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TECHNISCHER
BEREICH
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines
Gegenstandes aus einem Werkstoff, der eine martensitische Umwandlung
aufweist, insbesondere aus einem Werkstoff mit Formerinnerung.
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Die
Erfindung wird für
die Herstellung von aktiven oder passiven monolithischen Strukturen
(d.h. Einblockstrukturen) aus Werkstoffen mit Formerinnerung und
insbesondere für
die Herstellung von monolithischen Schaltern ("actuators"), Verbindungsstücken, aktiven Befestigungsbauteilen
und Greifern ("grippers") mit sehr kleinen
Abmessungen aus Werkstoffen mit Formerinnerung verwendet.
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LAGE DES STANDES
DER TECHNIK
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Hinsichtlich
der Werkstoffe mit Formerinnerung soll in die beiden folgenden Dokumente
Einsicht genommen werden:
- [1] Engineering Aspects of Shape
Memory Alloys, T.W. Duerig et al., Ed. Butterworth-Heinemann, 1990.
- [2] Shape memory materials, Edited by K. Otsuka und C.M. Wayman,
Cambridge University Press, 1998, Kapitel 10, Seiten 221 bis 237.
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Es
soll ebenfalls in das folgende Dokument Einsicht genommen werden,
welches besondere Anwendungen dieser Werkstoffe verbreitet:
- [3]
Französische
Patentanmeldung Nr. 9615013 vom 6. Dezember 1996, "Dispositif de préhension
en matériau á mémoire
de forme et procédé de réalisation", Erfindung von Y.
Bellouard, J.E. Bidaux und T. Sidler – siehe auch internationale
Anmeldung Nr. PCT/EP97/06966, internationale Publikationsnummer
WO 98/24594.
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Es
soll in Erinnerung gerufen werden, dass die Werkstoffe mit Formerinnerung
mehrere Feststoff-Phasen in metastabilem Gleichgewicht aufweisen.
Der Phasenübergang
von einer Feststoff-Phase in eine andere kann unter Spannung ("Superelastizität") und/oder durch
Temperaturänderung
(Formerinnerungseffekt) induziert werden.
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Wenn
der Phasenübergang
thermisch induziert wird, kann er von einer makroskopischen Formänderung
begleitet sein. Somit kann ein Werkstoff mit Formerinnerung, der
in seiner Niedrigtemperaturphase, die "Martensitphase" genannt wird, scheinbar verformt wird,
durch Erwärmung
bis zu seiner Hochtemperaturphase, die "Austenitphase" genannt wird, wieder seine anfängliche
Form annehmen.
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Die
charakteristischen Anfangs- und Endtemperaturen der Austenit-Martensit-Umwandlung werden
mit Ms bzw. Mf bezeichnet.
Die charakteristischen Anfangs- und Endtemperaturen der Martensit-Austenit-Umwandlung
werden mit As bzw. Af bezeichnet.
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Eine
besondere Aufmerksamkeit muss der Tatsache geschenkt werden, dass
in einem Werkstoff mit Formerinnerung nur eine einzige "gespeicherte" Form, nämlich die
austenitische Form, vorhanden ist: das Phänomen ist also nicht intrinsisch
reversibel.
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Das
Erhalten eines intrinsisch reversiblen Effekts für einen solchen Werkstoff benötigt entweder die
Anwendung einer sehr besonderen Methode für die Herstellung des Werkstoffs
(zum Beispiel die unter dem Namen "Melt Spinning" bekannte Methode) oder die Anwendung
einer themo-mechanischen Behandlung, die allgemein "Bildungsverfahren" genannt wird und
die gewissermassen eine bevorzugte Martensit-Form "speichert".
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Eine
weitere bekannte Technik besteht darin, dass die Tatsache, dass
sich das mechanische Merkmal des Werkstoffs beim Phasenübergang
verändert, genutzt
wird. Somit besitzt eine mechanische Verbindung, die einerseits
ein Element aus einem solchen Werkstoff und andererseits ein weiteres
Element, dessen Merkmal konstant bleibt, umfasst, zwei stabile Arbeitspunkte,
die den Temperatur- und Spannungszonen entsprechen, welche die Feststoff-Phasen
dieses Werkstoffs mit Formerinnerung definieren.
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Wenn
man einen Schalter mit sehr kleinen Abmessungen ausführen will,
ist es jedoch sehr schwierig, eine solche Verbindung auszuführen. Deshalb
besteht eine bekannte Technik darin, eine Einblockstruktur, die
ebenfalls monolithische Struktur genannt wird, auszuführen: der
Schalter wird dann aus einem einzigen Element aus einem Werkstoff
mit Formerinnerung hergestellt.
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Diesbezüglich soll
in folgendes Dokument Einsicht genommen werden:
- [4] Y. Bellouard
et al., "A concept
for monolithic SMA microdevices",
Physikzeitschrift IV, Nr. 11, Seiten 603-608 (1997).
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Die
Schwierigkeit besteht dann darin, einen reversiblen Effekt erhalten
zu können
und zu diesem Zweck verschiedene mechanische Eigenschaften in diesem
gleichen Element zu erhalten. Dazu ist es nötig, dieses letztere lokal
zu erwärmen,
damit nur ein Teil davon einen Formerinnerungseffekt aufweist, während der
andere Teil passiv bleibt.
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Damit
eine Verschiebung eintritt, ist es jedoch zwingend, eine anfängliche
Vorverformung des Elements mechanisch auszuführen (ausser wenn ein Zweirichtungs-Formerinnerungseffekt
vorhanden ist).
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EP-A-0
086 357 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses, gemäss welchem
man den Werkstoff von oberflächlichen
Schichten des Gehäuses
von einem ferritischen Zustand in einen merklich martensitischen
Zustand übergehen
lässt.
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MESSER
K ET AL: "STAND
DES LASERSTRAHLHÄRTENS" HÄRTEREI TECHNISCHE MITTEILUNGEN,
DE, CARL HANSER VERLAG, MÜNCHEN,
Vol. 52, Nr. 2, 1. März
1997 (1997-03-01 ), Seiten 74-82 beschreibt die Härtung durch
ein Laserstrahlenbündel
von Eisenlegierungen.
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MIGLIORE
LR: "HEAT TREATING
WITH LASERS" ADVANCED
MATERIALS & PROCESSES, US,
AMERICA SOCIETY FOR METALS, METALS PARK, OHIO, Vol. 154, Nr. 2,
1. August 1998 (1998-08-01), Seiten H25-H29 beschreibt die Laserbehandlung
von Stahlen.
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FR-A-2
393 075 beschreibt das Ausglühen mittels
eines Lasers eines Stücks
aus nicht eisenhaltigem Metall.
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CHEMICAL
ABSTRACTS, Vol. 126, Nr. 24, 16. Juni 1997 (1997-06-16) Columbus,
Ohio, US; Auszug Nr. 319898, VILLERMAUX, F. ET AL: "Corrosion kinetics
of laser treated NiTi shape memory alloy biomaterials" & MATER. RES. SOC. SYMP. PROC. (1997),
459 (MATERIALS FOR SMART SYSTEMS II), 477-482, 1997 beschreibt die
Laserbehandlung von legierten Werkstoffen mit Formerinnerung.
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WO-A-89
10421 beschreibt Wärmebehandlungen
von legierten Werkstoffen mit Formerinnerung.
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DARLEGUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, das Problem der lokalen Veränderung
(d.h. der Veränderung
in wenigstens einer vordefinierten Zone) der Mikrostruktur eines
Gegenstandes aus einem Werkstoff, der für einen Formerinnerungseffekt
geeignet ist, zu lösen.
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Unter "lokaler Veränderung
der Mikrostruktur" eines
solchen Gegenstandes versteht man:
- – die lokale
Kristallisation des Gegenstandes, wenn der Werkstoff amorph ist
- – oder
die lokale Rekristallisation des Gegenstandes, wenn der Werkstoff
federhart ist
- – oder
die lokale sekundäre
Kristallisation des Gegenstandes, wenn der Werkstoff bereits kristallisiert
ist (um beispielsweise lokal eine Veränderung der Umwandlungstemperatur
zu induzieren)
- – oder
die kontrollierte Bildung von Niederschlägen oder noch die Zerstrahlung
von Kristallfehlern, und zwar lokal, im Gegenstand (um die mechanischen
Eigenschaften dieses letzteren lokal zu verändern).
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Die
vorliegende Erfindung ist im Patentanspruch 1 genau definiert. Dieses
Laserstrahlenbündel
dient also dazu, diesen Gegenstand lokal auszuglühen, indem dieser letztere
auf eine Temperatur T gebracht wird, die viel höher liegt als die Temperatur Af des Werkstoffs mit Formerinnerung, aus
welchem der Gegenstand gemacht ist.
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Es
soll jedoch festgehalten werden, dass die Ausglühtemperatur und -zeitspanne
derart sind, dass keine Amorphisierung des Werkstoffs erhalten werden
kann.
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Es
soll ebenfalls festgehalten werden, dass der Werkstoff sogar vor
dem Durchführen
des Verfahrens, welches Gegenstand von der Erfindung ist, in einem
Ofen ausgeglüht
werden könnte.
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Gewiss
ist aus den Dokumenten
EP0360455A und
EP0310294A (Catheter
Research Inc.) das Bestrahlen mittels eines Laserstrahlenbündels von
einer Zone eines legierten Elements mit Formerinnerung bekannt.
Man verbreitet darin die Verwendung eines Lasers für die Abwandlung
und Veränderung
der Kristallstruktur, damit die martensitische Umwandlung nicht
mehr eintreten kann. Der Begriff des Veränderns ist insofern wichtig,
als im Fall dieser Dokumente der Laser verwendet wird, um ein Kristallgitter
zu "zerstören", und nicht um es "aufzubauen". Dies bedeutet,
dass das Element zuvor ausgeglüht
und dann lokal "amorphisiert" wird, um die Wanderung
von kontaminierenden Ionen, wie die Silberionen in der NiTi-Matrix
des Elements, zu verhindern. Es handelt sich also um ein Verfahren
mit einem Ziel, das demjenigen des Verfahrens, welches Gegenstand
von der vorliegenden Erfindung ist, entgegengesetzt ist. Das lokale
Ausglühen
durch Laser hat nämlich
zum Ziel, einen Werkstoff, der eine martensitische Umwandlung aufweist,
(insbesondere einen Werkstoff mit Formerinnerung), lokal zu kristallisieren
oder rekristallisieren, und ihn nicht zu amorphisieren. Die Amorphisierung
durch Erwärmung
kann erhalten werden, wenn die Temperaturerhöhung sehr gross ist, d.h. nahe
der Schmelztemperatur, und wenn die Abkühlung extrem schnell stattfindet.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Vorteile:
- • Dieses
Verfahren kann mit einer wenig kostspieligen Vorrichtung ausgeführt werden
und ermöglicht,
auf einfache Weise Ausglühungen
von Strukturen aus Werkstoffen mit Formerinnerung auszuführen, ohne
einen Ofen zu benutzen (wobei die Dauer der Behandlung gemäss der Erfindung
viel kürzer
ist als diejenige eines mittels eines Ofens ausgeführten Ausglühens). Ferner kann
ein solches Verfahren einfach in eine Fertigungskette eingebaut
werden.
- • Dieses
Verfahren ermöglicht,
auf sehr präzise Weise
in komplexen Strukturen vordefinierte kleine Zonen auszuglühen.
- • Dieses
Verfahren ist mit einer grossen Freiheit für die Konzeption der Strukturen,
auf welche man es anwenden will, vereinbar (während ein lokales Ausglühen mittels
eines elektrischen Stroms eine gut definierte und bemessene Strombahn
benötigen
würde).
- • Mit
diesem Verfahren wird die Temperaturerhöhung sehr schnell ausgeführt und
die Abkühlung hängt nur
von der Grösse
des auszuglühenden Gegenstandes
ab. Dies ermöglicht,
Ausglühqualitäten zu erhalten,
die schwer mit einem Ofen erhalten werden können. Zum Beispiel ist ein
Abschrecken am Ende des Ausglühens
mit der Erfindung nicht mehr nötig.
- • Dieses
Verfahren ist sehr gut für
die Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen ("micro-electro-mechanical
systems") oder MEMS
geeignet, es kann in ein Verfahren zur Fertigung von Mikrosystemen
eingefügt
werden, und es ermöglicht
eine schnelle Herstellung dieser letzteren.
- • Dieses
Verfahren ist das einzige, das ermöglicht, reversible Schalter
mit sehr kleinen Abmessungen auszuführen, ohne sie durch eine mechanische
Vorverformung, welche durch einen Bedienungsmann ausgeführt wird,
einer Spannung zu unterwerfen. Die Erfindung ermöglicht, diese Vorverformung
beim Ausglühen
einzuführen.
- • Die
Anwendungen der Erfindung sind zahlreich, und sie sind insbesondere
in den Mikrotechniken (MEMS) vorzufinden: beispielsweise ermöglicht sie
die Herstellung von monolithischen Mikroumschaltern für Lichtleitfasern,
Modulatoren, Greifern, aktiven Befestigungen, Translationsachsen und
Drehachsen.
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Gemäss einer
ersten besonderen Durchführungsform
des Verfahrens, das Gegenstand von der Erfindung ist, verwendet
man ferner diese Bestrahlung der Zone, um eine dauerhafte Verformung
dieser Zone hervorzurufen, was ermöglicht, den Gegenstand einer
Spannung zu unterwerfen. In diesem Fall dient der Laser also dazu,
den Gegenstand durch Ausglühen
vorzuverformen.
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Gemäss einer
zweiten besonderen Ausführungsform
wird der Gegenstand vor und während, oder
nach, der Bestrahlung der Zone durch Verformung des Gegenstandes
einer Spannung unterworfen. Im Gegensatz zum vorhergehenden Fall
führt man
also in diesem Fall eine anfängliche
mechanische Vorverformung des Gegenstandes aus.
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Der
nicht bestrahlte Abschnitt des Gegenstandes kann einteilig ausgebildet
sein, oder dieser nicht bestrahlte Abschnitt kann im Gegenteil wenigstens
zwei Zonen aufweisen, die durch die bestrahlte Zone getrennt sind.
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Gemäss einer
besonderen Ausführungsform der
Erfindung ist der Gegenstand ein dünnes Element, und man bestrahlt
mittels des Laserstrahlenbündels
Zonen dieses Elements, die auf dem Element verteilt sind, um dieses
letztere zu versteifen.
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In
der vorliegenden Erfindung kann man die von dem Laser auf den Werkstoff übertragene
Energie in Abhängigkeit
von der Position des Laserstrahlenbündels auf dem Gegenstand variieren
lassen.
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Dafür kann man
in Abhängigkeit
von dieser Position beispielsweise die Leistung des Lasers, die Dauer
des Laserimpulses, die Sequenz von aufeinanderfolgenden Impulsen
variieren lassen, oder man kann die Geschwindigkeit des Durchfahrens
der Zone durch das Laserstrahlenbündel variieren lassen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen,
die weiter unten allein zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkungen
gegeben sind, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
wird, in denen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung ist, die ermöglicht,
das Verfahren, welches der Gegenstand von der Erfindung ist, einzusetzen,
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2 eine
schematische Ansicht eines Gegenstandes ist, dessen nicht ausgeglühter Teil
nicht einteilig ausgebildet ist,
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3 eine
schematische Ansicht eines Gegenstandes ist, dessen nicht ausgeglühter Teil
einteilig ausgebildet ist,
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4 eine
schematische Ansicht eines Plättchens
ist, das durch ein Verfahren gemäss
der Erfindung versteift wird,
-
5 eine
schematische Ansicht von einer Stufe einer Translation entlang einer
Achse ist, deren Herstellung das Verfahren verwendet, welches der Gegenstand
von der Erfindung ist,
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6 eine
schematische Ansicht eines Greifers ist, dessen Herstellung das
Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung ist,
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7 eine
schematische Ansicht eines optischen Umschalters ist, dessen Herstellung
das Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung
ist,
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8 eine
schematische Ansicht eines Schalters ist, dessen Herstellung das
Verfahren verwendet, welches der Gegenstand von der Erfindung ist,
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9A eine
schematische Draufsicht eines weiteren Schalters ist, dessen Herstellung
ein Ausglühen
gemäss
dem Verfahren, welches der Gegenstand von der Erfindung ist, verwendet,
während
die 9B eine Profilansicht dieses weiteren Schalters nach
diesem Ausglühen
ist,
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10 eine
schematische Ansicht einer Translationsplatte ist, die Führungselemente
mit Gelenken umfasst und deren Herstellung das Verfahren verwendet,
welches der Gegenstand von der Erfindung ist, und
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die 11 bis 25 weitere
Anwendungen des Verfahrens, welches der Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist, schematisch illustrieren.
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AUSFÜHRLICHE
DARLEGUNG VON BESONDEREN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die ermöglicht,
ein Verfahren gemäss der
Erfindung einzusetzen.
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Gemäss diesem
Verfahren bestrahlt man durch ein Laserstrahlenbündel 4 eine oder mehrere Zonen,
wie die Zone A eines Gegenstandes 2 aus einem Werkstoff,
der eine martensitische Umwandlung aufweist, zum Beispiel aus einem
Werkstoff mit Formerinnerung. Dieses Strahlenbündel 4 kann die Zone
A auf eine für
die Kristallisation, die Rekristallisation, oder die sekundäre Kristallisation
dieser Zone, oder die kontrollierte Bildung von Niederschlägen oder
die Zerstrahlung von Kristallfehlern in dieser Zone ausreichende
Temperatur T bringen. Ferner, wie man dies bereits gesehen hat,
sind die Erwärmungstemperatur
und -zeitspanne derart, dass keine Amorphisierung des Werkstoffs
eintritt.
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Allein
zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkung soll erwähnt sein,
dass der den Gegenstand 2 bildende Werkstoff mit Formerinnerung
eine NiTi-Legierung ist, für
welche eine Temperatur T in der Grössenordnung von 500°C geeignet
ist.
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Es
können
jedoch weitere Werkstoffe mit Formerinnerung, wie CuZnAl oder NiTiCu,
in der Erfindung verwendet werden.
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In
dieser letzteren kann man ebenfalls diejenigen Werkstoffe verwenden,
die im Dokument [1], Kapitel 1, Seiten 3 bis 20, verfasst von C.M.
Wayman und betitelt mit: "Introduction
to martensite and shape memory",
beschrieben sind.
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Die
Vorrichtung der 1 umfasst einen Laser 6,
zum Beispiel eine derartige Laserdiode wie diejenigen, die durch
die Gesellschaft Siemens unter der Referenz S/N 150001B kommerzialisiert
werden und deren Wellenlänge
810,5 nm beträgt.
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Der
Gegenstand 2 ist auf einem Positioniersystem mit drei Freiheitsgraden
montiert, das durch die Achsen X, Y und Z, welche senkrecht zueinander stehen,
symbolisch dargestellt ist und ermöglicht, den Gegenstand 2 im
Laserstrahlenbündel 4,
welches durch die Diode 6 gelasert wird, zu plazieren.
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Dieses
Laserstrahlenbündel
wird nacheinander über
eine Kollimationslinse 8, einen halbtransparenten Spiegel 10,
eine Blende 12 und eine Linse 14 zur Fokussierung
des Strahlenbündels
auf dem Gegenstand auf die Zone A gelasert.
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Wie
man dies auf 1 erkennt, ist eine Kamera 16,
zum Beispiel eine CCD-Kamera, vorgesehen, um die bestrahlte Zone
A nacheinander über
die Linse 14, die Blende 12, den halbtransparenten
Spiegel 10 und ein optisches Element 18 zu beobachten.
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Diese
Kamera ermöglicht,
die Position des Gegenstandes im Laserstrahlenbündel 4 einzustellen.
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Die
Stromversorgung der Laserdiode umfasst einen Arbiträrsignalgeber
(nicht dargestellt), der ermöglicht,
Laserimpulse von bestimmter Leistung und Dauer zu erhalten.
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Das
Interesse, in einem gleichen Werkstoff mit Formerinnerung eine oder
mehrere Zonen im kristallinen Zustand und eine oder mehrere Zonen
im amorphen oder federharten Zustand zu haben, liegt darin, dass
man zwei oder mehrere verschiedene mechanische Verhaltensweisen
(zum Beispiel Formerinnerungseffekt, Superelastizität, verschiedene Umwandlungstemperaturen)
in diesem gleichen Werkstoff erhalten kann. Man kann somit einen Schalter
herstellen, dessen aktiver Teil die durch den Laser ausgeglühte Zone
ist, wobei die nicht ausgeglühten
Zonen eine weitere aktive Funktion (Bewegung bei unterschiedlicher
Temperatur) oder eine passive Funktion (zum Beispiel eine Führungs-
oder Spannfederfunktion) in diesem Schalter ausüben können.
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2 ist
eine schematische Ansicht eines nicht ausgeglühten, zum Beispiel amorphen,
dünnen Plättchens 20 aus
einem Werkstoff mit Formerinnerung.
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Eine
kreisförmige
Zone 22 dieses dünnen Plättchens
ist einem Ausglühen
durch ein Laserstrahlenbündel
gemäss
der Erfindung unterworfen worden.
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Man
erkennt auf 2 Zonen 24 und 26,
die diesem Ausglühen
nicht unterworfen worden sind. Die Zone 24 wird von der
Zone 22 umgeben, und die Zone 26 umgibt diese
Zone 22.
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Dank
der Form der ausgeglühten
Zone 22 werden diese Zonen 24 und 26 einer
Spannung unterworfen, wodurch ein reversibler Formerinnerungseffekt
und die Möglichkeit,
einen reversiblen Schalter zu erlangen, erhalten wird.
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Im
Beispiel der 2 ist die Zone, die nicht durch
den Laser ausgeglüht
wird, nicht einteilig ausgebildet: sie wird von den Zonen 24 und 26 gebildet, welche
durch die Zone 22 voneinander getrennt sind.
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Hingegen
erkennt man im Beispiel der 3 noch ein
nicht lokal ausgeglühtes,
zum Beispiel amorphes, dünnes
Plättchen 20 aus
einem Werkstoff mit Formerinnerung, bei dem eine merklich geradlinige
Zone 28 einem Ausglühen
durch Laser gemäss der
Erfindung unterworfen worden ist, wobei sich diese Zone 28 vom
Rand des Plättchens 20 zur
Mitte dieses letzteren hin erstreckt. Deshalb ist die Zone 30,
die nicht einem Ausglühen
durch Laser unterworfen wird, einteilig ausgebildet.
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Diese
Zone 30 wird auch einer Spannung unterworfen, was einen
reversiblen Formerinnerungseffekt erzeugt.
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Bei
der Ausführung
der Erfindung ist es möglich,
die Ausglühtemperatur
variieren zu lassen, indem man während
dem Ausglühen
die Leistung des Laserstrahlenbündels,
oder allgemeiner, die durch den Laser auf den Gegenstand übertragene
Energie (im Beispiel der 1 durch Veränderung der Intensität des Versorgungsstroms
der Diode 6) in Abhängigkeit
von der Position des Laserpunkts auf dem zu behandelnden Gegenstand
variieren lässt.
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Es
ist bekannt, dass sich die Umwandlungstemperaturen in Abhängigkeit
von den Parametern (Zeitspanne, Temperatur) des Ausglühens verändern.
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Die
auszuglühende
Zone kann zum Beispiel mit dem Ziel durchfahren werden, die charakteristischen
Temperaturen des Werkstoffs mit Formerinnerung, woraus der Gegenstand
besteht, d.h. die Parameter Ms, Mf, As und Af dieses Werkstoffs, variieren zu lassen.
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Darin
liegt das Interesse, die Martensit-Austenit-Umwandlungszone dieses
Werkstoffs auszubreiten.
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Es
soll festgehalten werden, dass der gemäss der Erfindung ausgeglühte Werkstoff
mit Formerinnerung in der ausgeglühten Zone superelastisch werden
kann. Das Verfahren, das der Gegenstand von der Erfindung ist, kann
also auch angewendet werden, wenn man einen Werkstoff mit Formerinnerung
lokal superelastisch werden lassen will.
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4 illustriert
schematisch eine weitere Anwendung der Erfindung für die Versteifung
eines dünnen
Plättchens 20 aus
einem Werkstoff mit Formerinnerung.
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Man
führt das
Ausglühen
durch Laser an Punkten 32 des Plättchens 20 aus, wobei
diese Punkte merklich gleichmässig
auf der Oberfläche dieses
Plättchens
verteilt sind.
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Es
werden also im Plättchen 20 rings
um die Einfallspunkte 32 des Lasers lokal Spannungen erzeugt.
Dies ermöglicht,
das Plättchen
zu versteifen, und zwar insbesondere bei Biegung.
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Die 5, 6, 7, 8 und 9A, 9B illustrieren
schematisch verschiedene Vorrichtungen, die sehr kleine Abmessungen
aufweisen können
und bei deren Herstellung ein Verfahren gemäss der Erfindung verwendet
wird.
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Allein
zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkung soll erwähnt sein,
dass diese Vorrichtungen mit Abmessungen, die weniger als 500 μm betragen,
und mit Dicken in der Grössenordnung
von 1 μm bis
200 μm ausgeführt werden
können,
so dass sie dann als Mikrovorrichtungen betrachtet werden können.
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Im
Fall jeder der 5 und 6 muss ein Bedienungsmann
die Vorrichtung derart verformen, dass diese letztere einer Spannung
unterworfen wird, nachdem ein Teil dieser Vorrichtung gemäss der Erfindung
ausgeglüht
worden ist.
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Im
Fall der 5 kann jedoch die durch einen
Bedienungsmann ausgeführte
Verformung auch vor (und während)
dem Ausglühen
stattfinden.
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In
diesem Fall befestigt man zuerst die Vorrichtung über ihre
Klötzchen
auf einem Träger;
der bewegliche Mittelteil wird durch den Bedienungsmann verlagert
und dann unter Spannung gehalten, und das Ausglühen der wegen dieser Spannung
zusammengedrückten
Federn wird ausgeführt.
Dann kehrt die Vorrichtung in eine Gleichgewichtsposition zurück.
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Im
Fall einer Verformung, die nach dem Ausglühen ausgeführt wird (Fall des weiter unten
betrachteten Beispiels), ist die Vorrichtung frei, ein Teil (auf 5 die
beiden linken Federn) wird ausgeglüht; dann wird die Vorrichtung
einer Spannung unterworfen und fixiert.
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Im
Fall von jeder der Vorrichtungen der 7, 8 und 9A, 9B kann
man im Gegenteil die durch das Ausglühen induzierte dauerhafte Verformung
der Zone nutzen, welche diesem Ausglühen unterworfen wird: dieses
letztere ermöglicht also,
dass die Vorrichtung einer Spannung unterworfen wird.
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Es
soll präzisiert
werden, dass beim Ausglühen
durch Laser immer eine Verformung des Gegenstandes eintritt. Diese
Verformung ist in Bezug auf eine Verformung, die ein Bedienungsmann
induzieren kann, klein.
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Man
nutzt also diese Verformung a priori in den Vorrichtungen, die sie
verstärken
(Fall der Beispiele der 7 und 9A, 9B)
oder im Fall von sehr kleinen Bewegungen (Beispiel der 8).
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Diese
Verformung kann in Abhängigkeit
von den Parametern des Laserimpulses eine dauerhafte Zusammenziehung
oder Ausdehnung sein.
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Ferner
handelt es sich im Fall von jeder der 5 bis 8 um
eine ebene monolithische Vorrichtung, wovon ein Teil einer reversiblen
Bewegung in der Ebene der Vorrichtung unterworfen werden kann.
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Die
Vorrichtung der 9A und 9B ist im
Gegenteil eine monolithische Vorrichtung, die einen ersten ebenen
Teil und einen zweiten Teil umfasst, der einer reversiblen Bewegung über die
Ebene des ersten Teils hinaus unterworfen werden kann.
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Ferner
ist im Fall von jeder der Vorrichtungen der 7 und 9A, 9B das
zur Vorspannung dieser Vorrichtung dienende Element ebenfalls das aktive
Element der Vorrichtung, während
im Fall der Vorrichtung der 8 das zur
Vorspannung der Vorrichtung dienende Element verschieden vom aktiven Element
dieser Vorrichtung ist.
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Die
Vorrichtung der 5 ist eine Stufe von einer Translation
entlang einer Achse X.
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Diese
Vorrichtung wird ausgehend von einem dünnen Plättchen aus einer Legierung
mit Formerinnerung durch Laser ausgeschnitten.
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Man
erkennt, dass diese Vorrichtung einen beweglichen Mittelteil 34,
zwei Federn 36, die auf einer Seite an diesem letzteren
und auf der anderen Seite an zwei Klötzchen 38 befestigt
sind, sowie zwei weitere Federn 40, die auf einer Seite
am beweglichen Teil und auf der anderen Seite an zwei weiteren Klötzchen 42 befestigt
sind, umfasst.
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Die
beiden Federn 36, die auf der linken Seite der Figur liegen,
werden gemäss
der Erfindung durch ein Laserstrahlenbündel bis auf ihre Ausglühtemperatur
erwärmt.
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Die
beiden Federn 40, die auf der rechten Seite der Figur liegen,
bleiben merklich bei der Umgebungstemperatur (etwa 20°C).
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Nach
Abkühlung
der Gesamtheit der Vorrichtung bis auf die Umgebungstemperatur werden
die vier Federn gemäss
der Achse X (Translationsachse) vorgespannt, und die Vorrichtung
wird über
die vier Klötzchen
auf einem ebenen Substrat 44 befestigt.
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Das
Arbeitsprinzip dieser Vorrichtung ist folgendes: die Federn 36 werden
auf eine Temperatur erwärmt,
die über
der Umwandlungstemperatur As liegt, die
für eine
NiTi- oder NiTiCu-Legierung in der Grössenordnung von 60°C ist.
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Die
Erwärmung
kann beispielsweise durch einen elektrischen Strom ausgeführt werden,
den man in diesen beiden Federn fliessen lässt.
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Diese
letzteren werden einer Austenit-Umwandlung unterworfen, nehmen somit
wieder ihre anfängliche
Form an und ziehen den beweglichen Teil nach links. Bei der Abkühlung kehren
diese beiden Federn 36 in ihren martensitischen Zustand
zurück, und
der bewegliche Teil wird wegen der Elastizität der Federn 40, die
nicht ausgeglüht
worden sind und die Spannungsfedern für die Vorrichtung bilden, nach rechts
gezogen.
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Weiter
oben ist bereits eine weitere mögliche Arbeitsweise
(Verformung vor – und
während – dem Ausglühen) erklärt worden.
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Die
Vorrichtung, wovon 6 eine schematische Draufsicht
ist, ist ein Mikrogreifer, der ausgehend von einem dünnen Plättchen aus
einem Werkstoff mit Formerinnerung durch einen Laser ausgeschnitten
wird.
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Diese
Vorrichtung umfasst einen festen Teil 46, der zwei Befestigungszonen 48 aufweist,
und einen Betätigungsteil 50,
der dazu bestimmt ist, eine Spannfeder zu bilden.
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Ein
Endabschnitt dieses Betätigungsteils
ist über
einen halbkreisförmigen
Teil 52 mit dem festen Teil 46 verbunden, welcher
halbkreisförmige
Teil dazu bestimmt ist, gemäss
der Erfindung durch Laser ausgeglüht zu werden.
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Der
andere Endabschnitt 54 des Betätigungsteils und die Zone 56 des
festen Teils, die gegenüber
diesem anderen Endabschnitt 54 liegt, bilden die Klemmbacken
der Vorrichtung.
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Für das lokale
Ausglühen
der Zone 52 wird ein Laserstrahlenbündel auf diese letztere gelasert.
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Nach
Rückkehr
zur Umgebungstemperatur wird dann der Arm des Greifers (d.h. der
Teil 50 dieses letzteren) ausserhalb seines elastischen
Bereichs verformt, um die offene Position dieses Greifers zu definieren.
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Diese
Vorrichtung bleibt dann offen und hat eine gewisse Elastizität.
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Wenn
man einen Gegenstand mit dem Greifer fassen will, erwärmt man
die Gesamtheit dieses letzteren zum Beispiel mittels eines Pettier-Elements. Der
Greifer geht wegen der Kraft, die durch die Phasenumwandlung im
ausgeglühten
Teil erzeugt wird, zu.
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Bei
der Abkühlung,
wenn der Betätigungsteil in
den martensitischen Zustand zurückgekehrt
ist, kann die Spannfeder den Arm in seine offene Position ziehen.
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Die
Vorrichtung der 7 ist ein optischer Umschalter,
der zum Beispiel durch Laser ausgehend von einem dünnen Plättchen aus
einem amorphen Werkstoff mit Formerinnerung ausgeschnitten wird.
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Sie
umfasst einen Arm 58, der dazu bestimmt ist, sich zu verlagern,
damit einer seiner beiden Endabschnitte ein von einer optischen
Faser 60 abstammendes Lichtbündel unterbrechen oder im Gegenteil
passieren lassen kann.
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Im
anderen Endabschnitt dieses Arms befindet sich ein virtueller Momentdrehpunkt 62.
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Man
erkennt auch einen festen Teil 64 der Vorrichtung, der
C-förmig
ist und über
ein Element 66, das eine Feder bildet, mit einer Seite
des Endabsschnitts des Arms 58, wo sich der virtuelle Momentendrehpunkt
befindet, und über
ein anderes Element 68, das dazu bestimmt ist, gemäss der Erfindung durch
Laser ausgeglüht
zu werden, mit der anderen Seite dieses Endabschnitts verbunden
ist.
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Man
erkennt auch zwei merklich geradlinige Führungselemente 70,
die auch den festen Teil 64 mit diesem Endabschnitt des
Arms, wo sich der virtuelle Momentendrehpunkt befindet, derart verbinden,
dass sich die virtuellen Verlängerungen
dieser beiden Elemente 70 in diesem virtuellen Momentendrehpunkt schneiden.
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Es
soll präzisiert
werden, dass sich das eine Feder bildende Element 66 und
das Element 68, welches dazu bestimmt ist, durch Laser
ausgeglüht
zu werden, beiderseits einer Linie L befinden, die durch den virtuellen
Momentendrehpunkt führt
und merklich senkrecht zum Arm 58 ist.
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Nehmen
wir an, dass sich das Element 68 im Laufe seines Ausglühens verlängert hat.
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Die
Austenit-Form dieses Elements 68 ist dann eine längliche
Form.
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Bei
Umgebungstemperatur, bei der das Element 68 in seinem martensitischen
Zustand ist, tendiert die Feder 66 dazu, das Element 68 zu
komprimieren. Der Arm 58 nimmt (ungefähr) wieder seine anfängliche
Position an.
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Beim
Erwärmen
des Elements 68 geht dieses Element 68 in die
Austenit-Phase über, verlängert sich
und lässt
den Arm 58 im Gegenuhrzeigersinn (im Beispiel der 7 nach
oben) drehen.
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Die
Form der Elemente 66 und 68 kann gemäss den gewünschten
Merkmalen angepasst werden.
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Es
soll präzisiert
werden, dass die beiden Elemente 70 fakultative Führungsmittel
sind.
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Die
Vorrichtung der 8 wird ausgehend von einem dünnen Plättchen aus
einem amorphen Werkstoff mit Formerinnerung gebildet.
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Es
handelt sich um einen Schalter, der einen festen Teil 72 umfasst,
der merklich die Form eines rechteckigen Rahmens hat, wovon zwei
Seiten 74 nicht durch Laser ausgeglüht werden, während die beiden
anderen Seiten 76 gemäss
der Erfindung durch Laser ausgeglüht werden.
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Ferner
umfasst diese Vorrichtung einen beweglichen Teil 78, der
sich zwischen den beiden Seiten 76 befindet, und dieser
bewegliche Teil ist über ein
Element 80, das ebenfalls gemäss der Erfindung durch Laser
ausgeglüht
wird, bzw. über
ein anderes, nicht ausgeglühtes
Element 82, das eine Spannfeder bildet, mit den beiden
nicht ausgeglühten
Seiten 74 verbunden.
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Der
bewegliche Teil ist dazu bestimmt, sich merklich parallel zu den
beiden ausgeglühten
Seiten 76 translatorisch zu verlagern.
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Beim
Ausglühen
des Elements 80 dehnt sich dieses letztere sehr gering
aus.
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Beim
Ausglühen
der beiden Seiten 76 (durch ein Laserstrahlenbündel, um
diese Seiten unter den gleichen Bedingungen auszuglühen) dehnen
sich diese beiden Seiten mehr als das Element 80 aus und
unterwerfen die Vorrichtung einer Zugspannung.
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Wenn
man dieses Element 80 erwärmt (natürlich ohne dieses letztere
erneut auszuglühen), zieht
es sich zusammen und zieht den beweglichen Teil 78.
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Wenn
die Vorrichtung wieder die Umgebungstemperatur annimmt, zieht das
eine Feder bildende Element 82 den beweglichen Teil 78.
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Die
Vorrichtung, welche auf 9A in
Draufsicht dargestellt ist, wird ausgehend von einem dünnen Plättchen aus
einem amorphen Werkstoff mit Formerinnerung ausgeschnitten.
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Diese
Vorrichtung umfasst einen Arm 84, wovon ein Endabschnitt
durch zwei Stäbe 86 verlängert ist,
die an zwei Klötzchen 88 befestigt
sind.
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Ein
Stab 90 befindet sich zwischen diesen beiden Stäben 86,
und einer seiner Endabschnitte ist ebenfalls an diesem Endabschnitt
des Arms 84 befestigt.
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Der
andere Endabschnitt des Stabes 90 ist an einem Klötzchen 92 befestigt.
Die so erhaltene Vorrichtung ist über die Klötzchen 88 und 92 auf
einem ebenen Träger
(nicht dargestellt) befestigt.
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Der
mittlere Stab 90 wird dann gemäss der Erfindung durch Laser
ausgeglüht.
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Die
Verformung, die gemäss
den Parametern des Laserimpulses eine Zusammenziehung oder eine
Ausdehnung sein kann, wie man dies weiter oben gesehen hat, und
die beim Ausglühen
induziert wird, ruft eine Verlagerung des Arms 84 aus der
Ebene des Trägers
hinaus hervor, wie dies 9B zeigt, die
eine schematische Profilansicht der Vorrichtung nach dem Laserausglühen ist.
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Man
erkennt auf dieser 9B, dass die Vorrichtung auf
ihrem Träger 94 derart
befestigt ist, dass sich der Arm 84 ausserhalb dieses Trägers befindet.
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Im
Beispiel der 9B hat man angenommen, dass
sich der durch Laser ausgeglühte
Arm verlängert
hat.
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Die
nicht ausgeglühten
Stäbe 86 bilden Spannfedern,
die während
dem Ausglühen
einer Spannung unterworfen worden sind.
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Wenn
man die Gesamtheit der Vorrichtung oder nur den ausgeglühten Stab
erwärmt
(zum Beispiel durch ein Pettier-Element oder durch Joulesche Wärme oder
noch durch ein Laserstrahlenbündel
mit sehr geringer Leistung), um die martensitische Umformung des
ausgeglühten
Stabes 90 zu erhalten, verformt sich dieser letztere, was
die Gesamtheit des Arms 84 bewegen lässt.
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Die
Vorrichtung der 9A und 9B kann
als optischer Umschalter oder allgemeiner als Schalter verwendet
werden.
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Indem
man zwei oder drei Vorrichtungen dieser Art kombiniert, kann man
sogar einen Greifer bilden, wobei die zwei oder drei beweglichen
Arme dieses letzteren dann dazu dienen, einen Gegenstand zu fassen.
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Die
vorliegende Erfindung hat weitere Anwendungen:
Der gemäss der Erfindung
behandelte Gegenstand kann eine monolithische Struktur sein, die
besondere Zonen, zum Beispiel Gelenke, umfasst, und man bestrahlt
dann durch das Laserstrahlenbündel
die besonderen Zonen, um diese Zonen superelastisch werden zu lassen.
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In
einem anderen Beispiel ist der Gegenstand ein Einblocksystem, das
man durch Bestrahlung mittels eines Laserstrahlenbündels von
verschiedenen Zonen dieses Systems multifunktional werden lässt, indem
man auf diese Zonen mittels des Lasers verschiedene Energien überträgt, wobei
die Zonen beispielsweise dazu bestimmt sind, verschiedene Schalter
zu bilden, die bei verschiedenen Temperaturen arbeiten.
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Noch
in einem weiteren Beispiel ist der Gegenstand eine monolithische
Struktur, die Zonen umfasst, die man durch das Laserstrahlenbündel bei verschiedenen
Energien bestrahlt, damit in gewissen dieser Zonen ein Formerinnerungseffekt
erhalten wird, um beispielsweise ausgehend von diesen letzteren
Schalter zu bilden, und damit die anderen Zonen superelastisch werden,
um beispielsweise mit diesen anderen Zonen Führungsgelenke zu bilden.
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Dies
wird schematisch durch 10 illustriert.
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Das
auf dieser 10 dargestellte Einblocksystem
aus einem Werkstoff mit Formerinnerung umfasst eine Translationsvorrichtung 96,
die man mit der Vorrichtung der 5 vergleichen
kann und die eine bewegliche Platte 98 umfasst, die über zwei
Federn 102 mit zwei Befestigungsklötzchen 100 verbunden
ist.
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Die
Klötzchen
sind dazu bestimmt, auf einem Träger
(nicht dargestellt) befestigt zu werden.
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Das
System umfasst ferner eine weitere Vorrichtung 104, die
dazu bestimmt ist, über
ihre beiden Endabschnitte 106 auf dem Träger befestigt
zu werden.
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Diese
weitere Vorrichtung 104 umfasst einen beweglichen Stabilisierstab 108 und
Elemente 110, die dazu bestimmt sind, Gelenke zu bilden.
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Wie
man dies auf 10 erkennt, ist der Stab 108 über gewisse
der Elemente 110 mit den festen Endabschnitten 106 und über die
anderen Elemente 110 mit der beweglichen Platte 98 verbunden.
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Man
glüht durch
ein Laserstrahlenbündel
gemäss
der Erfindung die Elemente 110 aus, damit sie superelastische
flexible Elemente bilden.
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Man
glüht auch
durch ein Laserstrahlenbündel
gemäss
der Erfindung eine der beiden Federn 102, zum Beispiel
diejenige, die links liegt, aus, damit sie einen Formerinnerungseffekt
aufweist.
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Die
andere Feder, die nicht durch das Laserstrahlenbündel ausgeglüht wird,
bildet eine Spannfeder.
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Allein
zur Kenntnisnahme und nicht als Beschränkung soll erwähnt sein,
dass Werkstoffe mit Formerinnerung, die in der Erfindung verwendbar sind,
die folgenden sind:
AgCd, AuCd, CuZn, CuZnX (wobei X=Si, Sn,
Al oder Ga ist), CuAlNi, CuSn, CuAuZn, NiAl, TiNi, TiNiX (wobei
X=HF, Cu, Nb, Pd, Co ist), TiPdNi, InTl, InCd und MnCd.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch Gegenstände aus Werkstoffen mit "magnetischer" Formerinnerung.
Es sind Werkstoffe, deren martensitische Umwandlung durch ein Magnetfeld
induziert werden kann. Dies trifft zum Beispiel für die Ni2MnGa-Legierungen zu. In Bezug auf solche
Werkstoffe soll beispielsweise in folgendes Dokument Einsicht genommen
werden:
R.D. James, M. Wuttig, "Magnetostriction of Martensite", Philosophical Magazine
A, 1998, Vol. 77, Nr. 5, Seiten 1273 bis 1299.
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Die
Erfindung kann für
irgendwelchen Typ der Formgebung von Werkstoffen verwendet werden. Somit
betrifft sie insbesondere Drähte,
Plättchen, Röhren, Federn,
Rechteckstangen aus Legierungen mit Formerinnerung.
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Die 11 bis 25 illustrieren
schematisch verschiedene besondere Anwendungen der Erfindung.
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11 ist
eine schematische, teilweise und geschnittene Draufsicht eines Armbands,
zum Beispiel eines Ohrenarmbands, das in Serie angeordnete Glieder,
wie die Glieder 112, 113 und 114, umfasst. Dieses
Ohrenarmband umfasst ferner Befestigungen ("Klips"), wie die Befestigungen 115 und 116,
wobei jede Befestigung dazu bestimmt ist, zwei benachbarte Glieder
miteinander zu verbinden. Zum Beispiel ist die Befestigung 115 dazu
bestimmt, die Glieder 112 und 113 miteinander
zu verbinden, und die Befestigung 116 ist dazu bestimmt,
die Glieder 113 und 114 miteinander zu verbinden.
Jede Befestigung, die sich in einem der Glieder befindet, besteht
aus einem Werkstoff mit Formerinnerung und umfasst im dargestellten
Beispiel einen kreisförmigen
peripheren Teil 117a, der mit zwei diametral entgegengesetzten
Zapfen 117b ausgerüstet
ist, die dazu bestimmt sind, die beiden entsprechenden Glieder miteinander
zu verbinden, und eine gewellte mittlere Zone 117c, die sich
merklich gemäss
dem den Zapfen entsprechenden Durchmesser erstreckt. Der periphere
Teil 117a ist mit zwei diametral entgegengesetzten Verlängerungen 117d versehen,
die senkrecht zu den Zapfen 117b angeordnet sind. Wie man
dies auf 11 erkennt, sind diese Verlängerungen
mit länglichen
Löchern
versehen, welche von zwei Stiften 117e durchquert werden,
die ermöglichen,
die betrachtete Befestigung mit einem der beiden entsprechenden
Glieder zu verbinden und auch die Führung der Befestigung sicherzustellen.
Jede mittlere Zone wird gemäss
der Erfindung ausgeglüht.
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Die
Konzeption dieses Armbands ermöglicht,
ein oder mehrere Glieder auf einfache Weise zu entfernen oder hinzuzufügen. Um
ein Glied zu entfernen, genügt
es, zwei benachbarte Befestigungen herauszunehmen, was ermöglicht,
das entsprechende Glied zu entfernen; mittels einer der beiden Befestigungen
stellt man dann die Kontinuität
des Armbands wieder her. Um ein Glied hinzuzufügen, nimmt man eine Befestigung,
die einem bereits vorhandenen Glied zugeordnet ist, heraus, man
fügt das
zusätzliche
Glied hinzu, man ordnet die Befestigung wieder an, um das zusätzliche
Glied mit dem bereits vorhandenen Glied zu verbinden, und man stellt
mittels einer zusätzlichen
Befestigung die Kontinuität
des Armbands wieder her.
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Um
eine Befestigung hinzuzufügen
oder herauszunehmen, erwärmt
man sie, oder man erwärmt lokal
das entsprechende Glied. Die ausgeglühte Zone 117c der Befestigung
dient dann als Betätigungsorgan,
um die von der nicht ausgeglühten
Zone gebildete elastische Struktur, d.h. den Rest 117a, 117b, 117d der
Befestigung, zu verformen. Durch Verformung kann diese elastische
Struktur in ein Glied eingefügt
werden (siehe Befestigung 116 der 11) oder
aus diesem letzteren herausgenommen werden.
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12 ist
ein lokal ausgeglühtes
Halterungsbeispiel aus einem Werkstoff mit Formerinnerung, das durch
Biegen eines Blechs mit gleichmässiger
Dicke erhalten wird. Das lokale Ausglühen durch ein Verfahren gemäss der Erfindung
kann verwendet werden, um nur den die Feder bildenden Teil aktiv
oder superelastisch werden zu lassen. Somit sind auf 12 die
nicht ausgeglühten
Zonen starrer als die ausgeglühte
Zone, was ermöglicht,
ein gutes Klemmen sicherzustellen. Diese Halterung kann zum Beispiel
verwendet werden, um einen Stapel von kleinen Elementen 123,
wie zum Beispiel piezoresistiven Keramiken, zu fixieren.
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Auf
dieser 12 wird der Stapel mit dem Bezugszeichen 124 bezeichnet,
die Halterung wird mit dem Bezugszeichen 126 bezeichnet,
die nicht ausgeglühten
Zonen dieser Halterung werden mit dem Bezugszeichen 127 bezeichnet,
und die ausgeglühte
Zone wird mit dem Bezugszeichen 128 bezeichnet. Die Immobilisierung
des Stapels durch die Halterung wird thermisch induziert.
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Ferner
können
im Fall eines Werkstoffs mit Formerinnerung auch die Superelastizitätseigenschaften
genutzt werden, um eine Kraft zu haben, die sozusagen unabhängig von
den Toleranzen der Stapelelemente ist.
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13 stellt
eine Rastfeder dar, die häufig
in der Uhrmacherei verwendet wird. Die Elastizität ist durch die Zone gegeben,
die durch ein Verfahren gemäss
der Erfindung lokal ausgeglüht
wird. Dank den Superelastizitätseigenschaften
(Sättigungseffekt
der Kraft) kann man eine Rastfeder mit einer Halterungskraft haben,
die wenig von den Toleranzen des festzuhaltenden Gegenstands abhängt.
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Auf
dieser 13 stellt das Bezugszeichen 130 ein
Stück,
wie zum Beispiel eine Ohrenkrone, dar, welches sich gemäss dem Pfeil 132 translatorisch
verlagern kann, die Rastfeder aus einem Werkstoff mit Formerinnerung
ist mit dem Bezugszeichen 134 bezeichnet, die ausgeglühte Zone
dieser Feder (mittlere Zone) ist mit dem Bezugszeichen 136 bezeichnet,
die nicht ausgeglühten
Zonen dieser Feder (Endabschnittzonen) sind mit dem Bezugszeichen 138 bezeichnet.
Im Fall der 13 wird die Superelastizität der Zone 136 thermisch
induziert. Auf 13 soll auch der Träger 139 beachtet
werden, an welchem eine der beiden Zonen 138 befestigt
ist, wobei die andere Zone 138 dazu bestimmt ist, sich
auf der Krone 130 abzustützen.
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14 zeigt
die Kurve der Variationen der Kraft F, die durch die Feder 134 in
Abhängigkeit
von der Verlagerung δ dieser
Feder auf die Krone 130 ausgeübt wird. Diese Kurve drückt das
mechanische Verhalten der ausgeglühten Zone 136 aus.
Man erkennt, dass F über
einen breiten Bereich Δ von
Verlagerungen δ wenig
variiert.
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15 stellt
einen Draht 140 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung
dar, bei dem nur ein Endabschnittteil 142 durch ein Verfahren
gemäss
der Erfindung ausgeglüht
wird. Dieser Draht kann als Führungsdraht
in der mini-invasiven Chirurgie verwendet werden, um einen Katheter
zu führen.
Einzig der Endabschnitt ist superelastisch, was ermöglicht, den
Kurven der Arterien und Venen des menschlichen Körpers zu folgen, ohne die Gewebe
zu beschädigen.
Was den starren Teil 144 betrifft, so ermöglicht er,
eine gute Torsionssteifigkeit sicherzustellen, womit dann der "Peitschenschlag"-Effekt vermieden
wird.
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Die
Superelastizität
des Teils 142 wird mechanisch induziert.
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Anfänglich befindet
sich der Draht 140 in einem Katheter 146. Man
stösst
dann den Endabschnitt 142 aus diesem Katheter hinaus (auf 15 nach
rechts), und dieser Endabschnitt krümmt sich wegen seiner Superelastizität.
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16 stellt
ein Biopsiezangenbeispiel 148 dar, das in der mini-invasiven
Chirugie verwendet werden kann, um dem menschlichen Körper Gewebeproben
zu entnehmen. Diese Zange aus einem Werkstoff mit Formerinnerung
bildet ein Lasso, bei dem einzig die Schlaufe 150 durch
ein Verfahren gemäss
der Erfindung ausgeglüht
wird. Diese Schlaufe 150 kann zum Beispiel durch eine Schweissung 152 geschlossen
werden. Der starrere, nicht ausgeglühte Teil 154 ermöglicht,
eine gute Torsions- und Biegesteifigkeit zu haben.
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Die
Superelastizität
der Schlaufe 150 wird mechanisch induziert: anfänglich befindet
sich die Zange in einem Katheter 156. Man stösst dann
den der Schlaufe entsprechenden Endabschnitt aus diesem Katheter
hinaus (auf 16 nach rechts), und dieser
Endabschnitt nimmt wegen seiner Superelastizität diese Schlaufenform an.
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17 stellt
ein Endokalibrierer- oder Stentbeispiel 158 aus einem Werkstoff
mit Formerinnerung dar. Das lokale Ausglühen durch ein Verfahren gemäss der Erfindung
ermöglicht
im Fall der Endokalibrierer oder Stents, unabhängig vom Maschenwerktyp mehr
oder weniger starre Zonen zu bilden. Somit weisen die nicht ausgeglühten Zonen
am Ausgang des Katheters nicht die gleiche Ausdehnung wie die ausgeglühten Zonen
auf. Ein kegelförmiger
Stent kann zum Beispiel ausgeführt
werden, indem ein progressives Ausglühen auf dem Maschenwerk des Stents
ausgeführt
wird. Auf 17 ist der Endabschnitt 160 des
Stents nicht ausgeglüht.
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Der
Rest des Stents wird progressiv ausgeglüht, d.h. dass man bis zum anderen
Endabschnitt 162 die Ausglühtemperatur variieren lässt, um
eine variable Anfangsspannung der superelastischen Umwandlung zu
erhalten. Im Fall der 17 wird die Superelastizität mechanisch
induziert: anfänglich
befindet sich der Stent 158 in einem Katheter (nicht dargestellt).
Man stösst
dann den Stent aus dem Katheter hinaus, und dieser Stent nimmt seine
Kegelform an, wie man dies auf 17 erkennt.
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Die 18 bis 21 zeigen
weitere Beispiele von Stents aus einem Werkstoff mit Formerinnerung,
die dem gleichen Prinzip wie derjenige der 17 gehorchen.
Im Fall der 18 handelt es sich um einen
Stent 164, der eine längliche
Form mit zwei Durchmessern annehmen kann. Weitere Hüllegeometrien
sind für
ein Stent möglich:
im Fall der 19 nimmt der Stent 166 eine
Form mit zwei Endabschnitten an, deren Durchmesser grösser als
derjenige des Rests des Stents ist. Im Fall der 20 nimmt
der Stent 168 eine konisch erweiterte Form an. Im Fall
der 21 nimmt der Stent 170 eine in seiner Mitte
ausgebauchte Form an.
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22 ist
eine schematische Ansicht eines Dämpfersystems aus einem Werkstoff
mit Formerinnerung und umfasst zwei Teile 172 und 174,
die durch zwei Elemente 176 und 178, die gewellt
und merklich parallel zueinander sind, miteinander verbunden sind.
Das Element 176 ist nicht ausgeglüht, während das Element 178 durch
ein Verfahren gemäss
der Erfindung ausgeglüht
wird. Man weiss, dass die Legierungen mit Formerinnerung die Eigenschaft
aufweisen, im martensitischen Zustand einen sehr hohen Dämpfungsgrad
zu haben (was auf die inneren Reibungen im Material zurückzuführen ist). Mit
dem lokalen Ausglühen
kann man eine Feder mit integriertem Dämpfer ausführen. Somit verhält sich das
nicht ausgeglühte
Element 176 wie eine normale Feder, während das ausgeglühte Element 178 fähig ist,
die Dämpfungsfunktion
zu übernehmen.
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23 ist
eine schematische Ansicht eines auseinandergebreiteten monolithischen
Armbands 180 aus einem Werkstoff mit Formerinnerung. Einzig die
Endabschnitte 182 und 184 des Armbands sind nicht
ausgeglüht,
da sie am Gehäuse
der Uhr (nicht dargestellt) befestigt werden müssen. Der mittlere Teil 186 des
Armbands, und zwar der Teil, welcher zwischen den Teilen 182 und 184 liegt,
wird also durch ein Verfahren gemäss der Erfindung ausgeglüht, und
sein Ausglühen
kann gemäss
der gewünschten
Steifigkeit progressiv sein. Verschiedene dekorative Elemente (nicht
dargestellt), zum Beispiel Keramikplatten, können der so erhaltenen Struktur beigefügt werden.
Ein solches Armband kann nach Mass hergestellt werden.
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24 ist
eine schematische und teilweise Ansicht eines Stents 188 aus
einem Werkstoff mit Formerinnerung. Ausser einer begrenzten Anzahl
N von Maschen mit 1 ≤ N ≤ 10 (auf 24 die
mit dem Bezugszeichen 190 bezeichnete Zone) wird die Gesamtheit
des Maschenwerks des Stents durch ein Verfahren gemäss der Erfindung
ausgeglüht.
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25 illustriert
schematisch eine Anwendung des Stents der 24. Dieser
Stent 188 wird in einer Arterie 192 angeordnet.
Man erkennt eine weitere Arterie 194, die mit der Arterie 192 in
Verbindung steht aber durch das Maschenwerk des Stents 188 blockiert
ist. Um diesen Nachteil zu beheben, werden die nicht ausgeglühten Maschen
mit Hilfe eines chirurgischen Ballons 196, der durch die
Arterie 194 hindurch mit diesen Maschen in Kontakt gebracht
wird und von der gleichen Art ist wie diejenigen, die für das Ausbreiten
von Stents aus Stahl verwendet werden, plastisch verformt. Diese
so verformten Maschen ermöglichen
die Wiederherstellung der Blutzirkulation in der Arterie 194.
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Dank
eines Führungsdrahtes,
der zuvor in die Arterie 192 eingeführt worden ist und in die Arterie 194 abzweigt,
kann der Ballon auch über
die Arterie 192 eingeführt
werden, wobei er durch den Stent selbst führt und dann in Höhe der Arterie 194 abzweigt.