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DE10142998A1 - Shape memory composite for actuator includes two shape memory alloys with phase transitions occurring in nested temperature hysteresis bands - Google Patents

Shape memory composite for actuator includes two shape memory alloys with phase transitions occurring in nested temperature hysteresis bands

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DE10142998A1
DE10142998A1 DE10142998A DE10142998A DE10142998A1 DE 10142998 A1 DE10142998 A1 DE 10142998A1 DE 10142998 A DE10142998 A DE 10142998A DE 10142998 A DE10142998 A DE 10142998A DE 10142998 A1 DE10142998 A1 DE 10142998A1
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shape memory
alloy
memory alloy
alloys
substrate
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Bernhard Winzek
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Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
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Abstract

Shape memory composite includes a second shape memory alloy (F2), bonded to a first shape memory alloy (F1). Phase transition of alloy (F2) occurs into austenitic phase (A) on heating and into the martensitic phase (M) on cooling. These transitions occur in a hysteresis loop with a temperature hysteresis band (B2). The hysteresis band (B1) of the alloy (F1) falls within band (B2) of alloy (F2). The shape memory composite includes at least one second shape memory alloy (F2), bonded directly or indirectly to the first shape memory alloy (F1). It exists in a martensitic phase (M) and/or in an austenitic phase (A) in accordance with the temperature (T). Phase transition of the second shape memory alloy (F2) occurs into the austenitic phase (A) on heating and into the martensitic phase (M) on cooling. These transitions occur in a hysteresis loop with a temperature hysteresis band (B2). The hysteresis band (B1) of the first shape memory alloy falls within band (B2) of the second shape memory alloy (F2). An Independent claim is included for the method of changing the shape of the composite, by heating or cooling.

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, which depends on the temperature in one Martensite phase and / or in an austenite phase, wherein the Phase transition of the shape memory alloy when heated in the Austenite phase or during a cooling in the martensite phase in one Hysteresis loop takes place, which with respect to the temperature of a certain Has hysteresis width. The invention further relates to a method for changing the shape of such a shape memory composite and preferred Uses as an actuator or as a drive for locomotion of mechanical / electronic systems, in particular 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 one Low temperature phase (martensite) can be deformed into a first shape and that after warming and deformation in one High-temperature phase (austenite) and subsequent cooling in the low-temperature phase reminisce about this design and 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 undergo a martensitic transformation and change their crystal structure. Change with the change of the structure at the transition from the low temperature phase martensite to Austenitic high-temperature phase also the elastic properties of the material. If a mechanical bias voltage is applied, so can in this Transition depending on the boundary condition exerted large stresses Δσ or large Traversing changes in shape Δε.

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 10 019 183 verwiesen, auf deren Inhalt Bezug genommen wird. Shape memory composites, in which a shape memory layer on a Substrate is deposited, this way actuator movements especially in small microsystems. The necessary bias voltage is by the tension between the shape memory layer and the substrate ensures that arises when the shape memory layer at high Temperatures crystallized and then cooled. This is incidentally on the German Patent Application DE 10 019 183, reference is made to the content is taken.

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 working capacity, can large movements or step sizes and are due to low Control voltages can be controlled directly via resistance heating. Actuators with Shape memory alloys can therefore be used in different areas of the Technique are used. However, they are for applications of the Moving objects, especially micro robots with the disadvantage connected, that their movements in the deflection of a starting position in a final position and then back to the starting position on the same Done way. A made due to a deflection of an actuator Moving step is thereby reversed, so that a 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. When moving objects or robots are different drives known with wave-like motion. For a robot to run in the country or can swim in or under water, he must like the human one Perform movement that is within a complete Phasing pass between each other. Would this principle not apply, so the robot would only wobble back and forth.

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 Control of independently acting partial actuators in an overall system. This working principle can be caused by 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. For drives with magnetostrictive layers by standing waves For example, linear and rotary ultrasonic motors with magnetostrictive Layers known. The magnetostrictive layers lead in one alternating magnetic field to a sinusoidal up and down movement of the Substrate. Decisive for locomotion here is that tooth-like Structures perpendicular to the substrate between wave crest and wave node exist. As a result, these teeth perform an elliptical movement. Back and forth the tooth movement are therefore different. such However, magnetostrictive "shaft" drives are only for specific purposes Applications suitable. So far they have been able to reach a constructively high level Expenditure in particular therefore not enforce, since the magnetostrictive Effect is relatively small and the necessary immediate proximity of a strong alternating magnetic field the use of the drive for Movements and swimming movements of robots prevented.

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 known. The principle of locomotion by means of running waves in For example, piezoelectric materials are used in autofocus systems in Cameras already used commercially. Due to the low travel ranges of However, a few micrometers must with piezoelectric actuators with Frequencies of a few kHz and high voltages are worked to to achieve significant locomotion, which is also a high design effort as well as a large amount of energy required and one Excludes a large number of application areas.

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. To wave-like movements in previously known shape memory actuators To bring about the actor must be divided into sections, all must be controlled individually. Shape memory actuators are going through Heat transfer to movements excited. Because the wavy Propagation of heat by an actuator is very problematic and by the Environmental influences can be easily disturbed, must be a wave-like movement generated by the independent control of individual actuator components become. The disadvantages of this drive are in the high constructive Effort, especially in the complex wiring and the phase-locked control of the individual sections, the principle also very can be complicated.

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 space and underwater technology, the demand is increasing operable or buoyant micro robots whose movement through simple control signals can be coordinated. To the effort Control electronics to a minimum, should the actuators used, the design and the choice of materials already be designed so that For example, a single control signal is sufficient to a complete To perform motion sequence.

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. The object of the present invention is therefore to provide a structurally simple inexpensive to produce, easy to handle and easy to control To provide a product based on shape memory alloys, the with the lowest possible energy consumption in the action of a Control pulse from a starting position a deflection over a certain path learns and then a different way back into the Starting position takes. In particular, this is intended to be a simple mechanism be created, as a lightweight and compact drive means for Locomotion of technical objects or systems, preferably of Microrobotern 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. This object is achieved by a shape memory composite solved according to claim 1. Advantageous embodiments and further developments of Invention will be apparent 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. It is essential in the inventive solution that the Shape memory composite comprises at least one second shape memory alloy, the is directly or indirectly connected to the first shape memory alloy, and which also depends on the temperature in a martensite phase and / or is present in an austenite phase, whereby the phase transition of the Shape memory alloy when heated in the austenite phase or in a Cooling is carried out in the martensite phase in a hysteresis loop, which with respect to the temperature has a hysteresis width, and wherein the hysteresis width of the first shape memory alloy within the hysteresis width of second shape memory alloy is located. The hysteresis width of the first Shape memory alloy is narrower than 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. The main advantage lies in the fact that the actuator due to a single Control signal passes through a cycle, with back and forth Reverse movement so different that after completion of a cycle process Net movement of the actuator results. This can be particularly easy Way 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 Martensitzustand 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. On cooling, in turn, the first alloy F1 and then the second alloy F2 first change to 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 Herbewegung sorgt und keine Fortbewegung entsteht. It is essential that the hystereses of the two alloys are not consecutive are arranged, as an actuator while the way there and back exactly same path with the transformation sequence F1 → F2 → F2 → F1 would go through. In this process, however, no net movement can result, so that the Actuator provides only for a reciprocating motion and no locomotion arises.

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 based on shape memory alloys to produce and allow micro robots to provide a drive that enables them to to move with long travel ranges or swimming movements perform. The shape memory composite according to the invention is simpler Construction cost-effective, easy to handle and easy to control. He can with very little weight and in very small footprint in Microsystems are widely used 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 construction can also be multiple times nested, each with the hysteresis of a Shape memory alloy within the hysteresis of a next Shape memory alloy is located. It is also possible to have several shape memory alloys different or equal hysteresis widths together combine that all hysteresis of these alloys within the hysteresis width 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 may also be a limiting case of the solution according to the invention be used, in which either only the phase transformation of Martensite to austenite, or conversely, only the phase transformation of Austenite to martensite in both shape memory alloys on the same Temperature range drops. The temperature range of each other However, phase transformation should also be chosen so that the hysteresis of the Alloy with narrower hysteresis width overall within the wider Hysteresis of the other alloy is.

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. In order to achieve particularly large movements or step sizes proposed that means for applying a force or a voltage one or 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 a particularly preferred embodiment of the invention, the first shape memory alloy and the second shape memory alloy, respectively on a substrate with a thermal expansion coefficient applied, which is different from the thermal expansion coefficient the shape memory alloys. When a temperature change brings that Substrate here the necessary for a large deformation or movement Forces or tensions. Depending on the temperature changes the stress in the shape memory layer deposited on a substrate, causing a bimetal effect. Here is with the different voltage values, a change in the curvature of the Connected shape memory network. If the shape memory layer is in the austenitic state, so the shape memory composite is in a curved state. Lies the shape memory layer, on the other hand, is in the martensite state, so there is the shape memory composite in a nearly planar state, since by the Education oriented martensite variants the layer composite tension on one relatively 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. However, it is not mandatory that an actuator curved in Austenitzustand and in Martensitzustand is flat. By superposition of a bimetallic effect by means of a third layer in a shape memory composite can be a Initial curvature or an offset curvature can be achieved, bringing the flexibility of the network is increased in terms of its capabilities.

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. It is particularly advantageous if the first shape memory alloy and the second shape memory alloy are deposited on the same substrate. By using only a single substrate, a particular simple construction can 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. Particularly small-sized and lightweight constructions can be obtained be that the substrate in the form of a strip or a layer is trained. It is also advantageous in this regard, although the first Shape memory alloy and / or the second shape memory alloy in the form a strip or a layer is formed.

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 two shape memory alloys can preferably in one Layer composite be combined. In a structurally particularly simple Embodiment, the shape memory composite while a composite layer form, consisting of a single substrate layer and exactly two Shape memory layers exists. It is preferably proposed that the thicknesses of the both shape memory layers are at least approximately equal.

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 Formgedächtnislegierung aufgebracht ist. Hierdurch kann bei einfacher Konstruktion ein wellenförmiger Bewegungsablauf erzielt werden. It is furthermore particularly advantageous if the substrate has one or more Has areas in which or not all, but only a part number all shape memory alloys, preferably only one Shape memory alloy is applied. This can be a simple design Wavy movement can 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, in each case only a part number is at each point of the substrate all shape memory alloys, in particular only a single Shape memory alloy applied. Also, there may be areas of the substrate in where 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 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 especially well used for running movements or for swimming movements become.

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 applications, it may be advantageous if the Shape memory composite according to the invention has additional layers, the preferably made of materials that have a higher elasticity than the shape memory alloys and / or the substrate. In particular, can As a result, a desired output form of the actuator can be specified.

Vorzugsweise kann der Formgedächtnisverbund außenseitig von einer Polymerschicht umgeben sein, um beispielsweise einen Schutz vor Umgebungseinflüssen zu erreichen. Preferably, the shape memory composite on the outside of a Be surrounded by polymer layer, for example, to protect against To achieve environmental influences.

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, the Shape memory alloys of alloys with titanium (Ti) and nickel (Ni), in particular from TiNi, Ti (Ni, Cu), Ti (Ni, Fe), Ti (Ni, Pd), Ti (Ni, Au), (Ti, Hf) Ni or (Ti, Zr) Ni. Also For example, the shape memory alloys can be 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 determined by the addition certain alloying elements are specifically influenced. That's the way to go by the successive substitution of Ni by Pd or the substitution of Ti by Hf the transition temperatures of the shape memory layers Increase temperatures of up to 500 ° C. By the substitution of Ni by Fe, however, can reduce the transition temperatures. That's it possible to adjust the transition temperatures in a 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 to the temperature also depends on the attached substituents, so that the hysteresis width by suitable Choice of shape memory alloy can be adjusted. This increases the Ni / Nb and the Ti / Hf substitution the hysteresis width, while the Ni / Cu Substitution reduces this.

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 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 shape of the composite layer is changed by that the shape memory composite is heated or cooled.

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. In particular, an inventive shape memory composite with this Process be changed in such a way that it in a cyclic process from an initial shape to a final shape and back to the original shape is deformed by the shape memory composite first heated and is then cooled.

Auf besonders einfache Weise kann die Erwärmung des Formgedächtnisverbundes durch die Zufuhr von elektrischem Strom herbeigeführt werden. In a particularly simple manner, the heating of the Shape memory composite can be brought about 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. In this way, an inventive shape memory composite can be especially in no microsystems as an actuator for the conversion of thermal and / or electrical energy in mechanical work or as an actuator to use for the movement of mechanical / electronic systems.

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 shown in the drawings Embodiments.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 schematisches Spannung-Dehnung-Diagramm einer Formgedächtnislegierung im Martensit- und Austenitzustand FIG. 1 shows a schematic stress-strain diagram of a shape memory alloy in the martensite and austenite state . FIG

Fig. 2 Spannung-Temperatur-Diagramm eines Formgedächtnisverbundes mit großer Hysteresebreite Fig. 2 voltage-temperature diagram of a shape memory composite with a large hysteresis

Fig. 3 Spannung-Temperatur-Diagramm eines Formgedächtnisverbundes mit schmaler Hysteresebreite Fig. 3 voltage-temperature diagram of a shape memory network with narrow hysteresis

Fig. 4 Auslenkung-Temperatur-Diagramm zweier Formgedächtnisverbunde Fig. 4 deflection-temperature diagram of two shape memory composites

Fig. 5 Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor Fig. 5 cross-section through an inventive actuator

Fig. 6 Schematische Darstellung des Auslenkung-Temperatur-Verlaufs des Aktors aus Fig. 5 Fig. 6 shows a schematic representation of the deflection temperature profile of the actuator of FIG. 5

Fig. 7 Gemessener Auslenkung-Temperatur-Verlauf des Aktors aus Fig. 5 FIG. 7 Measured deflection-temperature profile of the actuator from FIG. 5. FIG

Fig. 8 Querschnitt durch einen Aktor für Laufbewegungen Fig. 8 cross-section through an actuator for running movements

Fig. 9 Bewegungsablauf des Aktors aus Fig. 8 bei einer Laufbewegung Fig. 9 sequence of movements of the actuator of Fig. 8 during a running movement

Fig. 10 Querschnitt durch einen Aktor für Schwimmbewegungen Fig. 10 cross-section through an actuator for swimming movements

Fig. 11 Bewegungsablauf des Aktors aus Fig. 10 bei einer Schwimmbewegung Fig. 11 sequence of movement of the actuator of Fig. 10 in a floating movement

In Fig. 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 Fig. 1 is shown 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 Fig. 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 stress-temperature diagram in FIG. 2 shows the change in the layer stress σ (in MPa) as a function of the temperature T (in ° C) for a TiNi shape memory layer F2 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 specified 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. Due to the low expansion coefficient of molybdenum arises after the annealing a tensile stress of about 600 MPa, the below 30 ° C by the orientation of the martensite variants is reduced by about 500 MPa. At the Heating is the back strain at about 60 ° C, the layer stress rebuilt. With the different stress values σ is at the same time a change in the curvature of the shape memory layer F2 and the Substrate S existing shape memory composite 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 Fig. 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 Fig. 2. The hysteresis width with respect to temperature may be affected by variations in the alloying elements added to the shape memory alloy. Thus, the voltage-temperature diagram in FIG. 3 shows 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 shape 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 FIG. 2.

In Fig. 4 sind die Auslenkungs-Temperatur-Kurven zweier verschiedener Formgedächtnislegierungen F1 und F2 mit den Eigenschaften gemäß den Fig. 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 Fig. 4, the deflection-temperature curves of two different shape memory alloys F1 and F2 with the properties of FIGS. 2 and 3 are compared. 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 Fig. 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 measurement technology, if an actuator is considered which consists of a layer composite V according to FIG. 5. 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. According to the previous description, the layers F1, F2 made of shape memory alloys on substrates S with lower thermal Expansion coefficients in the Austenitzustand A under a large Tensile stress and in the Martensitzustand M under a much lower Tension. The layer sequence of shape memory alloy F1, a passive substrate S and shape memory alloy F2 has the consequence that the opposite shape memory layers F1, F2 in Austenitzustand A want to pull the substrate S respectively on your side. Are both layers F1 and F2 in Martensitzustand M or Austenitzustand A lift the Tensile strains just open and the actuator remains flat. Is only one of the both shape memory layers F1 or F2 in Austenitzustand A, see above their tension predominates and the 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 Fig. 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, the deflection behavior of the actuator outlined in FIG. 6 comes about. Way out (above) and way back (below) have a significantly different course.

In Fig. 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 FIG. 7, the measured profile of the deflection of such a layer composite V is 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.

Fig. 8 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aktors, der für Laufbewegungen eingesetzt werden kann. Der Aktor entspricht im wesentlichen dem streifenförmigen Aktor aus Fig. 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. Fig. 8 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-type actuator from FIG. 5, but 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 Fig. 9 in fünf Teilschritten 1) bis 5) dargestellt. The possible with this actuator movement forms are shown in FIG. 9 in five sub-steps 1 ) to 5).

Bei der in Fig. 9 gezeigten Laufbewegung ist der Aktor aus Fig. 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. In the embodiment shown in Fig. 9 running movement of the actuator, Fig. 8 are arranged vertically downwards 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 subsequent curvature of the lower half or the section A1 with the alloy F1 to the right leads to repulsion 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 intermediate position of the actuator, the alloy F1 is in austenitic state A and the alloy F2 is still in martensite state 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 subsequently ensures a return movement of the actuator without contact with the ground, provided that further actuators, in particular further legs of the robot, take over the contact with the ground at this moment and thus the weight of the object O. Since the upper half or the section A2 with the second alloy F2 is also curved and both shape memory alloys F1 and F2 are in the austenitic state A (substep 3 ), the lower section with the alloy F1 deforms back into the starting position (substep 4 ). , In this second intermediate layer of the actuator, the alloy F1 is already in the martensite state 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, the upper section with the alloy F2 also deforms back into the initial position (partial step 5 ), so that the actuator as a whole is again in the starting position and both alloys F1 and F2 are again in the martensite state M. The cycle of the motion sequence is thus once passed through and can be repeated for further running steps.

Fig. 10 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aktors, der für Schwimmbewegungen eingesetzt werden kann. Der Aktor entspricht im wesentlichen dem streifenförmigen Aktor aus Fig. 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. Fig. 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-type actuator from FIG. 8, but both shape memory alloys F1 and F2 with different hysteresis widths B1 and B2 are applied in the two sections A1 and A2 on the same side of the substrate strip S.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Schwimmbewegung sind zwei Aktoren gemäß Fig. 10 seitlich einander gegenüberliegend an einem Objekt C) 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 Fig. 11 in fünf Teilschritten 1) bis 5) dargestellt. In the floating movement illustrated in FIG. 11, two actuators according to FIG. 10 are arranged laterally opposite one another on an object C), which in turn can be a mechanical / electronic system, in particular a microrobot. 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 actuators movement forms are shown in FIG. 11 in five sub-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 Fig. 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 Fig. 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 is useful in a floating movement that in the starting position 1 ) in Fig. 11, both alloys F1 and F2 are in Martensitzustand M and that both shape memory alloys F1 and F2 in their first deformation in the same direction (down) work. 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. In the example shown in FIG. 11, this third layer can 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 the austenitic state A and the alloy F2 is still in the martensite 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. Subsequently, the outer half or the section with the second alloy F2 also deforms or curves downward, whereby a further floating movement of the object O takes place upwards. The arrows P2 show the propulsive forces exerted by the sections A2. Both shape memory alloys F1 and F2 are in this end position 3 now in Austenitzustand A.

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. Subsequently, the inner section deforms with the alloy F1 back to the starting position. In this second intermediate layer 4 ) of the actuators, the alloy F1 is already in the martensite state 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. Bezugszeichenliste M Martensit
A Austenit
σ Spannung
ε Dehnung
V Schichtverbund, Formgedächtnisverbund
T Temperatur
S Substrat
Ms Martensitstarttemperatur
Mf Martensitendtemperatur
As Austenitstarttemperatur
Af Austenitendtemperatur
F1 erste Formgedächtnislegierung, Formgedächtnisschicht
F2 zweite Formgedächtnislegierung, Formgedächtnisschicht
L Auslenkung
B1 Hysteresebreite der ersten Formgedächtnislegierung
B2 Hysteresebreite der zweiten Formgedächtnislegierung
A1 erster Abschnitt
A2 zweiter Abschnitt
O Objekt
B Boden
P Moment der Abstoßung
P1 Vortriebskraft
P2 Vortriebskraft
Finally, the outer section with the alloy F2 deforms back into the starting position 5 ), so that both actuators are again in the starting position and both alloys F1 and F2 are again in the martensite state M. The cycle of the sequence of movements is thus once passed through and can be repeated for further swimming steps. List of Reference M Martensite
A austenite
σ tension
ε stretching
V layer composite, shape memory composite
T temperature
S substrate
M s martensite start temperature
M f martensite finish temperature
A s austenite start temperature
A f austenite end temperature
F1 first shape memory alloy, shape memory layer
F2 second shape memory alloy, shape memory layer
L deflection
B1 hysteresis width of the first shape memory alloy
B2 hysteresis width of the second shape memory alloy
A1 first section
A2 second section
O object
B floor
P moment of repulsion
P1 driving force
P2 driving force

Claims (22)

1. 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) 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) is within the hysteresis width (B2) of the second shape memory alloy (F2). 2. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Phasentransformation vorn Martensit (M) zum Austenit (A) oder umgekehrt vom Austenit (A) zum Martensit (M) bei beiden Formgedächtnislegierungen (F1, F2) auf den gleichen Temperaturbereich fällt. 2. shape memory composite according to claim 1, characterized characterized in that either the phase transformation of martensite (M) to austenite (A) or vice versa from austenite (A) to martensite (M) both shape memory alloys (F1, F2) on the same Temperature range drops. 3. 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. 3. shape memory composite according to claim 1 or 2, characterized characterized in that means for applying a force or a voltage (σ) are provided on at least one shape memory alloy (F1, F2). 4. 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). 4. shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the first shape memory alloy (F1) and the second shape memory alloy (F2) each on a substrate (S) are applied, which has a thermal expansion coefficient, the is different from the thermal expansion coefficient of Shape memory alloys (F1, F2). 5. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Formgedächtnislegierung (F1) und die zweite Formgedächtnislegierung (F2) auf demselben Substrat (S) aufgebracht sind. 5. shape memory composite according to claim 4, characterized characterized in that the first shape memory alloy (F1) and the second Shape memory alloy (F2) on the same substrate (S) are applied. 6. Formgedächtnisverbund nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) ein Metall, ein Halbmetall, ein Polymer oder eine Keramik ist. 6. shape memory composite according to claim 4 or 5, characterized characterized in that the substrate (S) is a metal, a semi-metal, a polymer or a ceramic is. 7. 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. 7. shape memory composite according to claim 6, characterized in that the substrate of or with steel, molybdenum (Mo), silicon (Si), silicon carbide (SiC), silicon dioxide (SIO 2 ) or silicon nitride (Si 3 Ni 4 ) is formed. 8. Formgedächtnisverbund nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) in Form eines Streifens oder einer Ebene ausgebildet ist. 8. shape memory composite according to one of claims 4 to 7, characterized characterized in that the substrate (S) in the form of a strip or a level is formed. 9. 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. 9. shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the first shape memory alloy (F1) and / or the second shape memory alloy (F2) in the form of a strip or a layer is formed. 10. 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. 10. shape memory composite according to claims 5, 8 and 9, characterized characterized in that exactly two shape memory alloys (F1, F2) is combined with a substrate layer (S) in a layer composite (V) are. 11. 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. 11. shape memory composite according to one of claims 5 to 10, characterized characterized in that the substrate (S) at least one area (A1, A2), in which only a part number of all Shape memory alloys (F1, F2), preferably only a shape memory alloy (F1, F2) is applied. 12. 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. 12. shape memory composite according to claim 11, characterized characterized in that at each point of the substrate (S) each have a maximum of one Number of parts of all shape memory alloys (F1, F2), preferably only one Shape memory alloy (F1, F2) is applied. 13. 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. 13. shape memory composite according to claim 12, characterized characterized in that the substrate (S) is formed by a strip which two sections (A1, A2), wherein in the first section (A1) on the top or bottom of the strip the first one Shape memory alloy (F1) is applied and in the second section (A2) on the Top or bottom of the strip the second shape memory alloy (F2) is applied. 14. 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). 14. shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized characterized in that additional layers are provided, the preferably consist of materials that have a higher elasticity as the shape memory alloys (F1, F2) and / or the substrate (S). 15. Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er außenseitig von einer Polymerschicht umgeben ist. 15. Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is externally of a polymer layer is surrounded. 16. 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. 16. shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized 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) Ni. 17. Formgedächtnisverbund nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnislegierungen (F1, F2) Legierungen auf der Basis von Kupfer, insbesondere CuZnAl oder CuNiAl sind. 17. Shape memory composite according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the shape memory alloys (F1, F2) Alloys based on copper, in particular CuZnAl or CuNiAl are. 18. Verfahren zum Verändern der Form eines Formgedächtnisverbundes (V) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formgedächtnisverbund (V) erwärmt oder abgekühlt wird. 18. Method for changing the shape of a shape memory composite (V) according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the shape memory composite (V) is heated or cooled. 19. 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. 19. Method for changing the shape of a shape memory composite (V) according to one of the preceding claims from an initial form to a Final shape and back to the initial shape in a cyclic process, characterized in that the shape memory composite (V) is heated and then cooled. 20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch elektrischen Strom herbeigeführt wird. 20. The method according to claim 18 or 19, characterized characterized in that the heating caused by electric current becomes. 21. 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. 21. Use of a shape memory composite (V) according to one of the claims 1 to 17, in particular using the method according to one of Claims 18 to 20, as an actuator for the conversion of thermal and / or electrical energy into mechanical work. 22. Verwendung eines Formgedächtnisverbundes (U) 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. 22. Use of a shape memory composite (U) according to one of the claims 1 to 17, in particular using the method according to one of Claims 18 to 20, as an actuator for locomotion of mechanical / electronic systems.
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