Netze, einander halb durchdringende Netze oder gemischte Netze sein. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können geradkettige oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele von anderen geeigneten Polymeren umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolacton-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(capro lacton)diniethacrylat-n-butylacrylat, Copolymer aus Polynorbornyl und polyhedrischem, oligomerem Silsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
Das Durchführen einer Polymerisation von unterschiedlichen Monomersegmenten mit einem Treibmittel kann verwendet werden, um den Formgedächtnispolymerschaum zu bilden, wenn dies erwünscht ist. Das Treibmittel kann vom Zersetzungstyp (entwickelt bei der chemischen Zersetzung ein Gas) oder vom Verdampfungstyp (der ohne chemische Reaktion verdampft) sein. Beispielhafte Treibmittel vom Zersetzungstyp umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Natriumbicarbonat, Azidverbindungen, Ammoniumcarbonat, Ammoniumnitrit, Leichtmetalle, die bei Reaktion mit Wasser Wasserstoff entwickeln, Azodicarbonamid, N,N'-Dinitrosopentalmethylentetramin und dergleichen. Beispielhafte Treibmittel vom Verdampfungstyp umfassen, sollen aber nicht darauf beschrankt sein, Trichlormonofluormethan, Trichlortrifluorethan, Methylenchlorid, komprimiertes Stickstoffgas und dergleichen. Das Material kann dann in die permanente Form zurückgeführt werden, indem das Material über seine Tg aber unter die höchste Wärmeübergangstemperatur oder den höchsten Schmelzpunkt erwärmt wird. Somit ist es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich, mehrere temporäre Formen darzustellen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen darzustellen.
Wie es zuvor besprochen wurde, umfassen andere geeignete Formgedächtnismaterialien auch Formgedächtnislegierungszusammensetzungen. Formgedächtnislegierungen gibt es in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten verwendete dieser Phasen sind sogenannte Martensit- und Austenitphasen. In der folgenden Diskus sinn bezieht sich die Martensitphase im Allgemeinen auf die stärker verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, wohingegen die Austenitphase sich auf eine starrere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase vorliegt und erwärmt wird, beginnt sie sich, zu der Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird häufig als Austenitstarttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird Austenitendtemperatur (Af) genannt. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie sich zu der Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensitstarttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der das Austenit die Transformation zu Martensit beendet, wird Martensitendtemperatur (Mf) genannt. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer Martensitphase weicher und leichter verformbar und in der Austenitphase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften erfolgt die Ausdehnung der Formgedächtnislegierung bevorzugt bei oder unterhalb der Austenitübergangstemperatur (bei oder unter As). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenitübergangstemperatur bewirkt, dass die ausgedehnte Formgedächtnislegierung in ihre permanente Form zurückkehrt. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal, das eine Größe aufweist, um eine Transformation zwischen den Martensit- und Austenitphasen zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Veränderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen beispielsweise kann sie von über ungefähr 100°C auf unter ungefähr –100°C verändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess tritt über einen Bereich von nur einigen wenigen Graden auf, und der Start oder das Ende der Transformation kann auf innerhalb eines Grades oder zwei abhängig von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren über den Temperaturbereich, der ihre Transformation überspannt, stark, wobei typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und eine hohe Dämpfungskapazität bereitgestellt werden.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, 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-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binärer, ternärer oder irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzungen einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Veränderung in der Formorientierung, Veränderungen in der Dehnungsfestigkeit und/oder Biegemoduleigenschaften, Dämpfungskapazität, Superelastizität und dergleichen zeigt. Eine bevorzugte Formgedächtnislegierung ist eine Legierung auf Nickel-Titan-Basis, die im Handel unter der Marke FLEXINOL von Dynalloy, Inc. erhältlich ist. Die Auswahl einer geeigneten Zusammensetzung für die Formgedächtnislegierung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die Komponente arbeiten wird.
Geeignete magnetische Materialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Weich- oder Hartmagnete; Hämatit; Magnetit; magnetisches Material auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt, Legierungen der vorstehenden oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden umfassen, und dergleichen. Legierungen von Eisen, Nickel und/oder Kobalt können Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen.
Geeignete MR-Fluidmaterialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Trägerfluid verteilt sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenlegierungen, wie etwa jene, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, die Fe₂O₃ und Fe₃O₄ umfassen; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Kobalt und Kobaltlegierungen; Chromdioxid; rostfreier Stahl, Siliziumstahl und dergleichen. Beispiele von geeigneten Partikeln umfassen Reineisenpulver, Reduktionseisenpulver, Eisenoxidpulver/Reineisenpulver-Mischungen und Eisenoxidpulver/Reduktioneisenpulver-Mischungen. Ein bevorzugtes magnetisch ansprechendes Partikel ist Carbonyleisen, bevorzugt Reduktionscarbonyleisen.
Die Partikelgröße sollte so gewählt werden, dass die Partikel Multi-Domain-Charakteristiken zeigen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Durchmessergrößen für die Partikel können gleich oder kleiner als etwa 1000 Mikrometer sein, wobei gleich oder kleiner als etwa 500 Mikrometer bevorzugt ist und gleich oder kleiner als etwa 100 Mikrometer stärker bevorzugt ist. Ebenfalls bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von gleich oder größer als etwa 0,1 Mikrometer, wobei gleich oder größer als etwa 0,5 stärker bevorzugt und gleich oder größer als etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt ist. Die Partikel sind bevorzugt in einer Menge zwi schen ungefähr 5,0 bis ungefähr 50 Volumenprozent der Gesamt-MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Silikonöle, Mineralöle; Paraffinöle; Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatorenöle; halogenierte organische Flüssigkeiten, wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle, die ungesättigte und gesättigte umfassen; und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann gleich oder kleiner als etwa 100.000 Centipoise sein, wobei gleich oder kleiner als etwa 10.000 Centipoise bevorzugt ist und gleich oder kleiner als etwa 1.000 Centipoise stärker bevorzugt ist. Ebenso bevorzugt ist eine Viskosität von gleich oder größer als etwa 1 Centipoise, wobei gleich oder größer als etwa 250 Centipoise bevorzugt ist und gleich oder größer als etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt ist.
Es können auch wässrige Trägerfluide verwendet werden, insbesondere jene, die hydrophile Mineraltone, wie Bentonit oder Hectorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer kleinen Menge eines polaren, wassermischbaren, organischen Lösungsmittels, wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist gleich oder kleiner als etwa 5,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids und bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 3,0%. Ebenso ist die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln bevorzugt gleich oder größer als etwa 0,1 Volumen-% und stärker bevorzugt gleich oder größer als etwa 1,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 13 und bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 9,0. Ebenso ist der pH des wässrigen Trägerfluids gleich oder größer als etwa 5,0 und bevorzugt gleich oder größer als etwa 8,0.
Es kann natürliches oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist gleich oder kleiner als etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids, bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 8,0 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 6,0 Gewichtsprozent. Bevorzugt ist das Bentonit oder Hectorit in einer Menge von gleich oder größer als etwa 0,1 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt gleich oder größer als etwa 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt gleich oder größer als etwa 2,0 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Extremdruck-Verschleißschutzadditive, Antioxidanzien, thixotrope Mittel und herkömmliche Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennapthenat, Eisenstearat, Aluminium-di- und tri-stearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und Tenside, wie etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkopplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol und teilweise verestere Polyole, können ebenfalls enthalten sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, eine elastische Polymermatrix, die eine Suspension von ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln umfasst, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyalphaolefine, Naturkatuschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Reaktion auf elektrische oder mechanische Felder zeigen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktiv-gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen)-Copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit, ein veränderliches Ausmaß an ferroelektrisch-elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als piezoelektrischer Sensor oder auch als elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die für die Verwendung als elektroaktives Polymer geeignet sind, können irgendein im Wesentlichen isolierendes Polymer oder irgendeinen im Wesentlichen isolierenden Gummi (oder Kombinationen) umfassen, die sich in Reaktion auf eine elektrostatische Kraft verformen oder deren Verformung zu einer Veränderung in dem elektrischen Feld führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als vorgespanntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon und Acrylreste umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, können beispielsweise Copolymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und Polymermischungen, die Silikonelastomer und Acrylelastomer umfassen, enthalten.
Materialien, die als elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis von einen oder mehreren Materialeigenschaften, wie etwa einer hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit, einem niedrigen Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante, und dergleichen ausgewählt werden. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, das es einen elastischen Modul von höchstens ungefähr 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen ungefähr 0,05 MPa und ungefähr 10 MPa, und bevorzugt zwischen ungefähr 0,3 MPa und ungefähr 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20 und bevorzugt zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise würden Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche erwünscht sein, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufwiesen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als Dünnfilme gefertigt und eingesetzt werden. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter 50 Mikrometer liegen.
Da elektroaktive Polymere der vorliegenden Erfindung sich mit hohen Dehnungen auslenken können, sollten Elektroden, die an den Polymeren angebracht sind, sich ebenfalls auslenken, ohne die mechanische oder elektrische Leistung preiszugeben. Im Allgemeinen können Elektroden, die für die Verwendung geeignet sind, von jeder Form und jedem Material sein, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, einem elektroaktiven Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen oder eine geeignete Spannung von diesem zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder über die Zeit variieren. In einer Ausführungsform haften die Elektro den an einer Fläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich an die sich verändernde Form des Polymers an. Entsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden einschließen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie angebracht sind, anpassen. Die Elektroden können an nur einem Abschnitt des elektroaktiven Polymers angebracht sein und ein aktives Gebiet gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden, die zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen strukturierte Elektroden, die Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die variierende Abmessungen aus der Ebene heraus umfassen, leitfähige Fette, wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit hohem Querschnittsverhältnis, wie etwa Kohlenstofffibrilen und Kohlenstoffnanoröhren und Mischungen von ionisch leitenden Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialen, die in einer Elektrode verwendet werden, können Graphit, Ruß kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, einschließlich Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es ist zu verstehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit besonderen Polymeren gut arbeiten können, aber mit anderen nicht arbeiten können. Beispielsweise arbeiten Kohlenstofffibrilen mit Acrylelastomerpolymeren gut, wohingegen sie mit Silikonpolymeren nicht genauso gut arbeiten.

Claims

Verfahren zum Verringern einer Kraft zum Schließen einer Tür in einem Türrahmen, das umfasst, dass: eine Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material an entweder der Tür oder dem Türrahmen angebracht wird, wobei die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material ein aktives Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) umfasst; das aktive Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) aktiviert und mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal verändert wird, wobei die Veränderung in mindestens einer Eigenschaft eine Moduleigenschaft und/oder eine Form der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material verändert; die Tür gegen den Türrahmen geschlossen und verriegelt wird; und das aktive Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) deaktiviert und ein Dichtungsdruck zwischen der Tür und dem Türrahmen erhöht wird, wobei eine Bewegung zumindest eines Teils des aktiven Materials in Richtung des Türrahmens, wenn das aktive Material an der Tür angebracht ist, oder in Richtung der Tür, wenn das aktive Material an dem Türrahmen angebracht ist, ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aktiveren des aktiven Materials (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) beim Schließen und Verriegeln der Tür den Dichtungsdruck und die Kontaktfläche der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material gegen die Tür und den Türrahmen verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das aktive Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, magnetische Materialien, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein elektrisches Signal, ein magnetisches Signal, eine Belastung oder eine aufgebrachte Spannung, ein thermisches Signal oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Aktivierungssignale umfassen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft reversibel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das aktive Material (22, 52, 74, 92, 124) ein Aktuator ist, der außen relativ zu und in Wirkverbindung mit einem elastischen Dichtungskörper (32, 54, 72, 94, 122) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aktivieren des aktiven Materials (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) umfasst, dass eine Abmessung der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material vergrößert wird.
Verfahren zum Verringern einer Kraft zum Schließen einer Tür in einem Türrahmen, das umfasst, dass eine Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material an entweder der Tür oder dem Türrahmen angebracht wird, wobei die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material ein aktives Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) umfasst; die Tür gegen den Türrahmen geschlossen und verriegelt wird; und das aktive Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) aktiviert wird und mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal verändert wird, wobei die Veränderung in mindestens einer Eigenschaft einen Dichtungsdruck der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material gegen die Tür und den Türrahmen erhöht, wobei eine Bewegung zumindest eines Teils des aktiven Materials in Richtung des Türrahmens, wenn das aktive Material an der Tür angebracht ist, oder in Richtung der Tür, wenn das aktive Material an dem Türrahmen angebracht ist, ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das aktive Material (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, magnetische Materialien, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aktivierungssignal ein elektrisches Signal, ein magnetisches Signal, eine Belastung oder eine aufgebrachte Spannung, ein thermisches Signal oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Aktivierungssignale umfassen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft reversibel ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das aktive Material (22, 52, 74, 92, 124) ein Aktuator ist, der außen relativ zu und in Wirkverbindung mit einem elastischen Dichtungskörper (32, 54, 72, 94, 122) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aktivieren des Aktivierungsmaterials (12, 22, 42, 52, 74, 92, 124) umfasst, dass eine Abmessung der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material vergrößert wird.
Verfahren zum Verringern einer Kraft zum Öffnen einer Tür in einem Türrahmen, das umfasst, dass: eine Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material an entweder der Tür oder dem Türrahmen angebracht wird, wobei die Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material ein aktives Material (12, 22, 52, 74, 92, 124) umfasst; das aktive Material (12, 22, 52, 74, 92, 124) aktiviert wird und mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal verändert wird, wobei die Veränderung in mindestens einer Eigenschaft einen Dichtungsdruck der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material gegen die Tür und den Türrahmen erhöht, wobei eine Bewegung zumindest eines Teils des aktiven Materials in Richtung des Türrahmens, wenn das aktive Material an der Tür angebracht ist, oder in Richtung der Tür, wenn das aktive Material an dem Türrahmen angebracht ist, ausgelöst wird; die Tür von dem Türrahmen weg entriegelt und positioniert wird; und das aktive Material (12, 22, 52, 74, 92, 124) deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das aktive Material Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, magnetische Materialien, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aktivierungssignal ein elektrisches Signal, ein magnetisches Signal, eine Belastung oder eine aufgebrachte Spannung, ein thermisches Signal oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Aktivierungssignale umfassen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft reversibel ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei aktive Material (12, 22, 52, 74, 92, 124) ein Aktuator ist, der außen relativ zu und in Wirkverbindung mit einem elastischen Dichtungskörper (32, 54, 72, 94, 122) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aktivieren des aktiven Materials (12, 22, 52, 74, 92, 124) umfasst, dass eine Abmessung der Dichtungsanordnung (10, 20, 30, 40, 50, 70, 90, 110, 120) auf der Basis von aktivem Material vergrößert wird.