DE10142998B4 - Shape memory composite with inherent motion sequence - Google Patents

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DE10142998B4 DE2001142998 DE10142998A DE10142998B4 DE 10142998 B4 DE10142998 B4 DE 10142998B4 DE 2001142998 DE2001142998 DE 2001142998 DE 10142998 A DE10142998 A DE 10142998A DE 10142998 B4 DE10142998 B4 DE 10142998B4
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Abstract

Formgedächtnisverbund (V), umfassend eine erste Formgedächtnislegierung (F1), die in Abhängigkeit von der Temperatur (T) in einer Martensitphase (M) und/oder in einer Austenitphase (A) vorliegt,
wobei der Phasenübergang der Formgedächtnislegierung (F1) bei einer Erwärmung in die Austenitphase (A) bzw. bei einer Abkühlung in die Martensitphase (M) in einer Hystereseschleife erfolgt, welche bezüglich der Temperatur (T) eine Hysteresebreite (B1) hat,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Formgedächtnisverbund (V) mindestens eine zweite Formgedächtnislegierung (F2) umfaßt, die unmittelbar oder mittelbar mit der ersten Formgedächtnislegierung (F1) verbunden ist,
und die in Abhängigkeit von der Temperatur (T) in einer Martensitphase (M) und/oder in einer Austenitphase (A) vorliegt,
wobei der Phasenübergang der Formgedächtnislegierung (F2) bei einer Erwärmung in die Austenitphase (A) bzw. bei einer Abkühlung in die Martensitphase (M) in einer Hystereseschleife erfolgt, welche bezüglich der Temperatur (T) eine Hysteresebreite (B2) hat,
und wobei die Hysteresebreite (B1) der ersten Formgedächtnislegierung (F1) innerhalb der...Shape memory composite (V) comprising a first shape memory alloy (F1) which is present in a martensite phase (M) and / or in an austenite phase (A) as a function of the temperature (T),
wherein the phase transition of the shape memory alloy (F1) takes place during a warming into the austenite phase (A) or during a cooling into the martensite phase (M) in a hysteresis loop which has a hysteresis width (B1) with respect to the temperature (T),
characterized,
the shape memory composite (V) comprises at least one second shape memory alloy (F2), which is connected directly or indirectly to the first shape memory alloy (F1),
and which is present in a martensite phase (M) and / or in an austenite phase (A) as a function of the temperature (T),
wherein the phase transition of the shape memory alloy (F2) takes place during a heating into the austenite phase (A) or during a cooling into the martensite phase (M) in a hysteresis loop which has a hysteresis width (B2) with respect to the temperature (T),
and wherein the hysteresis width (B1) of the first shape memory alloy (F1) within the ...

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Description

Die Erfindung betrifft einen Formgedächtnisverbund, umfassend eine erste Formgedächtnislegierung, die in Abhängigkeit von der Temperatur in einer Martensitphase und/oder in einer Austenitphase vorliegt, wobei der Phasenübergang der Formgedächtnislegierung bei einer Erwärmung in die Austenitphase bzw. bei einer Abkühlung in die Martensitphase in einer Hystereseschleife erfolgt, welche bezüglich der Temperatur eine bestimmte Hysteresebreite hat. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verändern der Form eines derartigen Formgedächtnisverbundes sowie bevorzugte Verwendungen als Aktor bzw. als Antrieb zur Fortbewegung von mechanisch/elektronischen Systemen, insbesondere von Mikrorobotern.The Invention relates to a shape memory composite, comprising a first shape memory alloy, the dependent of the temperature in a martensite phase and / or in an austenite phase, where the phase transition the shape memory alloy in a warming into the austenite phase or during a cooling into the martensite phase takes place in a hysteresis loop, which with respect to the temperature a certain Has hysteresis width. The invention further relates to a method for Change the shape of such a shape memory composite and preferred Uses as an actuator or as a drive for the movement of mechanical / electronic Systems, in particular of micro-robots.

Derartige Formgedächtnisverbunde sind allgemein bekannt. Formgedächtniswerkstoffe zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sie in einer Tieftemperaturphase (Martensit) in eine erste Form verformt werden können und daß sie sich nach einer Erwärmung und einer Verformung in einer Hochtemperaturphase (Austenit) und anschließender Abkühlung in der Tieftemperaturphase wieder an diese Formgebung erinnern und die erste Form wieder annehmen.such Shape memory composites are well known. Shape memory materials are characterized in particular by the fact that they are in a low-temperature phase (Martensite) can be deformed into a first shape and that they are after a warming and deformation in a high-temperature phase (austenite) and subsequent cooling in the low-temperature phase reminiscent of this shape and to accept the first form again.

Formgedächtnislegierungen durchlaufen eine martensitische Transformation und ändern dabei ihre Kristallstruktur. Mit der Änderung der Struktur ändern sich beim Übergang von der Niedertemperaturphase Martensit zur Hochtemperaturphase Austenit auch die elastischen Eigenschaften des Materials. Wird eine mechanische Bias-Spannung angelegt, so können bei diesem Übergang je nach Randbedingung große Spannungen Δσ ausgeübt oder große Formänderungen Δε durchlaufen werden.Shape Memory Alloys go through a martensitic transformation and change it their crystal structure. With the change to change the structure at the transition from the low temperature phase martensite to the high temperature phase Austenite also the elastic properties of the material. Becomes applied a mechanical bias voltage, so can at this transition depending on the boundary condition big Voltages Δσ exercised or undergo large changes in shape Δε become.

Formgedächtnisverbunde, bei denen eine Formgedächtnisschicht auf einem Substrat abgeschieden ist, können auf diese Weise Aktorbewegungen insbesondere in kleinen Mikrosystemen ausführen. Die nötige Bias-Spannung wird durch die Spannung zwischen der Formgedächtnisschicht und dem Substrat gewährleistet, die entsteht, wenn die Formgedächtnisschicht bei hohen Temperaturen kristallisiert und anschließend abkühlt. Hierzu wird im übrigen auf die deutsche Patentanmeldung DE 100 19 183 A1 verwiesen, auf deren Inhalt Bezug genommen wird.Shape memory composites in which a shape memory layer is deposited on a substrate can in this way perform actuator movements, especially in small microsystems. The necessary bias voltage is provided by the stress between the shape memory layer and the substrate that results when the shape memory layer crystallizes at high temperatures and then cools. For this purpose, moreover, the German patent application DE 100 19 183 A1 Reference is made to the content of which reference is made.

Formgedächtnislegierungen besitzen ein hohes Arbeitsvermögen, können große Bewegungen bzw. Schrittweiten zurücklegen und sind durch geringe Steuerspannungen direkt über Widerstandsheizung ansteuerbar. Aktoren mit Formgedächtnislegierungen können daher in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Sie sind jedoch für Anwendungsfälle der Fortbewegung von Objekten, insbesondere von Mikrorobotern mit dem Nachteil verbunden, daß ihre Bewegungen bei der Auslenkung aus einer Ausgangslage in eine Endlage und danach wieder zurück in die Ausgangslage auf demselben Weg erfolgen. Ein aufgrund einer Auslenkung eines Aktors vorgenommener Fortbewegungsschritt wird dabei wieder rückgängig gemacht, so daß insgesamt eine Fortbewegung des Objektes nicht erfolgen kann.Shape Memory Alloys have a high work capacity, can size Movements or step sizes and are due to low Control voltages directly over Resistor heating controllable. Actuators with shape memory alloys can therefore used in various fields of technology. However, they are for applications of the Moving objects, especially micro-robots with the Disadvantage connected to that Movements during the deflection from a starting position to an end position and then back again into the starting position in the same way. One due to one Deflection of an actor made Fortbewegungsschritt is undone, so that in total a movement of the object can not be done.

Bei der Fortbewegung von Objekten oder Robotern sind verschiedene Antriebe mit wellenartiger Bewegung bekannt. Damit ein Roboter auf dem Land laufen oder im bzw. unter Wasser schwimmen kann, muß er wie der Mensch eine Bewegung durchführen, bei der sich innerhalb eines vollständigen Phasendurchlaufs Hin- und Rückweg voneinander unterscheiden. Würde dieses Prinzip nicht gelten, so würde der Roboter nur hin- und herwackeln.at The movement of objects or robots are different drives known with wave-like motion. So a robot in the country run or swim in or under water, he must like man perform a movement, during which, within a complete phase pass, and way back differ from each other. Would do not apply this principle, the robot would only go back and forth wobbling.

Wesentlich für diese wellenartige Fortbewegung ist die phasengekoppelte Ansteuerung unabhängig fungierender Teilaktoren in einem Gesamtsystem. Dieses Arbeitsprinzip kann durch stehende oder laufende Wellen in magnetostriktiven oder piezoelektrischen Aktoren erzeugt werden.Essential for this Wave-like locomotion is the phase-locked driving independently acting Partial actuators in an overall system. This working principle can be through standing or running waves in magnetostrictive or piezoelectric Actuators are generated.

Bei Antrieben mit magnetostriktiven Schichten durch stehende Wellen sind beispielsweise lineare und rotierende Ultraschall-Motoren mit magnetostriktiven Schichten bekannt. Dabei führen die magnetostriktiven Schichten in einem magnetischen Wechselfeld zu einer sinusförmigen Auf- und Abbewegung des Substrats. Entscheidend für die Fortbewegung ist hierbei, daß zahnartige Strukturen senkrecht zum Substrat zwischen Wellenberg und Wellenknoten existieren. Dadurch führen diese Zähne eine ellipsenförmige Bewegung durch. Hin- und Rückweg der Zahnbewegung sind demnach unterschiedlich. Derartige magnetostriktive „Wellen"-Antriebe sind jedoch nur für bestimmte Einsatzbereiche geeignet. Sie konnten sich bisher bei einem konstruktiv hohen Aufwand insbesondere deshalb nicht durchsetzen, da der magnetostriktive Effekt relativ klein ist und die notwendige unmittelbare Nähe eines starken magnetischen Wechselfeldes die Verwendung des Antriebs für Laufbewegungen und Schwimmbewegungen von Robotern verhindert.at Drives with magnetostrictive layers due to standing waves are for example linear and rotary ultrasonic motors with known magnetostrictive layers. The magnetostrictive Layers in an alternating magnetic field to a sinusoidal structure and movement of the substrate. Decisive for locomotion is, that tooth-like Structures perpendicular to the substrate between wave crest and wave node exist. Cause it these teeth one ellipsoidal Movement through. There and back The tooth movement are therefore different. However, such magnetostrictive "wave" drives are only for certain applications suitable. They were able to join so far a structurally high effort in particular therefore not prevail, because the magnetostrictive effect is relatively small and the necessary immediate proximity a strong alternating magnetic field the use of the drive for running movements and prevents swimming movements of robots.

Ferner sind Antriebe mit piezoelektrischen Schichten mittels laufender Wellen bekannt. Das Prinzip der Fortbewegung mittels laufender Wellen in piezoelektrischen Werkstoffen wird beispielsweise in Autofokussystemen in Fotoapparaten bereits kommerziell eingesetzt. Aufgrund der geringen Stellwege von wenigen Mikrometern muß allerdings bei piezoelektrischen Aktoren mit Frequenzen von einigen kHz und hohen Spannungen gearbeitet werden, um nennenswerte Fortbewegungen zu erreichen, was ebenfalls einen hohen konstruktiven Aufwand sowie einen großen Energiebedarf bedingt und eine Vielzahl von Anwendungsbereichen ausschließt.Furthermore, drives with piezoelectric layers by means of running waves are known. The principle of locomotion by means of traveling waves in piezoelectric materials is already used commercially, for example, in autofocus systems in cameras. Due to the small travel ranges of a few micrometers must, however, piezoelectric actuators with frequencies of a few kHz and high voltages are used to achieve significant locomotion, which also requires a high design effort and a large amount of energy and excludes a variety of applications.

Um wellenartige Bewegungen in bisher bekannten Formgedächtnisaktoren herbeizuführen muß der Aktor in einzelne Abschnitte unterteilt werden, die alle einzeln angesteuert werden müssen. Formgedächtnisaktoren werden durch Wärmeübertragung zu Bewegungen angeregt. Da die wellenförmige Ausbreitung von Wärme durch einen Aktor sehr problematisch ist und durch die Umwelteinflüsse leicht gestört werden kann, muß eine wellenartige Bewegung durch die unabhängige Ansteuerung einzelner Aktorkomponenten erzeugt werden. Die Nachteile dieses Antriebs liegen in dem hohen konstruktiven Aufwand, insbesondere in der komplexen Verdrahtung und der phasengekoppelten Ansteuerung der einzelnen Abschnitte, die das Prinzip ebenfalls sehr aufwendig werden lässt.Around wave-like movements in previously known shape memory actuators The actor must bring about this divided into sections, all individually controlled Need to become. Shape memory actuators be through heat transfer excited to movements. Because the wavy spread of heat through An actuator is very problematic and easily by the environmental influences disturbed must be one wave-like motion through the independent control of individual Actuator components are generated. The disadvantages of this drive are in the high design effort, especially in the complex Wiring and the phase-locked control of the individual Sections that also make the principle very expensive.

Insbesondere in der Raumfahrt- und Unterwassertechnik steigt der Bedarf an lauffähigen bzw. schwimmfähigen Mikrorobotern, deren Bewegung durch einfache Steuersignale koordiniert werden kann. Um den Aufwand an Steuerelektronik auf ein Mindestmaß zu reduzieren, sollten die eingesetzten Aktoren, vom Design und der Materialauswahl bereits so konzipiert sein, daß beispielsweise ein einziges Steuersignal ausreicht, um einen kompletten Bewegungsablauf durchzuführen.Especially in aerospace and underwater technology, the demand for running or buoyant micro robots, whose movement can be coordinated by simple control signals. In order to reduce the expense of control electronics to a minimum, should be the actuators used, by design and choice of materials already be designed so that, for example a single control signal is sufficient to complete a sequence of movements perform.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein konstruktiv einfaches, preiswert herzustellendes, leicht handhabbares und einfach anzusteuerndes Erzeugnis auf der Basis von Formgedächtnislegierungen bereitzustellen, das mit möglichst geringem Energieverbrauch bei der Einwirkung eines Steuerimpulses aus einer Ausgangslage eine Auslenkung über einen bestimmten Weg erfährt und danach einen hiervon verschiedenen Weg zurück in die Ausgangslage nimmt. Insbesondere soll auf diese Weise ein einfacher Mechanismus geschaffen werden, der als leichtes und kleinbauendes Antriebsmittel zur Fortbewegung von technischen Objekten oder Systemen, vorzugsweise von Mikrorobotern dienen kann.task The present invention is therefore a structurally simple, inexpensive to produce, easy to handle and easy to control To provide a product based on shape memory alloys, with as possible low energy consumption when acting on a control pulse learns from a starting position a deflection over a certain way and then take a different route back to the starting position. In particular, to create a simple mechanism in this way be used as a lightweight and small-sized propulsion means for locomotion technical objects or systems, preferably micro-robots can serve.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Formgedächtnisverbund nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by a Shape memory composite solved according to claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention result from the dependent claims.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, daß der Formgedächtnisverbund mindestens eine zweite Formgedächtnislegierung umfaßt, die unmittelbar oder mittelbar mit der ersten Formgedächtnislegierung verbunden ist, und die auch in Abhängigkeit von der Temperatur in einer Martensitphase und/oder in einer Austenitphase vorliegt, wobei ebenfalls der Phasenübergang der Formgedächtnislegierung bei einer Erwärmung in die Austenitphase bzw. bei einer Abkühlung in die Martensitphase in einer Hystereseschleife erfolgt, welche bezüglich der Temperatur eine Hysteresebreite hat, und wobei die Hysterese breite der ersten Formgedächtnislegierung innerhalb der Hysteresebreite der zweiten Formgedächtnislegierung liegt. Die Hysteresebreite der ersten Formgedächtnislegierung ist dabei schmaler als die Hysteresebreite der zweiten Formgedächtnislegierung.Essential in the inventive solution it that the Shape memory composite at least one second shape memory alloy comprises directly or indirectly with the first shape memory alloy is connected, and also depending on the temperature in a martensite phase and / or in an austenite phase, where also the phase transition the shape memory alloy in a warming into the austenite phase or during a cooling into the martensite phase takes place in a hysteresis loop, which with respect to the temperature a hysteresis width has, and where the hysteresis wide of the first shape memory alloy within the hysteresis width of the second shape memory alloy lies. The hysteresis width of the first shape memory alloy is narrower as the hysteresis width of the second shape memory alloy.

Der Hauptvorteil liegt dabei darin, daß der Aktor aufgrund eines einzigen Steuersignals einen Kreisprozess durchläuft, wobei sich Hin- und Rückbewegung so unterscheiden, daß nach vollendetem Kreisprozess eine Nettobewegung des Aktors resultiert. Hierdurch können auf besonders einfache Weise unterschiedliche Fortbewegungen von Objekten, Systemen oder Robotern erreicht werden.Of the The main advantage is that the actuator due to a a single control signal undergoes a cyclic process, with back and forth movement so different that after completed cycle process results in a net motion of the actuator. This allows in a particularly simple manner different movements of Objects, systems or robots can be achieved.

Die Bewegung des erfindungsgemäßen Aktors mit zwei Formgedächtnislegierungen F1 und F2 mit unterschiedlichen Hysteresebreiten läuft dabei folgendermaßen ab:
Befinden sich beide Legierungen im Martensitzustand und wird die Temperatur erhöht, so geht zunächst die erste Legierung F1 und dann die zweite Legierung F2 in den Austenitzustand über. Beim Abkühlen geht wiederum zunächst die erste Legierung F1 und danach die zweite Legierung F2 in den Martensit zustand über. Während bei der Erwärmungsphase die erste Legierung bereits im Austenitzustand ist, befindet sich die zweite Legierung noch im Martensitzustand. Bei der Abkühlungsphase ist die Situation genau umgekehrt: Die erste Legierung ist bereits im Martensitzustand und die zweite Legierung ist noch im Austenitzustand. Üben nun die Formgedächtnislegierungen Kräfte in unterschiedliche Richtungen aus, so entsteht dadurch der gewünschte Kreisprozess mit unterschiedlichem Bewegungsablauf in der Hin- und Rückbewegung mit abwechselnder Transformationsfolge F1→F2→F1→F2.The movement of the actuator according to the invention with two shape memory alloys F1 and F2 with different hysteresis widths proceeds as follows:
If both alloys are in the martensite state and the temperature is increased, first the first alloy F1 and then the second alloy F2 is changed into the austenitic state. Upon cooling, first the first alloy F1 and then the second alloy F2 goes into the martensite state. While the first alloy is already in the austenitic state during the heating phase, the second alloy is still in the martensite state. During the cooling phase the situation is exactly the opposite: the first alloy is already in the martensite state and the second alloy is still in the austenitic state. If the shape memory alloys now exert forces in different directions, this produces the desired circular process with a different sequence of movements in the forward and backward movement with alternating transformation sequences F1 → F2 → F1 → F2.

Wesentlich ist, daß die Hysteresen der beiden Legierungen nicht hintereinander angeordnet sind, da ein Aktor dabei beim Hin- und Rückweg genau den gleichen Weg mit der Transformationsfolge F1→F2→F2→F1 durchlaufen würde. Bei diesem Ablauf kann sich aber keine Nettobewegung ergeben, so daß der Aktor nur für eine Hin- und Hertbewegung sorgt und keine Fortbewegung entsteht.Essential is that the Hystereses of the two alloys are not arranged one behind the other, because an actor doing the way there and back exactly the same way with the transformation sequence F1 → F2 → F2 → F1 would. However, this process can not result in a net movement, so that the Actuator only for a back and forth movement ensures and no movement occurs.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es somit, wellenförmige Bewegungen von Aktoren auf der Basis von Formgedächtnislegierungen zu erzeugen und damit Mikrorobotern einen Antrieb zu ermöglichen, der sie dazu befähigt, sich mit großen Stellwegen fortzubewegen oder Schwimmbewegungen durchzuführen. Der erfindungsgemäße Formgedächtnisverbund ist bei einfacher Konstruktion preiswert herzustellen, leicht handzuhaben und einfach anzusteuern. Er kann mit sehr geringem Gewicht und bei sehr geringem Platzbedarf auch in Mikrosystemen vielfältig zur Fortbewegung eingesetzt werden.The solution according to the invention thus makes it possible to wave-shaped movements of actuators to create the base of shape memory alloys and thereby enable microrobots to drive, enabling them to travel with large travel ranges or perform swimming motions. The shape memory composite according to the invention is simple to manufacture inexpensive, easy to handle and easy to control. It can be used with very little weight and with very little space, even in microsystems varied for locomotion.

Die erfindungsgemäße Ausbildung kann auch mehrfach ineinander geschachtelt zur Anwendung kommen, wobei sich jeweils die Hysterese einer Formgedächtnislegierung innerhalb der Hysterese einer nächsten Formgedächtnislegierung befindet. Auch ist es möglich mehrere Formgedächtnislegierungen unterschiedlicher oder gleicher Hysteresebreiten so miteinander zu kombinieren, daß alle Hysteresen dieser Legierungen innerhalb der Hysteresebreite einer weiteren Formgedächtnislegierung liegen.The inventive training can also be used multiple times in nested applications, each hysteresis of a shape memory alloy within the Hysteresis one next Shape memory alloy located. It is also possible several shape memory alloys different or equal hysteresis widths together to combine that all Hystereses of these alloys within the hysteresis width of one another shape memory alloy lie.

Für bestimmte Zwecke kann auch ein Grenzfall der erfindungsgemäßen Lösung zum Einsatz kommen, bei dem entweder nur die Phasentransformation vom Martensit zum Austenit oder umgekehrt nur die Phasentransformation vom Austenit zum Martensit bei beiden Formgedächtnislegierungen auf den gleichen Temperaturbereich fällt. Der Temperaturbereich der jeweils anderen Phasentransformation ist jedoch auch hierbei so zu wählen, daß die Hysterese der Legierung mit schmalerer Hysteresebreite insgesamt innerhalb der breiteren Hysterese der anderen Legierung liegt.For certain Purposes can also be a limiting case of the solution according to the invention are used either only the phase transformation from martensite to austenite or conversely, only the phase transformation from austenite to martensite in both shape memory alloys falls to the same temperature range. The temperature range However, the other phase transformation is also here so to choose that the Hysteresis of alloy with narrower hysteresis width overall within the wider hysteresis of the other alloy.

Um besonders große Bewegungen bzw. Schrittweiten zu erreichen wird vorgeschlagen, daß Mittel zum Aufbringen einer Kraft bzw. einer Spannung auf eine oder auf beide Formgedächtnislegierung(en) vorgesehen sind. Diese Mittel können beispielsweise durch eine Feder gebildet sein.Around especially big To achieve movements or step sizes is proposed that means for applying a force or a tension on one or on both shape memory alloy (s) are provided. These funds can be formed for example by a spring.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste Formgedächtnislegierung und die zweite Formgedächtnislegierung jeweils auf einem Substrat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebracht, der unterschiedlich ist zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Formgedächtnislegierungen. Bei einer Temperaturänderung bringt das Substrat hierbei die für eine große Verformung bzw. Bewegung erforderlichen Kräfte bzw. Spannungen auf. In Abhängigkeit von der Temperatur ändert sich die Spannung in der auf ein Substrat abgeschiedenen Formgedächtnisschicht, wodurch es zu einem Bimetalleffekt kommt. Hierbei ist mit den unterschiedlichen Spannungswerten eine Änderung der Krümmung des Formgedächtnisverbundes verbunden. Ist die Formgedächtnisschicht im Austenitzustand, so befindet sich der Formgedächtnisverbund in einem gekrümmten Zustand. Liegt die Formgedächtnisschicht dagegen im Martensitzustand vor, so befindet sich der Formgedächtnisverbund in einem nahezu planaren Zustand, da durch die Bildung orientierter Martensitvarianten die Schichtverbundspannung auf einen relativ niedrigen Wert reduziert wird.According to one particularly preferred embodiment of the invention are the first shape memory alloy and the second Shape memory alloy each on a substrate with a thermal expansion coefficient applied, which is different from the thermal expansion coefficient the shape memory alloys. at a temperature change brings the substrate here for a large deformation or movement required forces or tensions. Dependent on changes from the temperature the stress in the shape memory layer deposited on a substrate, causing a bimetal effect. Here is with the different voltage values a change the curvature of the Shape memory composite connected. Is the shape memory layer in the austenitic state, the shape memory composite is in a curved state. Is the shape memory layer against it in Martensitzustand before, so is the shape memory composite in a nearly planar state, as oriented by education Martensitvarianten the layer composite tension on a relative low value is reduced.

Es ist jedoch nicht zwingend, daß ein Aktor im Austenitzustand gekrümmt und im Martensitzustand eben ist. Durch Überlagerung eines Bimetalleffekts mittels einer dritten Schicht in einem Formgedächtnisverbund kann eine Ausgangskrümmung bzw. eine Offset-Krümmung erreicht werden, womit die Flexibilität des Verbundes bezüglich seiner Einsatzmöglichkeiten erhöht wird.It However, it is not mandatory that a Actuator bent in Austenitzustand and in Martensitzustand is flat. By overlaying a bimetallic effect By means of a third layer in a shape memory composite, an output curvature or an offset curvature be achieved, whereby the flexibility of the composite regarding its applications elevated becomes.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die erste Formgedächtnislegierung und die zweite Formgedächtnislegierung auf demselben Substrat aufgebracht sind. Durch die Verwendung nur eines einzigen Substrats kann eine besonders einfache Konstruktion erreicht werden.Especially It is advantageous if the first shape memory alloy and the second Shape memory alloy are applied to the same substrate. By using only a single substrate can be a particularly simple construction be achieved.

Vorteilhafterweise kann das Substrat ein Metall, ein Halbmetall, ein Polymer oder eine Keramik sein. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß das Substrat aus oder mit Stahl, Molybdän (Mo), Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Siliziumdioxyd (SIO2) oder Siliziumnitrid (Si3Ni4) gebildet ist.Advantageously, the substrate may be a metal, a semi-metal, a polymer or a ceramic. It is preferably proposed that the substrate is formed of or with steel, molybdenum (Mo), silicon (Si), silicon carbide (SiC), silicon dioxide (SIO 2 ) or silicon nitride (Si 3 Ni 4 ).

Besonders kleinbauende und leichte Konstruktionen können dadurch erhalten werden, daß das Substrat in Form eines Streifens oder einer Schicht ausgebildet ist. Ebenfalls ist es diesbezüglich von Vorteil, wenn auch die erste Formgedächtnislegierung und/oder die zweite Formgedächtnislegierung in Form eines Streifens oder einer Schicht ausgebildet ist.Especially small-sized and lightweight constructions can be obtained by that this Substrate formed in the form of a strip or a layer is. It is also in this regard of Advantage, although the first shape memory alloy and / or the second shape memory alloy is formed in the form of a strip or a layer.

Die beiden Formgedächtnislegierungen können dabei vorzugsweise in einem Schichtverbund kombiniert sein. In einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform kann der Formgedächtnisverbund dabei einen Schichtverbund bilden, der aus einer einzigen Substratschicht und genau zwei Formgedächtnisschichten besteht. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß die Dicken der beiden Formgedächtnisschichten zumindest annähernd gleich groß sind.The both shape memory alloys can preferably combined in a layer composite. In a structurally particularly simple embodiment of the shape memory composite thereby form a layer composite consisting of a single substrate layer and exactly two shape memory layers consists. It is preferably proposed that the thicknesses of the two shape memory layers at least approximately are the same size.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn das Substrat einen oder mehrere Bereiche aufweist, in dem bzw. in denen nicht alle, sondern nur eine Teilanzahl aller Formgedächtnislegierungen, vorzugsweise nur eine Formgedächtnis legierung aufgebracht ist. Hierdurch kann bei einfacher Konstruktion ein wellenförmiger Bewegungsablauf erzielt werden.Especially It is also advantageous if the substrate has one or more Has areas in which or not all, but only a part number of all shape memory alloys, preferably only a shape memory alloy is applied. As a result, with a simple construction, a wave-like movement be achieved.

Vorzugsweise ist dabei an jeder Stelle des Substrats jeweils nur eine Teilanzahl aller Formgedächtnislegierungen, insbesondere nur eine einzige Formgedächtnislegierung aufgebracht. Auch kann es Bereiche des Substrats geben, in denen keine Formgedächtnislegierung aufgebracht ist.Preferably, at each point of the Substrate applied only a part number of all shape memory alloys, in particular only a single shape memory alloy. There may also be areas of the substrate in which no shape memory alloy is applied.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat durch einen Streifen gebildet, der in zwei oder mehr Abschnitte aufgeteilt ist, wobei in einem ersten Abschnitt auf einer Oberfläche (Oberseite) des Streifens die erste Formgedächtnislegierung aufgebracht ist und in dem zweiten Abschnitt auf der anderen Oberfläche (Unterseite) des Streifens die zweite Formgedächtnislegierung aufgebracht ist. Ein derartiger Aktor kann besonders gut für Laufbewegungen oder für Schwimmbewegungen eingesetzt werden.According to one Another particularly advantageous embodiment of the invention the substrate is formed by a strip that divides into two or more sections is split, wherein in a first section on a surface (top) of the strip the first shape memory alloy is applied and in the second section on the other surface (underside) of the strip the second shape memory alloy is applied. Such an actuator can be particularly good for running movements or for swimming movements be used.

Für bestimmte Einsatzbereiche kann es vorteilhaft sein, wenn der erfindungsgemäße Formgedächtnisverbund zusätzliche Schichten aufweist, die vorzugsweise aus Werkstoffen bestehen, die eine höhere Elastizität haben als die Formgedächtnislegierungen und/oder das Substrat. Insbesondere kann hierdurch eine gewünschte Ausgangsform des Aktors vorgegeben werden.For certain Areas of use may be advantageous if the shape memory composite according to the invention additional Having layers, which are preferably made of materials, the a higher one elasticity have as the shape memory alloys and / or the substrate. In particular, this can be a desired output form be specified by the actuator.

Vorzugsweise kann der Formgedächtnisverbund außenseitig von einer Polymerschicht umgeben sein, um beispielsweise einen Schutz vor Umgebungseinflüssen zu erreichen.Preferably can the shape memory composite externally be surrounded by a polymer layer, for example, a protection against environmental influences to reach.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Formgedächtnislegierungen aus Legierungen mit Titan (Ti) und Nickel (Ni), insbesondere aus TiNi, Ti(Ni, Cu), Ti(Ni, Fe), Ti(Ni, Pd), Ti(Ni, Au), (Ti, Hf)Ni oder (Ti, Zr)Ni. Auch können die Formgedächtnislegierungen Legierungen auf der Basis von Kupfer, insbesondere CuZnAl oder CuNiAl sein.In particularly preferred embodiments consist of shape memory alloys made of alloys with titanium (Ti) and nickel (Ni), in particular TiNi, Ti (Ni, Cu), Ti (Ni, Fe), Ti (Ni, Pd), Ti (Ni, Au), (Ti, Hf) Ni or (Ti, Zr) Ni. Also can the shape memory alloys Alloys based on copper, in particular CuZnAl or CuNiAl be.

Die Eigenschaften dieser Legierungen können dabei durch die Zugabe bestimmter Legierungselemente gezielt beeinflußt werden. So lassen sich durch die sukzessive Substitution von Ni durch Pd oder die Substitution von Ti durch Hf die Übergangstemperaturen der Formgedächtnisschichten auf Temperaturen von bis zu 500°C erhöhen. Durch die Substitution von Ni durch Fe lassen sich die Übergangstemperaturen dagegen verringern. Damit ist es möglich, die Übergangstemperaturen in einem weiten Bereich einzustellen.The Properties of these alloys can be added by adding certain alloying elements are specifically influenced. That's how it works the successive substitution of Ni by Pd or the substitution of Ti by Hf the transition temperatures the shape memory layers to temperatures of up to 500 ° C increase. The substitution of Ni by Fe allows the transition temperatures to be determined reduce it. This makes it possible to change the transition temperatures in one set wide range.

Die Hysteresebreite bezüglich der Temperatur hängt ebenfalls von den beigefügten Substituenten ab, so daß auch die Hysteresebreite durch geeignete Wahl der Formgedächtnislegierung eingestellt werden kann. Dabei erhöht die Ni/Nb- und die Ti/Hf-Substitution die Hysteresebreite, während die Ni/Cu-Substitution diese verringert.The Hysteresis width with respect the temperature depends also from the attached Substituents from, so that too the hysteresis width by suitable choice of the shape memory alloy can be adjusted. This increases the Ni / Nb and the Ti / Hf substitution the hysteresis width, while the Ni / Cu substitution this decreases.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verändern der Form eines Formgedächtnisverbundes der vorangehend beschriebenen Art. Gemäß diesem Verfahren wird die Form des Schichtverbundes dadurch verändert, daß der Formgedächtnisverbund erwärmt oder abgekühlt wird.The The invention also relates to a method for changing the shape of a shape memory composite of the type described above. According to this method, the Form of the composite layer changed by the fact that the shape memory composite heated or cooled becomes.

Insbesondere kann ein erfindungsgemäßer Formgedächtnisverbund mit diesem Verfahren derart in seiner Form verändert werden, daß er in einem Kreisprozeß von einer Ausgangsform zu einer Endform und zurück zu der Ausgangsform verformt wird, indem der Formgedächtnisverbund zunächst erwärmt und danach abgekühlt wird.Especially can be a shape memory composite according to the invention be changed in shape with this method so that it is in a cycle of an initial shape to a final shape and deformed back to the initial shape is by the shape memory composite first heated and then cooled becomes.

Auf besonders einfache Weise kann die Erwärmung des Formgedächtnisverbundes durch die Zufuhr von elektrischem Strom herbeigeführt werden.On The heating of the shape memory composite can be particularly simple be induced by the supply of electric current.

Auf diese Weise läßt sich ein erfindungsgemäßer Formgedächtnisverbund insbesondere auch in keinen Mikrosystemen als Aktor zur Umwandlung von thermischer und/oder elektrischer Energie in mechanische Arbeit oder als Aktor zur Fortbewegung von mechanisch/elektronischen Systemen einsetzen.On this way can be an inventive shape memory composite especially in no microsystems as an actuator for the conversion of thermal and / or electrical energy into mechanical work or as an actuator for the movement of mechanical / electronic systems deploy.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.Further Advantages and features of the invention will become apparent from the following Description and the embodiments illustrated in the drawings.

Es zeigen:It demonstrate:

1: schematisches Spannung-Dehnung-Diagramm einer Formgedächtnislegierung im Martensit- und Austenitzustand 1 : Schematic stress-strain diagram of a shape memory alloy in the martensite and austenite state

2: Spannung-Temperatur-Diagramm eines Formgedächtnisverbundes mit großer Hysteresebreite 2 : Stress-temperature diagram of a shape memory composite with a large hysteresis width

3: Spannung-Temperatur-Diagramm eines Formgedächtnisverbundes mit schmaler Hysteresebreite 3 : Stress-temperature diagram of a shape memory composite with a narrow hysteresis width

4: Auslenkung-Temperatur-Diagramm zweier Formgedächtnisverbunde 4 : Displacement-temperature diagram of two shape memory composites

5: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor 5 : Cross section through an actuator according to the invention

6: Schematische Darstellung des Auslenkung-Temperatur-Verlaufs des Aktors aus 5 6 : Schematic representation of the deflection-temperature curve of the actuator 5

7: Gemessener Auslenkung-Temperatur-Verlauf des Aktors aus 5 7 : Measured deflection-temperature curve of the actuator 5

8: Querschnitt durch einen Aktor für Laufbewegungen 8th : Cross section through an actuator for running movements

9: Bewegungsablauf des Aktors aus 8 bei einer Laufbewegung 9 : Movement sequence of the actuator 8th during a running movement

10: Querschnitt durch einen Aktor für Schwimmbewegungen 10 : Cross section through an actuator for swimming movements

11: Bewegungsablauf des Aktors aus 10 bei einer Schwimmbewegung 11 : Movement sequence of the actuator 10 during a swimming movement

In 1 ist schematisch dargestellt, wie sich beim Übergang von der Niedertemperaturphase Martensit M zur Hochtemperaturphase Austenit A die elastischen Eigenschaften einer Formgedächtnislegierung ändern. Hierbei ist die Spannung σ über der Dehnung ε aufgetragen. Als Formgedächtnislegierung für einen erfindungsgemäßen Schichtverbund V kann dabei insbesondere eine Titan-Nickel-Basis-Legierung verwendet werden, beispielsweise TiNi, Ti(Ni, Cu), Ti(Ni, Fe), Ti(Ni, Pd), Ti(Ni, Au), (Ti, Hf)Ni oder (Ti, Zr)Ni.In 1 shows schematically how change the elastic properties of a shape memory alloy during the transition from the low temperature phase martensite M to the high temperature phase austenite A. Here, the stress σ is plotted against the strain ε. In particular, a titanium-nickel-based alloy can be used as the shape memory alloy for a layer composite V according to the invention, for example TiNi, Ti (Ni, Cu), Ti (Ni, Fe), Ti (Ni, Pd), Ti (Ni, Au ), (Ti, Hf) Ni or (Ti, Zr) Ni.

Das Spannung-Temperatur-Diagramm in 2 zeigt die Veränderung der Schichtspannung σ (in MPa) in Abhängigkeit von der Temperatur T (in°C) bei einer TiNi-Formgedächtnisschicht F2, die auf ein Substrat S aus Molybdän abgeschieden wurde. Die aufgenommenen Werte ergeben sich bei einer 2 μm dicken Ti48Hf8Ni44-Formgedächtnisschicht auf einem 100 μm dicken Molybdän-Substrat S nach einer einstündigen Glühung bei 600°C. Die angegebenen Übergangstemperaturen bezeichnen die Martensitstarttemperatur MS, die Martensitendtemperatur Mf, die Austenitstarttemperatur AS und die Austenitendtemperatur Af.The voltage-temperature diagram in 2 shows the change of the layer stress σ (in MPa) as a function of the temperature T (in ° C) at a TiNi shape memory layer F2, which was deposited on a substrate S of molybdenum. The recorded values are obtained for a 2 μm thick Ti 48 Hf 8 Ni 44 shape memory layer on a 100 μm thick molybdenum substrate S after a one hour annealing at 600 ° C. The transition temperatures indicated designate the martensite start temperature M S , the martensite end temperature M f , the austenite start temperature A S and the austenite end temperature A f .

Aufgrund des geringen Ausdehnungskoeffizienten von Molybdän entsteht nach dem Glühen eine Zugspannung von ca. 600 MPa, die unterhalb von 30°C durch die Orientierung der Martensitvarianten um ca. 500 MPa reduziert wird. Beim Erwärmen wird durch die Rücktransformation bei ca. 60°C die Schichtspannung wieder aufgebaut. Mit den unterschiedlichen Spannungswerten σ ist zugleich eine Änderung der Krümmung des aus der Formgedächtnisschicht F2 und dem Substrat S bestehenden Formgedächtnisverbundes V verbunden.by virtue of The low expansion coefficient of molybdenum is formed after annealing Tensile stress of about 600 MPa, which is below 30 ° C by the Orientation of martensite variants by about 500 MPa is reduced. When heating is through the inverse transformation at about 60 ° C the layer tension rebuilt. With the different ones Voltage values σ is at the same time a change the curvature of the shape memory layer F2 and the substrate S existing shape memory network V connected.

Die Hysteresebreite bezüglich der Temperatur kann durch Variationen in den der Formgedächtnislegierung beigefügten Legierungselementen beeinflußt werden. So zeigt das Spannung-Temperatur-Diagramm in 3 die Veränderung der Schichtspannung σ (in MPa) in Abhängigkeit von der Temperatur T (in°C) bei einer 2 μm dicken Ti55Ni30CU15-Formgedächtnisschicht F1 auf einem 100 μm dicken Molybdän-Substrat S nach einer einstündigen Glühung bei 600°C. Die Breite der Hysterese bezüglich der Temperatur ist dabei deutlich geringer als in 2.The hysteresis width with respect to temperature may be affected by variations in the alloying elements added to the shape memory alloy. So shows the voltage-temperature diagram in 3 the change in the layer stress σ (in MPa) as a function of the temperature T (in ° C) for a 2 μm thick Ti 55 Ni 30 CU 15 memory layer F1 on a 100 μm thick molybdenum substrate S after a one hour annealing at 600 ° C. The width of the hysteresis with respect to the temperature is significantly lower than in 2 ,

In 4 sind die Auslenkungs-Temperatur-Kurven zweier verschiedener Formgedächtnislegierungen F1 und F2 mit den Eigenschaften gemäß den 2 und 3 einander gegenübergestellt. Die Transformationen von Austenit zu Martensit sind dabei mit A→M und die Phasenumwandlungen von Martensit zu Austenit mit M→A gekennzeichnet. Erfindungsgemäß sind hierbei zwei Formgedächtnislegierungen F1 und F2 unterschiedlicher Hysteresebreite B1, B2 so miteinander kombiniert, daß die Hysterese der Legierung F1 mit einer schmaleren Hysteresebreite B1 innerhalb der weiteren Breite B2 der Hysterese der Legierung F2 liegt.In 4 are the deflection temperature curves of two different shape memory alloys F1 and F2 with the properties according to FIGS 2 and 3 faced each other. The transformations of austenite to martensite are characterized by A → M and the phase transformations of martensite to austenite by M → A. According to the invention, two shape memory alloys F1 and F2 of different hysteresis widths B1, B2 are combined with one another such that the hysteresis of the alloy F1 with a narrower hysteresis width B1 lies within the further width B2 of the hysteresis of the alloy F2.

Die Auswirkung der Transformationsfolge F1→F2→F1→F2 auf die Auslenkung L von Aktoren läßt sich meßtechnisch überprüfen, wenn ein Aktor betrachtet wird, der aus einem Schichtverbund V gemäß 5 besteht. Der Schichtverbund V besteht aus drei Schichten S, F1, F2. Zwei der Schichten F1 und F2 sind Formgedächtnislegierungen. Zwischen diesen beiden Formgedächtnisschichten F1 und F2 befindet sich das Substrat S. Im einfachsten und deutlichsten Fall sind die Schichtdicken der beiden Formgedächtnisschichten gerade gleich groß. Die Formgedächtnislegierung F1 besitzt dabei eine schmale Hysterese und die Formgedächtnislegierung F2 eine breite Hysterese.The effect of the transformation sequence F1 → F2 → F1 → F2 on the deflection L of actuators can be checked by measuring technology, if an actuator is considered which consists of a layer composite V according to FIG 5 consists. The layer composite V consists of three layers S, F1, F2. Two of the layers F1 and F2 are shape memory alloys. The substrate S is located between these two shape memory layers F1 and F2. In the simplest and clearest case, the layer thicknesses of the two shape memory layers are just the same. The shape memory alloy F1 has a narrow hysteresis and the shape memory alloy F2 has a broad hysteresis.

Entsprechend der vorangegangenen Beschreibung stehen die Schichten F1, F2 aus Formgedächtnislegierungen auf Substraten S mit niedrigerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Austenitzustand A unter einer großen Zugspannung und im Martensitzustand M unter einer wesentlich geringeren Zugspannung. Die Schichtfolge aus Formgedächtnislegierung F1, einem passiven Substrat S und Formgedächtnislegierung F2 hat zur Folge, daß die gegenüberliegenden Formgedächtnisschichten F1, F2 im Austenitzustand A das Substrat S jeweils auf Ihre Seite ziehen wollen. Sind beide Schichten F1 und F2 im Martensitzustand M oder im Austenitzustand A heben sich die Zugspannungen gerade auf und der Aktor bleibt flach. Ist dagegen nur eine der beiden Formgedächtnisschichten F1 oder F2 im Austenitzustand A, so überwiegt ihre Zugspannung und der Aktor wird in deren Richtung ausgelenkt.Corresponding In the preceding description, the layers F1, F2 are made Shape Memory Alloys on substrates S with lower coefficient of thermal expansion in the Austenitzustand A under a large tension and Martensitzustand M under a much lower tension. The sequence of layers made of shape memory alloy F1, a passive substrate S and shape memory alloy F2 has to Consequence, that the opposite Shape memory layers F1, F2 in Austenitzustand A pull the substrate S on each side want. If both layers F1 and F2 are in the martensite state M or In Austenitzustand A, the tensile stresses lift straight up and the actor remains flat. Is only one of the two shape memory layers F1 or F2 in austenitic state A, so their tensile stress and the outweighs Actuator is deflected in their direction.

Da sich dabei erfindungsgemäß die Hysterese der Formgedächtnisschicht F1 innerhalb der Hysterese der anderen Formgedächtnisschicht F2 befindet, kommt das in 6 skizzierte Auslenkungsverhalten des Aktors zustande. Hinweg (oben) und Rückweg (unten) besitzen hierbei einen deutlich unterschiedlichen Verlauf.Since according to the invention, the hysteresis of the shape memory layer F1 is within the hysteresis of the other shape memory layer F2, this comes in 6 Outlined deflection behavior of the actuator. Way out (above) and way back (below) have a significantly different course.

In 7 ist dazu der gemessene Verlauf der Auslenkung eines solchen Schichtverbundes V gezeigt. Der Schichtverbund V besteht hier aus einem Molybdän-Substrat der Dicke 100 μm und zwei Formgedächtnisschichten aus Ti55Ni30Cu15 Und Ti49Hf9Ni42 mit einer Dicke von jeweils 2,7 μm.In 7 is the measured course of the Deflection of such a layer composite V shown. The composite layer V here consists of a molybdenum substrate of thickness 100 microns and two shape memory layers of Ti 55 Ni 30 Cu 15 and Ti 49 Hf 9 Ni 42 with a thickness of 2.7 microns.

8 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aktors, der für Laufbewegungen eingesetzt werden kann. Der Aktor entspricht im wesentlichen dem streifenförmigen Aktor aus 5, wobei jedoch die beiden Formgedächtnislegierungen F1 und F2 mit unterschiedlicher Hysteresebreite B1 und B2 auf zwei verschiedene Abschnitte A1 und A2 aufgeteilt sind. In dem ersten Abschnitt A1 ist die erste Formgedächtnislegierung F1 auf der Unterseite des Substratstreifens S aufgebracht und in dem zweiten Abschnitt A2 ist die zweite Formgedächtnislegierung F2 auf der Oberseite des Substratstreifens S aufgebracht. 8th shows a particularly preferred embodiment of an actuator according to the invention, which can be used for running movements. The actuator essentially corresponds to the strip-shaped actuator 5 However, wherein the two shape memory alloys F1 and F2 with different hysteresis widths B1 and B2 are divided into two different sections A1 and A2. In the first section A1, the first shape memory alloy F1 is applied on the underside of the substrate strip S, and in the second section A2, the second shape memory alloy F2 is applied on the top side of the substrate strip S.

Die mit diesem Aktor möglichen Bewegungsformen sind in der 9 in fünf Teilschritten 1) bis 5) dargestellt.The possible with this actor movement forms are in the 9 in five steps 1) to 5).

Bei der in 9 gezeigten Laufbewegung ist der Aktor aus 8 senkrecht nach unten an einem Objekt O angeordnet, das ein mechanisch/elektronisches System, insbesondere ein Mikroroboter sein kann. Befinden sich beide Formgedächtnislegierungen F1 und F2 im Martensitzustand M, so steht das Objekt O gemäß Teilschritt 1 auf dem Boden B.At the in 9 shown running motion is the actuator off 8th arranged vertically down to an object O, which may be a mechanical / electronic system, in particular a micro robot. If both shape memory alloys F1 and F2 are in the martensite state M, the object O stands on the floor B in accordance with partial step 1.

Die anschließend erfolgende Krümmung der unteren Hälfte bzw des Abschnitts A1 mit der Legierung F1 nach rechts führt zum Abstoßen und damit zu einer Bewegung des Objekts O nach links (Teilschritt 2). Der Pfeil P zeigt dabei den Moment der Abstoßung. In dieser Zwischenlage des Aktors befindet sich die Legierung F1 im Austenitzustand A und die Legierung F2 noch im Martensitzustand M.The subsequently resulting curvature the lower half or section A1 with the alloy F1 to the right leads to Repel and thus to a movement of the object O to the left (sub-step 2). The arrow P shows the moment of repulsion. In this liner of the actuator, the alloy F1 is in Austenitzustand A and the alloy F2 still in Martensitzustand M.

Die zweite Legierung F2 gewährleistet anschließend eine Rückbewegung des Aktors ohne Bodenkontakt, sofern weitere Aktoren, insbesondere weitere Beine des Roboters in diesem Moment den Bodenkontakt und damit das Gewicht des Objekts O übernehmen. Nachdem auch die obere Hälfte bzw. der Abschnitt A2 mit der zweiten Legierung F2 gekrümmt ist und beide Formgedächtnislegierungen F1 und F2 im Austenitzustand A sind (Teilschritt 3), verformt sich der untere Abschnitt mit der Legierung F1 wieder in die Ausgangslage zurück (Teilschritt 4). In dieser zweiten Zwischenlage des Aktors befindet sich die Legierung F1 schon wieder im Martensitzustand M, während die Legierung F2 noch im Austenitzustand A ist.The second alloy F2 ensured subsequently a return movement the actuator without contact with the ground, if other actuators, in particular more Legs of the robot at this moment the ground contact and thus the Take over weight of object O After the upper half or the section A2 is curved with the second alloy F2 and both shape memory alloys F1 and F2 in austenitic state A are (substep 3), deforms the lower section with the alloy F1 back to the starting position back (Sub-step 4). In this second intermediate position of the actuator is located the alloy F1 again in Martensitzustand M, while the Alloy F2 is still in the austenitic state A.

Abschließend verformt sich auch der obere Abschnitt mit der Legierung F2 wieder in die Ausgangslage zurück (Teilschritt 5), so daß sich der Aktor insgesamt wieder in der Ausgangsposition befindet und beide Legierungen F1 und F2 wieder im Martensitzustand M sind. Der Kreisprozeß des Bewegungsablaufes ist damit einmal durchlaufen und kann für weitere Laufschritte wiederholt werden.Finally deformed also the upper section with the alloy F2 again in the Starting position back (Sub-step 5), so that the actuator is again in the starting position and both alloys F1 and F2 are again in the martensite state M. Of the Circular process of Movement is thus once passed and can be used for more Running steps are repeated.

10 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aktors, der für Schwimmbewegungen eingesetzt werden kann. Der Aktor entspricht im wesentlichen dem streifenförmigen Aktor aus 8, wobei jedoch beide Formgedächtnislegierungen F1 und F2 mit unterschiedlicher Hysteresebreite B1 und B2 in den beiden Abschnitten A1 und A2 auf der gleichen Seite des Substratstreifens S aufgebracht sind. 10 shows a particularly preferred embodiment of an actuator according to the invention, which can be used for swimming movements. The actuator essentially corresponds to the strip-shaped actuator 8th However, both shape memory alloys F1 and F2 are applied with different hysteresis widths B1 and B2 in the two sections A1 and A2 on the same side of the substrate strip S.

Bei der in 11 dargestellten Schwimmbewegung sind zwei Aktoren gemäß 10 seitlich einander gegenüberliegend an einem Objekt O angeordnet, das wiederum ein mechanisch/elektronisches System, insbesondere ein Mikroroboter sein kann. In dieser Darstellung sind die beiden Aktoren derart angeordnet, daß sich beide Formgedächtnislegierungen F1 und F2 auf der Unterseite des Substratstreifens S befinden. Die mit den Aktoren möglichen Bewegungsformen sind in der 11 in fünf Teilschritten 1) bis 5) dargestellt.At the in 11 shown floating movement are two actuators according to 10 arranged laterally opposite each other on an object O, which in turn may be a mechanical / electronic system, in particular a micro robot. In this illustration, the two actuators are arranged such that both shape memory alloys F1 and F2 are located on the underside of the substrate strip S. The possible with the actors movement forms are in the 11 in five steps 1) to 5).

Für einen Aktor für Schwimmbewegungen gelten die gleichen Kriterien wie für den zuvor beschriebenen Aktor für Laufbewegungen. Auch hier gilt, daß die Spannweite des Aktors bei der Vorwärtsbewegung (Teilschritte 1→2→3) möglichst groß sein soll, während für die Rückbewegung (Teilschritte 3→4→5) die Spannweite möglichst klein sein muß. Allerdings ist es bei einer Schwimmbewegung sinnvoll, daß in der Ausgangslage 1) in 11 beide Legierungen F1 und F2 im Martensitzustand M sind und daß beide Formgedächtnislegierungen F1 und F2 bei ihrer ersten Verformung in die gleiche Richtung (nach unten) arbeiten. Der gekrümmte Martensitzustand M des Aktorabschnitts A1 von Legierung F1 kann dadurch erreicht werden, daß mittels einer dritten Schicht ein Bimetalleffekt überlagert wird, der es ermöglicht, die gewünschte Offset-Krümmung zu erzeugen. Diese dritte Schicht kann in dem in 11 dargestellten Beispiel vorteilhafterweise auf der Oberseite des Substratstreifens S vorgesehen sein.For an actuator for swimming movements, the same criteria apply as for the previously described actor for running movements. Again, the span of the actuator in the forward movement (sub-steps 1 → 2 → 3) should be as large as possible, while for the return movement (sub-steps 3 → 4 → 5), the span must be as small as possible. However, it makes sense in a swimming movement that in the starting position 1) in 11 both alloys F1 and F2 are in the martensite state M and that both shape memory alloys F1 and F2 work in the same direction (downwards) upon their first deformation. The curved martensite state M of the actuator section A1 of alloy F1 can be achieved by superimposing a bimetallic effect by means of a third layer which makes it possible to produce the desired offset curvature. This third layer can be found in the in 11 represented example advantageously be provided on the upper side of the substrate strip S.

Zunächst befinden sich in der Ausgangslage 1) beide Formgedächtnislegierungen F1 und F2 im Martensitzustand M, wobei beide Aktoren nach oben gerichtet sind. Die Verformung bzw. Streckung der inneren Hälfte bzw des Abschnitts A1 mit der Legierung F1 nach unten führt zu einer Schwimmbewegung des Objekts O nach oben. Die Pfeile P1 und P2 zeigen dabei die von den Abschnitten A1 bzw. A2 ausgeübten Vortriebskräfte. In dieser Zwischenlage 2) der Aktoren befindet sich die Legierung F1 im Austenitzustand A und die Legierung F2 noch im Martensitzustand M. Beide Legierungen F1 und F2 sind hierbei gerade gestreckt.First, in the starting position 1), both shape memory alloys F1 and F2 are in the martensite state M, with both actuators facing upwards. The deformation or stretching of the inner half or section A1 with the alloy F1 downwards leads to a floating movement of the object O upwards. The arrows P1 and P2 show the propulsive forces exerted by the sections A1 and A2. In this intermediate layer 2) of the actuators, the alloy F1 is in Austenitzustand A and the alloy F2 still in Marten seating state M. Both alloys F1 and F2 are straight in this case.

Anschließend verformt bzw. krümmt sich auch die äußere Hälfte bzw. der Abschnitt mit der zweiten Legierung F2 nach unten, wobei eine weitere Schwimmbewegung des Objekts O nach oben erfolgt. Die Pfeile P2 zeigen dabei die von den Abschnitten A2 ausgeübten Vortriebskräfte. Beide Formgedächtnislegierungen F1 und F2 sind in dieser Endlage 3 nunmehr im Austenitzustand A.Then deformed or curves also the outer half resp. the section with the second alloy F2 down, where a further swimming movement of the object O is up. The arrows P2 show the propulsive forces exerted by sections A2. Both shape memory alloys F1 and F2 are now in Austenitzustand A. in this end position 3.

Anschließend verformt sich der innere Abschnitt mit der Legierung F1 wieder in die Ausgangslage zurück. In dieser zweiten Zwischenlage 4) der Aktoren befindet sich die Legierung F1 schon wieder im Martensitzustand M, während die Legierung F2 noch im Austenitzustand A ist. Beide Legierungen F1 und F2 befinden sich hierbei in einer gekrümmten Lage.Then deformed the inner section with the alloy F1 returns to its original position back. In this second intermediate layer 4) of the actuators is the Alloy F1 again in martensite M, while the Alloy F2 is still in the austenitic state A. Both alloys F1 and F2 are here in a curved position.

Abschließend verformt sich auch der äußere Abschnitt mit der Legierung F2 wieder in die Ausgangslage 5) zurück, so daß sich beide Aktoren insgesamt wieder in der Ausgangsposition befindet und beide Legierungen F1 und F2 wieder im Martensitzustand M sind. Der Kreisprozeß des Bewegungsablaufes ist damit einmal durchlaufen und kann für weitere Schwimmschritte wiederholt werden.Finally deformed also the outer section with the alloy F2 back to the starting position 5), so that both Actuators overall is back in the starting position and both Alloys F1 and F2 are again in Martensitzustand M. The cycle of movement has gone through it once and can be repeated for further swimming steps become.

MM
Martensitmartensite
AA
Austenitaustenite
σσ
Spannungtension
εε
Dehnungstrain
VV
Schichtverbund, FormgedächtnisverbundLayer composite, Shape memory composite
TT
Temperaturtemperature
SS
Substratsubstratum
MS M s
Martensitstarttemperaturmartensite
Mf M f
Martensitendtemperaturmartensite
AS A S
Austenitstarttemperaturaustenite
Af A f
Austenitendtemperaturaustenite
F1F1
erste Formgedächtnislegierung, Formgedächtnisschichtfirst Shape memory alloy, Shape memory layer
F2F2
zweite Formgedächtnislegierung, Formgedächtnisschichtsecond Shape memory alloy, Shape memory layer
LL
Auslenkung deflection
B1B1
Hysteresebreite der ersten Formgedächtnislegierunghysteresis the first shape memory alloy
B2B2
Hysteresebreite der zweiten Formgedächtnislegierunghysteresis the second shape memory alloy
A1A1
erster Abschnittfirst section
A2A2
zweiter Abschnittsecond section
O O
Objektobject
BB
Bodenground
PP
Moment der Abstoßungmoment the repulsion
P1P1
Vortriebskraftpropulsive force
P2P2
Vortriebskraftpropulsive force

Claims (22)

Formgedächtnisverbund (V), umfassend eine erste Formgedächtnislegierung (F1), die in Abhängigkeit von der Temperatur (T) in einer Martensitphase (M) und/oder in einer Austenitphase (A) vorliegt, wobei der Phasenübergang der Formgedächtnislegierung (F1) bei einer Erwärmung in die Austenitphase (A) bzw. bei einer Abkühlung in die Martensitphase (M) in einer Hystereseschleife erfolgt, welche bezüglich der Temperatur (T) eine Hysteresebreite (B1) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisverbund (V) mindestens eine zweite Formgedächtnislegierung (F2) umfaßt, die unmittelbar oder mittelbar mit der ersten Formgedächtnislegierung (F1) verbunden ist, und die in Abhängigkeit von der Temperatur (T) in einer Martensitphase (M) und/oder in einer Austenitphase (A) vorliegt, wobei der Phasenübergang der Formgedächtnislegierung (F2) bei einer Erwärmung in die Austenitphase (A) bzw. bei einer Abkühlung in die Martensitphase (M) in einer Hystereseschleife erfolgt, welche bezüglich der Temperatur (T) eine Hysteresebreite (B2) hat, und wobei die Hysteresebreite (B1) der ersten Formgedächtnislegierung (F1) innerhalb der Hysteresebreite (B2) der zweiten Formgedächtnislegierung (F2) liegt.A shape memory composite (V) comprising a first shape memory alloy (F1) present in a martensite phase (M) and / or an austenite phase (A) as a function of temperature (T), the phase transition of the shape memory alloy (F1) upon heating into the austenite phase (A) or during a cooling into the martensite phase (M) in a hysteresis loop which has a hysteresis width (B1) with respect to the temperature (T), characterized in that the shape memory composite (V) comprises at least one second shape memory alloy ( F2) which is directly or indirectly connected to the first shape memory alloy (F1) and which is present in a martensite phase (M) and / or an austenite phase (A) as a function of the temperature (T), the phase transition of the shape memory alloy (F2) takes place when heated to the austenite phase (A) or when cooled to the martensite phase (M) in a hysteresis loop, which bez of the temperature (T) has a hysteresis width (B2), and the hysteresis width (B1) of the first shape memory alloy (F1) is within the hysteresis width (B2) of the second shape memory alloy (F2). Formgedächtnisverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Phasentransformation vom Martensit (M) zum Austenit (A) oder umgekehrt vom Austenit (A) zum Martensit (M) bei beiden Formgedächtnislegierungen (F1, F2) auf den gleichen Temperaturbereich fällt.Shape memory composite according to claim 1, characterized in that either the phase transformation from martensite (M) to austenite (A) or vice versa from austenite (A) to martensite (M) in both shape memory alloys (F1, F2) falls to the same temperature range. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Aufbringen einer Kraft bzw. einer Spannung (σ) auf mindestens eine Formgedächtnislegierung (F1, F2) vorgesehen sind.Shape memory composite according to claim 1 or 2, characterized in that means for applying a force or stress (σ) to at least one shape memory alloy (F1, F2) are provided. Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Formgedächtnislegierung (F1) und die zweite Formgedächtnislegierung (F2) jeweils auf einem Substrat (S) aufgebracht sind, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der unterschiedlich ist zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Formgedächtnislegierungen (F1, F2).Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized in that the first shape memory alloy (F1) and the second shape memory alloy (F2) are each applied to a substrate (S) having a has thermal expansion coefficient that is different to the thermal expansion coefficient of the shape memory alloys (F1, F2). Formgedächtnisverbund nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Formgedächtnislegierung (F1) und die zweite Formgedächtnislegierung (F2) auf demselben Substrat (S) aufgebracht sind.Shape memory composite according to claim 4, characterized in that the first shape memory alloy (F1) and the second shape memory alloy (F2) on the same substrate (S) are applied. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) ein Metall, ein Halbmetall, ein Polymer oder eine Keramik ist.Shape memory composite according to claim 4 or 5, characterized in that the substrate (S) is a metal, a semi-metal, a polymer or a ceramic. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus oder mit Stahl, Molybdän (Mo), Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Siliziumdioxyd (SIO2) oder Siliziumnitrid (Si3Ni4) gebildet ist.Shape memory composite according to claim 6, characterized in that the substrate is formed of or with steel, molybdenum (Mo), silicon (Si), silicon carbide (SiC), silicon dioxide (SIO 2 ) or silicon nitride (Si 3 Ni 4 ). Formgedächtnisverbund nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) in Form eines Streifens oder einer Ebene ausgebildet ist.Shape memory composite according to one of the claims 4 to 7, characterized in that the substrate (S) in the form a strip or a plane is formed. Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Formgedächtnislegierung (F1) und/oder die zweite Formgedächtnislegierung (F2) in Form eines Streifens oder einer Schicht ausgebildet ist.Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized in that the first shape memory alloy (F1) and / or the second shape memory alloy (F2) is formed in the form of a strip or a layer. Formgedächtnisverbund nach den Ansprüchen 5, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß genau zwei Formgedächtnislegierungen (F1, F2) mit einer Substratschicht (S) in einem Schichtverbund (V) kombiniert sind.Shape memory composite according to the claims 5, 8 and 9, characterized in that exactly two shape memory alloys (F1, F2) combined with a substrate layer (S) in a composite layer (V) are. Formgedächtnisverbund nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) mindestens einen Bereich (A1, A2) aufweist, in dem nur eine Teilanzahl aller Formgedächtnislegierungen (F1, F2), vorzugsweise nur eine Formgedächtnislegierung (F1, F2) aufgebracht ist.Shape memory composite according to one of the claims 5 to 10, characterized in that the substrate (S) at least a region (A1, A2) in which only a part number of all Shape Memory Alloys (F1, F2), preferably only a shape memory alloy (F1, F2) applied is. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Stelle des Substrats (S) jeweils maximal eine Teilanzahl aller Formgedächtnislegierungen (F1, F2), vorzugsweise nur eine Formgedächtnislegierung (F1, F2) aufgebracht ist.Shape memory composite according to claim 11, characterized in that at each point of the substrate (S) each a maximum of a part number of all shape memory alloys (F1, F2), preferably only a shape memory alloy (F1, F2) applied is. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) durch einen Streifen gebildet ist, der zwei Abschnitte (A1, A2) aufweist, wobei in dem ersten Abschnitt (A1) auf der Oberseite oder Unterseite des Streifens die erste Formgedächtnislegierung (F1) aufgebracht ist und in dem zweiten Abschnitt (A2) auf der Oberseite oder Unterseite des Streifens die zweite Formgedächtnislegierung (F2) aufgebracht ist.Shape memory composite according to claim 12, characterized in that the substrate (S) by a Strip is formed, which has two sections (A1, A2), wherein in the first section (A1) on the top or bottom of the Strip's first shape memory alloy (F1) is applied and in the second section (A2) on the top or underside of the strip, the second shape memory alloy (F2) applied is. Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Schichten vorgesehen sind, die vorzugsweise aus Werkstoffen bestehen, die eine höhere Elastizität haben als die Formgedächtnislegierungen (F1, F2) und/oder das Substrat (S).Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized in that additional Layers are provided, which are preferably made of materials, which have a higher elasticity as the shape memory alloys (F1, F2) and / or the substrate (S). Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß er außenseitig von einer Polymerschicht umgeben ist.Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is outside surrounded by a polymer layer. Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierungen (F1, F2) Legierungen mit Titan (Ti) und Nickel (Ni), insbesondere TiNi, Ti(Ni, Cu), Ti(Ni, Fe), Ti(Ni, Pd), Ti(Ni, Au), (Ti, Hf)Ni oder (Ti, Zr)Ni sind.Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized in that the Shape Memory Alloys (F1, F2) alloys with titanium (Ti) and nickel (Ni), in particular TiNi, Ti (Ni, Cu), Ti (Ni, Fe), Ti (Ni, Pd), Ti (Ni, Au), (Ti, Hf) Ni or (Ti, Zr) are Ni. Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierungen (F1, F2) Legierungen auf der Basis von Kupfer, insbesondere CuZnAl oder CuNiAl sind.Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized in that the Shape Memory Alloys (F1, F2) alloys based on copper, in particular CuZnAl or CuNiAl are. Verfahren zum Verändern der Form eines Formgedächtnisverbundes (V) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisverbund (V) erwärmt oder abgekühlt wird.Method for changing the shape of a shape memory composite (V) according to one of the preceding claims, characterized that the Shape memory composite (V) heated or cooled becomes. Verfahren zum Verändern der Form eines Formgedächtnisverbundes (V) nach einem der vorherigen Ansprüche von einer Ausgangsform zu einer Endform und zurück zu der Ausgangsform in einem Kreisprozeß, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisverbund (V) erwärmt und danach abgekühlt wird.Method for changing the shape of a shape memory composite (V) according to one of the preceding claims of an initial form to a final form and back to the initial shape in a cyclic process, characterized that the shape memory composite (V) heated and then cooled becomes. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch elektrischen Strom herbeigeführt wird.Method according to claim 18 or 19, characterized that the warming is caused by electric current. Verwendung eines Formgedächtnisverbundes (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, insbesondere unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 20, als Aktor zur Umwandlung thermischer und/oder elektrischer Energie in mechanische Arbeit.Use of a shape memory composite (V) after one the claims 1 to 17, in particular using the method according to one the claims 18 to 20, as an actuator for the conversion of thermal and / or electrical Energy in mechanical work. Verwendung eines Formgedächtnisverbundes (V) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, insbesondere unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 20, als Aktor zur Fortbewegung von mechanisch/elektronischen Systemen.Use of a shape memory composite (V) after one the claims 1 to 17, in particular using the method according to one the claims 18 to 20, as an actuator for the movement of mechanical / electronic Systems.
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