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DE102018128438B4 - Process for the production of one-piece joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems made of shape memory material as well as one-piece joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems made of shape memory material - Google Patents

Process for the production of one-piece joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems made of shape memory material as well as one-piece joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems made of shape memory material Download PDF

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DE102018128438B4
DE102018128438B4 DE102018128438.1A DE102018128438A DE102018128438B4 DE 102018128438 B4 DE102018128438 B4 DE 102018128438B4 DE 102018128438 A DE102018128438 A DE 102018128438A DE 102018128438 B4 DE102018128438 B4 DE 102018128438B4
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shape memory
memory material
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actuators
component
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Simon Pauly
Konrad Kosiba
Uta Kühn
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Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Original Assignee
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
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Abstract

Verfahren zur Herstellung von einteiligen Gelenken, Aktoren, Sensoren, Hub- und Verstellelementen, Stellgliedern in Regelkreisen oder Federpaketen in Dämpfungssystemen aus mindestens einem Formgedächtnismaterial, bei dem mittels additivem Fertigungsverfahren eine erste Schicht eines als Pulver vorliegenden Formgedächtnismaterials ausgebildet und verfestigt wird, nachfolgend die erste Schicht pseudoplastisch verformt wird, anschließend eine zweite Schicht eines als Pulver vorliegenden Formgedächtnismaterials auf der ersten Schicht angeordnet wird, und nachfolgend die erste und die zweite Schicht mindestens im Bereich der zueinander angeordneten Grenzflächen der Schichten aufgeschmolzen und die erste und zweite Schicht im Wesentlichen grenzflächenfrei stoffschlüssig verbunden werden, wobei weitere Schichten mittels additivem Fertigungsverfahren aufgebracht werden können, wobei mindestens ein lokaler Bereich der zweiten Schicht des Formgedächtnismaterials unterhalb der Liquidustemperatur mittels einer Wärmequelle thermisch behandelt wird, wobei durch die thermische Behandlung in dem lokalen Bereich durch das Bilden von Martensit oder Austenit mit Phasenausscheidungen die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden.Method for producing one-piece joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems from at least one shape memory material, in which a first layer of a shape memory material in powder form is formed and solidified by means of an additive manufacturing process, the first layer is subsequently pseudoplastically deformed, a second layer of a shape memory material in powder form is then arranged on the first layer, and the first and second layers are subsequently melted at least in the region of the mutually arranged interfaces of the layers and the first and second layers are bonded in a materially bonded manner essentially without interfaces, wherein further layers can be applied by means of an additive manufacturing process, wherein at least one local region of the second layer of the shape memory material is thermally treated below the liquidus temperature by means of a heat source, wherein the thermal treatment in the local region deactivates the shape memory properties by forming martensite or austenite with phase precipitations.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaft, Elektro-, Medizin-, und der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einteiligen Bauelementen aus Formgedächtnismaterial sowie einteilige Bauelemente aus Formgedächtnismaterial. Die einteiligen Bauelemente aus Formgedächtnismaterial können beispielsweise als Gelenke, Aktoren, Sensoren oder als Federelemente in Dämpfungssystemen Verwendung finden.The invention relates to the fields of materials science, electrical engineering, medical engineering and process engineering and relates to a method for producing one-piece components made of shape memory material as well as one-piece components made of shape memory material. The one-piece components made of shape memory material can be used, for example, as joints, actuators, sensors or as spring elements in damping systems.

Formgedächtnismaterialien bestehen aus spezifischen metallischen Legierungen, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen vorliegen können. So können Formgedächtnismaterialien nach einer starken Verformung in ihre vorherige Gestalt zurückgeführt werden. Dieser Effekt des Formgedächtnismaterials ist in der reversiblen martensitischen Phasenumwandlung des Werkstoffgefüges begründet und kann thermisch oder mechanisch hervorgerufen werden.Shape memory materials consist of specific metallic alloys that can exist in two different crystal structures. Shape memory materials can therefore return to their previous shape after significant deformation. This effect of the shape memory material is based on the reversible martensitic phase transformation of the material structure and can be induced thermally or mechanically.

Wird eine Formgedächtnislegierung von einer Hochtemperatur abgekühlt, so geht die austenitische Hochtemperaturphase in die martensitische Tieftemperaturphase reversibel und diffusionslos über. Die Bildung von Martensit beginnt, wenn die Martensit-Start-Temperatur Ms des Formgedächtnismaterials erreicht ist. Dessen Bildung ist unterhalb der Martensit-Ende- Temperatur Mf abgeschlossen. Die martensitische Phasenumwandlung ist reversibel. Daher geht der Martensit bei entsprechender Temperaturerhöhung in Austenit über. Ist die Austenit-Start-Temperatur As erreicht, beginnt sich Austenit zu bilden. Das Gefüge ist oberhalb der Austenit-Ende-Temperatur Af dann vollständig austenitisch.If a shape memory alloy is cooled from a high temperature, the austenitic high-temperature phase changes to the martensitic low-temperature phase reversibly and without diffusion. The formation of martensite begins when the martensite start temperature M s of the shape memory material is reached. Its formation is complete below the martensite end temperature M f . The martensitic phase transformation is reversible. Therefore, the martensite changes to austenite when the temperature is increased accordingly. When the austenite start temperature A s is reached, austenite begins to form. The structure is then completely austenitic above the austenite end temperature A f .

Das martensitische Gefüge einer Formgedächtnislegierung weist in der Regel eine hohe Dichte an Zwillingskorngrenzen auf, deren Grenzflächen hochbeweglich sind. Wird eine Formgedächtnislegierung im martensitischen Zustand oberhalb der elastischen Dehngrenze bis maximal 8% Dehnung verformt, erfolgt eine Umorientierung und Entzwilligung des martensitischen Gefüges. Die resultierende Verformung des martensitischen Gefüges wird als „pseudoplastisch“ bezeichnet und ist bleibend.The martensitic structure of a shape memory alloy usually has a high density of twin grain boundaries, whose interfaces are highly mobile. If a shape memory alloy in the martensitic state is deformed above the elastic yield point up to a maximum of 8% elongation, the martensitic structure is reoriented and detwinned. The resulting deformation of the martensitic structure is referred to as "pseudoplastic" and is permanent.

Wird jedoch ein pseudoplastisch verformtes Gefüge oberhalb der As- und weiter bis auf die Af-Temperatur erhitzt, stellt sich die ursprüngliche Kristallorientierung des Austenits und folglich die ursprüngliche Form des Werkstoffs wieder ein. Darauffolgendes Abkühlen des austenitischen Gefüges bis zu Temperaturen unterhalb der Mf-Temperatur im spannungsfreien Zustand führt zur Bildung eines vollständig martensitischen Gefüges ohne Formänderung. Dieser Formgedächtnis-Effekt wird als Ein-Wege-Effekt (EWE) bezeichnet und ist durch die einmalige Formänderung eines im martensitischen Zustand pseudoplastisch verformten Werkstoffgefüges, während dieser aufgeheizt wird, gekennzeichnet.However, if a pseudoplastically deformed structure is heated above the A s temperature and further up to the A f temperature, the original crystal orientation of the austenite and consequently the original shape of the material are restored. Subsequent cooling of the austenitic structure to temperatures below the M f temperature in the stress-free state leads to the formation of a fully martensitic structure without any change in shape. This shape memory effect is called the one-way effect (EWE) and is characterized by the one-time change in shape of a material structure that is pseudoplastically deformed in the martensitic state while it is being heated.

Wird hingegen während des Abkühlens des Austenits, der dann unterhalb Mf vollständig als Martensit vorliegt, eine Kraft aufgebracht, so dass er pseudoplastisch verformt wird, erfolgt eine Formänderung auch beim Abkühlen.However, if a force is applied during cooling of the austenite, which then exists completely as martensite below M f , so that it is pseudoplastically deformed, a change in shape also occurs during cooling.

Während der Formänderung kann so eine Feder durch eine Phasenumwandlung in Austenit beim Aufheizen vorgespannt werden. Der Formgedächtnis-Effekt kann sowohl in der Hochtemperatur- als auch in der Tieftemperaturphase auftreten. Dieser Effekt, der auf dem Ein-Wege-Effekt mit zusätzlich verformender Kraft beruht, wird als Zwei-Wege-Effekt (ZWE) bezeichnet.During the deformation, a spring can be prestressed by a phase transformation into austenite when heated. The shape memory effect can occur in both the high-temperature and the low-temperature phase. This effect, which is based on the one-way effect with additional deforming force, is called the two-way effect (TWE).

Des Weiteren kann die Umwandlung von Austenit in Martensit spannungsinduziert erfolgen, also durch mechanische Kräfte hervorgerufen werden. Bei gleichbleibender Spannung geht der Austenit in Martensit über und letzterer wird zuerst elastisch verformt. Anschließend entzwillingt der Martensit. Dieser sogenannte „pseudoelastische“ Dehnungsbereich von bis zu maximal 8% ist der elastischen Verformung nachgelagert. Nach vollständiger Entlastung wandelt der entzwillingte Martensit wieder in Austenit samt Formänderung um. Das pseudoelastische Dehnungsverhalten ist vollständig reversibel und kann die Elastizität von Metallen um ein Vielfaches übertreffen.Furthermore, the transformation of austenite into martensite can be stress-induced, i.e. caused by mechanical forces. If the stress remains constant, the austenite turns into martensite and the latter is first elastically deformed. The martensite then detwins. This so-called "pseudo-elastic" expansion range of up to a maximum of 8% is located downstream of the elastic deformation. After complete unloading, the detwinned martensite transforms back into austenite and changes shape. The pseudo-elastic expansion behavior is completely reversible and can exceed the elasticity of metals many times over.

Gelenke sind bewegliche Verbindungen zwischen zwei Bauteilen, die üblicherweise aus mehreren Komponenten/Bauteilen bestehen. Anhand der Relativbewegung und der Anzahl an Freiheitsgraden werden Gelenke klassifiziert und finden Anwendung in beispielsweise der Robotik. Bisher eingesetzte Gelenke und Aktoren werden aus vorgefertigten Bauteilen zu Bauelementen zusammengesetzt.Joints are movable connections between two components, which usually consist of several components/parts. Joints are classified based on the relative movement and the number of degrees of freedom and are used in robotics, for example. Joints and actuators used to date are assembled from prefabricated components to form structural elements.

Bekannt sind auch Federn aus Formgedächtnislegierungen. Derartige Federn in Dämpfungssystemen haben die Aufgabe, Vibrationen und Schwingungen aufzunehmen, um beispielsweise Geräusche zu minimieren oder ungleichförmige Bewegungen zu dämpfen. Sie können entweder auf einem federgelagerten, pneumatischen, hydraulischen oder elektromagnetischen Wirkprinzip beruhen.Springs made of shape memory alloys are also well known. Such springs in damping systems have the task of absorbing vibrations and oscillations in order to, for example, minimize noise or dampen irregular movements. They can be based on either a spring-loaded, pneumatic, hydraulic or electromagnetic operating principle.

Dabei wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, wobei durch Stromimpulse das Formgedächtnismaterial kurzfristig über die AF-Temperatur erhitzt wird. Die einhergehende Formänderung führt zur Bewegung der Feder.Electrical energy is converted into mechanical energy, whereby the shape memory material is briefly heated above the A F temperature by current pulses. The resulting change in shape leads to the movement of the spring.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Formgedächtnismaterial bekannt.Various methods for producing components made of shape memory material are known from the state of the art.

Aus Gustmann, T. et al.: Properties of Cu-Based Shape-Memory Alloys Prepared by Selective Laser Melting"; Mem. Superelasticity (2017) 3, S. 24-36 , ist ein additives Verfahren zur schichtweisen Herstellung eines Bauteils aus einer Gedächtnislegierung bekannt, wobei durch eine thermische Behandlung die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden.Out of Gustmann, T. et al.: Properties of Cu-Based Shape-Memory Alloys Prepared by Selective Laser Melting"; Mem. Superelasticity (2017) 3, pp. 24-36 , an additive process for the layer-by-layer production of a component from a shape memory alloy is known, whereby the shape memory properties are deactivated by thermal treatment.

Auch ist aus der WO 2016/ 008 043 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrfachspeichermaterials bekannt, umfassend das Bestimmen der Prozessparameter für das Formgedächtnismaterial über einen Controller; Empfangen des Formgedächtnismaterials an einer Zuführeinheit; Zuführen des Formgedächtnismaterials über die Zuführeinheit zu einer Verarbeitungsstation; Liefern von Schutzgas zu der Verarbeitungsstation über einen Schutzgasversorger; und Versorgen des Formgedächtnismaterials über mindestens eine Energiequelle mit Energie auf der Grundlage der Prozessparameter, um das Mehrfachgedächtnismaterial herzustellen.It is also clear from the WO 2016/ 008 043 A1 A method for producing a multiple memory material is known, comprising determining the process parameters for the shape memory material via a controller; receiving the shape memory material at a feed unit; feeding the shape memory material via the feed unit to a processing station; supplying inert gas to the processing station via an inert gas supplier; and supplying the shape memory material with energy via at least one energy source based on the process parameters to produce the multiple memory material.

Aus der DE 296 06 249 U1 ist eine Spiralfeder aus einer Formgedächtnislegierung mit mindestens einer ersten und einer zweiten Befestigungsfläche, einem Verbindungstück, mindestens zwei in Form von Windungen einer Spirale gebogenen Federarmen bekannt, wobei die Windungen der Federarme zueinander in einem Abstand stehen und jeder Federarm zwischen den Windungen des anderen Federarms angeordnet ist und die Federarme zwei Enden aufweisen, wobei jeweils das erste Ende mit der Befestigungsfläche und das zweite Ende mit dem Verbindungsstück verbunden ist.From the DE 296 06 249 U1 A spiral spring made of a shape memory alloy with at least a first and a second fastening surface, a connecting piece, at least two spring arms bent in the form of turns of a spiral is known, wherein the turns of the spring arms are spaced apart from one another and each spring arm is arranged between the turns of the other spring arm and the spring arms have two ends, wherein the first end is connected to the fastening surface and the second end is connected to the connecting piece.

Aus der DE 3 910 839 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung eines Organs zum Öffnen und Verschließen einer Lüftungsöffnung eines Raums bekannt, wobei das Organ mit mindestens einem aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Aktor verbunden ist, durch den das Organ bei einer ersten Form des Aktors in Öffnungs- oder Schließstellung eingestellt ist. Der Aktor ist in einem, einen elektrochemischen Sensor enthaltenden Steuerkreis angeordnet. Der von der Luft der äußeren Atmosphäre beaufschlagte Sensor löst in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration der Atmosphäre einen Stromfluss über den Aktor aus, der durch Erwärmung eine Formänderung des Aktors hervorruft, durch den das Organ in Schließ- oder Öffnungsstellung eingestellt wird.From the DE 3 910 839 A1 A device for controlling a device for opening and closing a ventilation opening in a room is known, the device being connected to at least one actuator made of a shape memory alloy, by means of which the device is set in the open or closed position when the actuator is in a first shape. The actuator is arranged in a control circuit containing an electrochemical sensor. The sensor, which is acted upon by the air of the external atmosphere, triggers a current flow through the actuator depending on the pollutant concentration in the atmosphere, which causes a change in the shape of the actuator by heating, by means of which the device is set in the closed or open position.

Aus der WO 2009 / 137 767 A2 ist ein Überhitzungsschutzsystem bekannt, das zur Verwendung mit einem Aktor ausgelegt ist, der wenigstens ein Formgedächtnislegierungs-Element enthält, das mit einer Quelle gekoppelt ist, um wahlweise ein Aktivierungssignal von ihr zu empfangen, wobei das Aktorelement eine erste Konfiguration bildet, um über einen ersten Zeitraum durch die Quelle aktiviert zu werden, und antriebstechnisch mit einer Last gekoppelt ist, wobei das System wenigstens ein Formgedächtnislegierungs-Schaltelement umfasst, das wahlweise mit der Quelle und/oder dem Aktorelement gekoppelt ist und eine zweite Konfiguration bildet, um durch die Quelle und/oder durch das Aktorelement über eine zweite Zeitdauer aktiviert zu werden, die länger als die erste ist, wobei das Aktorelement, die Quelle und das Schaltelement zusammenwirkend so konfiguriert sind, dass das Schaltelement zum Verhindern des Empfangs des Signals durch das Aktorelement, wenn das Schaltelement aktiviert ist, betreibbar ist.From the WO 2009 / 137 767 A2 an overheat protection system is known which is designed for use with an actuator which includes at least one shape memory alloy element coupled to a source to selectively receive an activation signal therefrom, the actuator element forming a first configuration to be activated by the source for a first period of time and drivingly coupled to a load, the system comprising at least one shape memory alloy switching element selectively coupled to the source and/or the actuator element and forming a second configuration to be activated by the source and/or by the actuator element for a second period of time which is longer than the first, the actuator element, the source and the switching element being cooperatively configured such that the switching element is operable to prevent the actuator element from receiving the signal when the switching element is activated.

Aus der DE 10 2017 106 158 A1 ist ein Thermostat zur Strömungsregulierung bekannt, der ein Thermostatgehäuse mit einer Ventilkammer sowie einen Eingang und einen Ausgang, die mit der Ventilkammer verbunden sind, umfasst. An dem Thermostat ist ferner ein aktivierbarer Aktor mit einem Formgedächtnis-Arbeitselement bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer thermischen Aktivierung durch eine elektrische Leistungsquelle, eine graduelle Öffnungsposition des Ventilschließkörpers, unabhängig von einer Einstellung des passiven Aktors, zu erhöhen, oder ein Schließen und Öffnen eines Ventils, in einem am Thermostatkörper ausgebildeten Bypasses zu der Ventilkammer, einzustellen.From the EN 10 2017 106 158 A1 A thermostat for flow regulation is known, which comprises a thermostat housing with a valve chamber and an inlet and an outlet that are connected to the valve chamber. The thermostat is also provided with an activatable actuator with a shape memory working element, which is designed to increase a gradual opening position of the valve closing body, independently of a setting of the passive actuator, depending on a thermal activation by an electrical power source, or to adjust a closing and opening of a valve in a bypass to the valve chamber formed on the thermostat body.

Und auch bekannt aus der DE 10 2005 059 605 A1 ist eine Vorrichtung zum Verstellen einer Kraftfahrzeugkomponente, mit mindestens einem Aktorelement, welches ein Formgedächtnismaterial aufweist, und mit mindestens einer Stromversorgungseinrichtung, welche für eine Bestromung des mindestens einen Aktorelementes in Abhängigkeit einer gewünschten Formänderung desselben ansteuerbar ist.And also known from the EN 10 2005 059 605 A1 is a device for adjusting a motor vehicle component, with at least one actuator element which has a shape memory material, and with at least one power supply device which can be controlled to supply current to the at least one actuator element depending on a desired change in shape of the same.

Nachteilig aus dem Stand der Technik ist, dass bekannte Gelenke, Aktoren und Dämpfungssysteme mit oder ohne Formgedächtnislegierungen aus mehreren Bauteilen bestehen, die mit hohem Aufwand und Kosten zu einem Bauelement zusammengefügt werden müssen.A disadvantage of the state of the art is that known joints, actuators and damping systems with or without shape memory alloys consist of several components that have to be assembled into a single component with great effort and expense.

Zudem ist nachteilig, dass zusammengesetzte Bauelemente aufgrund ihrer Mehrteiligkeit Funktionsfehler aufweisen können und somit die gesamte Baugruppe versagensanfälliger ist. Zudem können mehrteilige Bauelemente nicht beliebig miniaturisiert werden.Another disadvantage is that assembled components can have functional errors due to their multi-part structure, making the entire assembly more susceptible to failure. In addition, multi-part components cannot be miniaturized at will.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Bauelementes und eines Verfahrens zu Herstellung eines Bauelementes, mit dem die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.The object of the present invention is to provide a component and a method for producing a component with which the disadvantages of the prior art are eliminated.

Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung miteinschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The object is achieved by the invention specified in the patent claims. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims, whereby the invention also includes combinations of the individual dependent patent claims in the sense of an AND connection, as long as they do not exclude each other.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von einteiligen Gelenken, Aktoren, Sensoren, Hub- und Verstellelementen, Stellgliedern in Regelkreisen oder Federpaketen in Dämpfungssystemen aus mindestens einem Formgedächtnismaterial gelöst, bei dem mittels additivem Fertigungsverfahren eine erste Schicht eines als Pulver vorliegenden Formgedächtnismaterials ausgebildet und verfestigt wird, nachfolgend die erste Schicht pseudoplastisch verformt wird, anschließend eine zweite Schicht eines Formgedächtnismaterials auf der ersten Schicht angeordnet wird, und nachfolgend die erste und die zweite Schicht mindestens im Bereich der zueinander angeordneten Grenzflächen der Schichten aufgeschmolzen und die erste und zweite Schicht im Wesentlichen grenzflächenfrei stoffschlüssig verbunden werden, wobei weitere Schichten mittels additivem Fertigungsverfahren aufgebracht werden können, wobei mindestens ein lokaler Bereich der zweiten Schicht des Formgedächtnismaterials unterhalb der Liquidustemperatur mittels einer Wärmequelle thermisch behandelt wird, wobei durch die thermische Behandlung in dem lokalen Bereich durch das Bilden von Martensit oder Austenit mit Phasenausscheidungen die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden.According to the invention, the object is achieved by a method for producing one-piece joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems from at least one shape memory material, in which a first layer of a shape memory material in powder form is formed and solidified by means of an additive manufacturing process, the first layer is subsequently pseudoplastically deformed, a second layer of a shape memory material is then arranged on the first layer, and the first and second layers are subsequently melted at least in the region of the mutually arranged interfaces of the layers and the first and second layers are bonded in a materially bonded manner essentially without interfaces, wherein further layers can be applied by means of an additive manufacturing process, wherein at least one local region of the second layer of the shape memory material is thermally treated below the liquidus temperature by means of a heat source, wherein the thermal treatment in the local region deactivates the shape memory properties by forming martensite or austenite with phase precipitations.

Vorteilhafterweise wird ein thermisch, mechanisch und/oder magnetisch anregbares Formgedächtnismaterial eingesetzt.Advantageously, a thermally, mechanically and/or magnetically excitable shape memory material is used.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, besonders vorteilhaft CuNiAl-, CuZnAl- oder CuNiAlZr-basierte Legierungen, eingesetzt.Also advantageously, Cu-based alloys, particularly CuNiAl-, CuZnAl- or CuNiAlZr-based alloys, are used as shape memory materials.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mindestens zwei weitere Schichten eines oder mehrerer Formgedächtnismaterialien mittels additivem Fertigungsverfahren auf der ersten Schicht aus Formgedächtnismaterial angeordnet werden.It is further advantageous if at least two further layers of one or more shape memory materials are arranged on the first layer of shape memory material by means of an additive manufacturing process.

Und auch vorteilhafterweise ist es, wenn während des additiven Fertigungsverfahrens eine der weiteren Schichten eines Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle vollständig thermisch behandelt wird.It is also advantageous if, during the additive manufacturing process, one of the further layers of a shape memory material is completely thermally treated using a heat source.

Vorteilhafterweise werden als additives Fertigungsverfahren das Laserauftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen und/oder das Laser-Strahlschmelzen eingesetzt.Laser cladding, electron beam welding and/or laser beam melting are advantageously used as additive manufacturing processes.

In einer vorteilhaften Ausführung wird die thermische Behandlung mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, Elektronenstrahlung und/oder Röntgenstrahlung realisiert.In an advantageous embodiment, the thermal treatment is carried out by means of electromagnetic radiation, in particular by means of laser radiation, electron radiation and/or X-rays.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial, besonders vorteilhaft ein oder mehrere Isolationsmaterialien oder elektrisch leitende Materialien, angeordnet werden.It is particularly advantageous if a non-shape memory material, particularly advantageously one or more insulating materials or electrically conductive materials, are arranged in certain areas.

Die Aufgabe wird zudem mit einem einteiligen Bauelement gelöst, das ein oder mehrere Formgedächtnismaterialien aufweist, wobei das eine oder die mehreren Formgedächtnismaterialien mindestens einen lokalen Bereich aufweisen, bei dem die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert sind.The object is also achieved with a one-piece component having one or more shape memory materials, wherein the one or more shape memory materials have at least one local region in which the shape memory properties are deactivated.

Besonders vorteilhaft sind als Formgedächtnismaterial CuNiAl-, CuZnAl- oder CuNiAlZr-basierte Legierungen vorhanden.CuNiAl-, CuZnAl- or CuNiAlZr-based alloys are particularly advantageous as shape memory materials.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des einteiligen Bauelementes ist bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial vorhanden, wobei besonders vorteilhaft das Nicht-Formgedächtnismaterial eine Isolationsschicht oder Heizschicht ist.In an advantageous embodiment of the one-piece component, a non-shape memory material is present in some areas, wherein the non-shape memory material is particularly advantageously an insulating layer or heating layer.

Vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl und/oder die Volumina der lokalen Bereiche mit deaktiven Formgedächtniseigenschaften gradiert über die Höhe und/oder Breite des Bauelementes ausgebildet ist.It is advantageous if the number and/or volumes of the local regions with deactive shape memory properties are graded over the height and/or width of the component.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Formgedächtnismaterial derart ausgebildet ist, dass mehrere Schichten mit wechselnden deaktiven und aktiven Formgedächtniseigenschaften vorhanden sind.It is also advantageous if the shape memory material is designed in such a way that several layers with alternating deactive and active shape memory properties are present.

In einer vorteilhaften Ausführung ist das einteilige Bauelement ein- oder mehrgliedrig ausgebildet.In an advantageous embodiment, the one-piece component is designed as a single or multi-part component.

Mit der vorliegenden Erfindung werden erstmalig Bauelemente in Form von Gelenken, Aktoren, Sensoren, Hub- und Verstellelementen, Stellgliedern in Regelkreisen oder Federpaketen in Dämpfungssystemen bereitgestellt, die einteilig ausgebildet sind, aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialien bestehen und in einem Prozessschritt hergestellt werden.The present invention provides for the first time components in the form of joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems, which are formed in one piece, consist of one or more shape memory materials and are manufactured in one process step.

Erreicht wird dies durch ein additives Fertigungsverfahren, bei dem das Bauelement aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialen und schichtweise aufgebaut und hergestellt wird.This is achieved through an additive manufacturing process in which the component is constructed and manufactured layer by layer from one or more shape memory materials.

Im Rahmen der Erfindung soll unter einem Bauelement eine Komponente verstanden werden, die in einem System, einer Schaltung oder in einer Vorrichtung integriert sein kann.In the context of the invention, a component is to be understood as a component that can be integrated into a system, a circuit or a device.

Unter einem einteiligen Bauelement soll im Rahmen der Erfindung ein Bauelement verstanden werden, das nur aus einer Komponente oder Bauteil zusammengesetzt ist, wobei das einteilige Bauelement eingliedrig oder mehrgliedrig ausgebildet ist.In the context of the invention, a one-piece component is to be understood as a component that is composed of only one component or part, wherein the one-piece component is designed as a single-part or multi-part component.

Das additiv gefertigte Bauelement aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialen wird derart realisiert, dass ein Pulver aus einer Formgedächtnislegierung auf einer Bauplattform angeordnet und verfestigt wird, nachfolgend die erste Schicht pseudoplastisch verformt wird, nachfolgend die Bauplattform um eine definierte Schichtdicke abgesenkt und erneut mit einer Schicht eines Formgedächtnismaterials beschichtet wird.The additively manufactured component made of one or more shape memory materials is realized in such a way that a powder made of a shape memory alloy is arranged on a construction platform and solidified, the first layer is then pseudoplastically deformed, the construction platform is then lowered by a defined layer thickness and coated again with a layer of a shape memory material.

Die durch den Schichtaufbau entstehenden Grenzflächen werden aufgeschmolzen und die aufeinanderliegenden Schichten dadurch stoffschlüssig und im Wesentlichen grenzflächenfrei verbunden. Dieser additive und schichtweise Aufbau des Bauelementes wird kontinuierlich weitergeführt, bis das gewünschte Bauteil mit den gewünschten Abmessungen und Konturen fertiggestellt ist.The interfaces created by the layer structure are melted and the layers lying on top of each other are bonded together in a material-tight manner and essentially without interfaces. This additive and layer-by-layer construction of the component is continued continuously until the desired component with the desired dimensions and contours is completed.

Das erfindungsgemäß eingesetzte additive Fertigungsverfahren ermöglicht so beispielweise ganze Federpakete in einem Prozessschritt zu fertigen. Ein nachfolgendes zeit- und kostenintensives Zusammensetzen einzelner Bauteile zu einem Bauelement entfällt ebenso wie das Auftreten von Grenzflächen innerhalb eines Bauelementes, wie es beispielsweise bei der ex-situ Kombination eines Formgedächtnismaterials mit einem konventionellen Metall der Fall ist.The additive manufacturing process used according to the invention makes it possible, for example, to manufacture entire spring packages in one process step. The subsequent time-consuming and costly assembly of individual components into a component is eliminated, as is the occurrence of interfaces within a component, as is the case, for example, with the ex-situ combination of a shape memory material with a conventional metal.

Nach jeder Schichtanordnung und stoffschlüssigen Verbindung oder auch nach Fertigstellung mehrerer Schichten wird mittels einer Wärmequelle das Formgedächtnismaterial mindestens in einem lokalen Bereich thermisch behandelt, wobei durch die thermische Behandlung die Formgedächtniseigenschaften in dem thermisch behandelten lokalen Bereich deaktiviert werden.After each layer arrangement and material bond or after completion of several layers, the shape memory material is thermally treated at least in one local area using a heat source, whereby the thermal treatment deactivates the shape memory properties in the thermally treated local area.

Durch die zusätzliche thermische Behandlung lokaler Bereiche des Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle wird das Gefüge des Formgedächtnismaterials gezielt manipuliert und eingestellt. Durch die thermische Behandlung mit einer Wärmequelle entstehen im Gefüge unterschiedliche Phasen mit spezieller Morphologie, bei denen die Formgedächtniseigenschaften gezielt unterdrückt und deaktiviert sind.Through the additional thermal treatment of local areas of the shape memory material using a heat source, the structure of the shape memory material is specifically manipulated and adjusted. The thermal treatment with a heat source creates different phases with a special morphology in the structure, in which the shape memory properties are specifically suppressed and deactivated.

Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die thermische Behandlung des Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle stets unterhalb der Liquidustemperatur durchgeführt wird. Durch die thermische Behandlung der Formgedächtnismaterialien unterhalb der Liquidustemperatur wird erreicht, dass Phasenausscheidungen an den Korngrenzen des Austenits beziehungsweise Martensits entstehen, die bewirken, dass die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden und sind.It is particularly important that the thermal treatment of the shape memory material using a heat source is always carried out below the liquidus temperature. The thermal treatment of the shape memory materials below the liquidus temperature results in phase precipitations at the grain boundaries of the austenite or martensite, which cause the shape memory properties to be deactivated.

Am Beispiel einer CuNiAlZr-basierten Formgedächtnislegierung soll dieser technische Effekt und die technische Wirkung der Erfindung näher erläutert werden.This technical effect and the technical effect of the invention will be explained in more detail using the example of a CuNiAlZr-based shape memory alloy.

Eine erste Schicht, - weiter als erster Schichtbestandteil bezeichnet - einer CuNiAlZr-basierten Formgedächtnislegierung wird ohne thermische Behandlung durch eine Wärmequelle angeordnet. Dieser erste Schichtbestandteil der CuNiAlZr-basierten Formgedächtnislegierung besteht fast ausschließlich aus Martensit mit gelöstem Zr und fein verteilten sub-µm-großen Y-Phasenausscheidungen. Der erste Schichtbestandteil dieser Formgedächtnislegierung kann während einer Erhitzung martensitisch umwandeln. Das Formgedächtnismaterial des ersten Schichtbestandteiles wird zuerst pseudoplastisch verformt. Auf dem ersten Schichtbestanteil wird anschließend eine zweite Schicht - weiter als zweiter Schichtbestandteil bezeichnet - derselben Formgedächtnislegierung mittels additivem Fertigungsverfahrens angeordnet und der zweite Schichtbestandteil mittels Wärmequelle in lokalen Bereichen des Gefüges thermisch behandelt. Das Gefüge des zweiten Schichtbestandteiles besteht nach der thermischen Behandlung entweder aus einer martensitischen oder auch austenitischen Matrix mit vergröberten Y-Phasenausscheidungen, aufgrund dessen der zweite Schichtbestandteil der Formgedächtnislegierung keine martensitische Umwandlung zeigt beziehungsweise keine Formgedächtniseigenschaften mehr aufweist. Eine typische Phasenausscheidung bei Verwendung einer CuNiAlZr-basierten Formgedächtnislegierung ist eine Heusler-Cu2ZrAl-Phase (Y-Phase).A first layer - hereinafter referred to as the first layer component - of a CuNiAlZr-based shape memory alloy is arranged without thermal treatment by a heat source. This first layer component of the CuNiAlZr-based shape memory alloy consists almost exclusively of martensite with dissolved Zr and finely distributed sub-µm-sized Y-phase precipitates. The first layer component of this shape memory alloy can transform into martensitic material during heating. The shape memory material of the first layer component is first pseudoplastically deformed. A second layer - hereinafter referred to as the second layer component - of the same shape memory alloy is then arranged on the first layer component using an additive manufacturing process and the second layer component is thermally treated in local areas of the structure using a heat source. After thermal treatment, the structure of the second layer component consists of either a martensitic or austenitic matrix with coarsened Y-phase precipitations, as a result of which the second layer component of the shape memory alloy does not show any martensitic transformation or no longer has any shape memory properties. A typical phase precipitation when using a CuNiAlZr-based shape memory alloy is a Heusler-Cu 2 ZrAl phase (Y phase).

Ein anschließendes Erhitzen des so hergestellten Bauelementes bis über die Austenit-EndTemperatur Af, beispielsweise mittels eines Stromimpulses, führt zur Phasenumwandlung des pseudoplastisch verformten Martensits in Austenit. Dabei geht der erste Schichtbestandteil aufgrund seiner aktiven Formgedächtniseigenschaften in seine Ursprungsform durch Formänderung zurück. Der zweite Schichtbestandteil mit den vergröberten Y-Phasenausscheidungen wird während der Formänderung lediglich elastisch mit verformt. Dabei wird Energie gespeichert und der vorher unverformte zweite Schichtbestandteil wird analog einer Feder vorgespannt.Subsequent heating of the component produced in this way above the austenite end temperature A f , for example by means of a current pulse, leads to a phase transformation of the pseudoplastically deformed martensite into austenite. The first layer component returns to its original shape through deformation due to its active shape memory properties. The second layer component with the coarsened Y-phase precipitates is only elastically deformed during the deformation. Energy is stored and the previously undeformed second layer component is pre-stressed like a spring.

Danach erfolgt eine Abkühlung bis unterhalb der Mf-Temperatur. Der nicht vorgespannte austenitische zweite Schichtbestandteil mit gleichmäßig fein verteilter sub-µm-großen Y-Phasenausscheidungen geht ab der Martensit-Start-Temperatur Ms-Temperatur in Martensit über. Dieser besitzt eine deutlich geringere Streck-, Stauch- bzw. Biegegrenze als der elastisch vorgespannte Austenit, der aufgrund der grob ausgeschiedenen Y-Phasenausscheidung keine reversible martensitische Umwandlung während des Abkühlens zeigt. Folglich entlastet dieser und verformt dabei gleichzeitig den martensitischen Bestandteil pseudoplastisch. Erneutes Erhitzen dieses Bauteils auf Temperaturen oberhalb Af führt zur Formänderung und wieder elastischen Vorspannung des nicht umgewandelten Bestandteils.This is followed by cooling to below the M f temperature. The non-prestressed austenitic second layer component with evenly finely distributed sub-µm-sized Y-phase precipitates changes into martensite from the martensite start temperature M s temperature. This has a significantly lower yield, compression or bending limit than the elastically prestressed austenite, which does not show any reversible martensitic transformation during cooling due to the coarsely precipitated Y-phase precipitate. As a result, this relieves the load and at the same time pseudoplastically deforms the martensitic component. Reheating this component to temperatures above A f leads to a change in shape and elastic prestressing of the non-converted component.

Das beschriebene Erhitzen und Abkühlen wird als Zyklus eines Zwei-Wege-Effekts bezeichnet und kann beliebig oft wiederholt werden. Die Formänderung und somit das Bewegungsausmaß beispielsweise eines Aktors oder eines Federpaketes aus mehreren Schichten von aktivem und deaktivem Formgedächtnismaterial kann dabei genau gesteuert werden, da das Volumen der einzelnen lokalen Bereiche des Bauelementes aus Formgedächtnismaterial exakt mittels der additiven Fertigung eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht zudem darin, dass das Bewegungsausmaß des Bauelementes durch die Aneinanderreihung mehrerer Schichten aus Formgedächtnismaterial mit lokalen Bereichen mit deaktiviertem Formgedächtnis-Effekt erhöht werden kann.The heating and cooling described is referred to as a cycle of a two-way effect and can be repeated as often as desired. The change in shape and thus the extent of movement of, for example, an actuator or a spring assembly made of several layers of active and deactive shape memory material can be precisely controlled, since the volume of the individual local areas of the component made of shape memory material can be precisely adjusted using additive manufacturing. Another advantage is that the extent of movement of the component can be increased by arranging several layers of shape memory material with local areas with a deactivated shape memory effect.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, insbesondere CuNiAl-, CuZnAl- und/oder CuNiAlZr-basierte Legierungen eingesetzt werden. Cu-basierte Formgedächtnislegierungen mit Einsatztemperaturen von über 100 °C werden als Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen klassifiziert und sind verglichen mit TiNibasierten Formgedächtnislegierungen kostengünstiger.It is particularly advantageous if Cu-based alloys, in particular CuNiAl-, CuZnAl- and/or CuNiAlZr-based alloys, are used as shape memory material. Cu-based shape memory alloys with operating temperatures of over 100 °C are classified as high-temperature shape memory alloys and are more cost-effective than TiNi-based shape memory alloys.

Der Einsatz von Cu-basierten Formgedächtnislegierungen in Verbindung mit einem additiven Fertigungsverfahren führt vorteilhafterweise zur Ausbildung von feinkörnigen Gefügen, wodurch ein sprödes Versagen des einteiligen Bauelementes verhindert wird. Die bevorzugt verwendeten Formgedächtnislegierungen ermöglichen zudem im Zusammenwirken mit den additiven Fertigungsverfahren, die Abkühlrate zu kontrollieren und somit die Korngrößenverteilung des Gefüges gezielt einzustellen, um so die gewünschten Materialeigenschaften des Bauelementes zu erhalten.The use of Cu-based shape memory alloys in conjunction with an additive manufacturing process advantageously leads to the formation of fine-grained structures, which prevents brittle failure of the one-piece component. The shape memory alloys that are preferably used also make it possible, in conjunction with the additive manufacturing processes, to control the cooling rate and thus specifically adjust the grain size distribution of the structure in order to obtain the desired material properties of the component.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eine weitere Schicht des Formgedächtnismaterials vollständig mittels Wärmequelle thermisch behandelt. Mit einer vollständigen thermischen Behandlung einer Schicht kann insbesondere ein eingliedriger Aktor oder auch ein Federpakt hergestellt werden, dass auch wechselseitig angeordneten Schichten aus deaktivem und aktivem Formgedächtnismaterial besteht.In a further advantageous embodiment of the method, at least one further layer of the shape memory material is completely thermally treated using a heat source. With a complete thermal treatment of a layer, in particular a single-part actuator or a spring package can be produced that also consists of alternating layers of deactive and active shape memory material.

Vorteilhaft ist auch, wenn als additives Fertigungsverfahren das Laserauftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen und/oder das Laser-Strahlschmelzen eingesetzt wird. Diese vorteilhaften Fertigungsverfahren ermöglichen in vorteilhafter Weise einen definierten Energieeintrag in die jeweilige Schicht, wodurch das Gefüge des Formgedächtnismaterials gezielt variiert und eingestellt werden kann. Zudem lassen sich mit diesen Verfahren besonders kleine und filigrane einteilige Bauelemente in nur einem Prozessschritt herstellen, wodurch Kosten und Zeit bei der Herstellung des Bauelementes gespart werden und Bauelemente im µm- bis cm-Bereich hergestellt werden können.It is also advantageous if laser deposition welding, electron beam welding and/or laser beam melting are used as additive manufacturing processes. These advantageous manufacturing processes advantageously enable a defined energy input into the respective layer, whereby the structure of the shape memory material can be varied and adjusted in a targeted manner. In addition, these processes can be used to produce particularly small and delicate one-piece components in just one process step, which saves costs and time in the production of the component and enables components to be produced in the µm to cm range.

Die zusätzliche thermische Behandlung lokaler Bereiche des Formgedächtnismaterials mittels einer Wärmequelle erfolgt vorteilhafter durch einen Laser. Der Einsatz eines Lasers als Wärmequelle bietet den Vorteil, dass gezielt und genau nur definierte lokale Bereiche des Formgedächtnismaterials erreicht und thermisch behandelt werden, wodurch eine örtlich begrenzte Deaktivierung der Formgedächtniseigenschaften erreicht wird. Dadurch lassen sich die Umwandlungseigenschaften des Formgedächtnismaterials auf die jeweiligen Anforderungen an das Einsatzgebiet individuell einstellen und definierte lokale Bereiche des Bauelementes entsprechend den Anwendungsanforderungen konkret funktionalisieren.The additional thermal treatment of local areas of the shape memory material using a heat source is best carried out using a laser. The use of a laser as a heat source offers the advantage that only defined local areas of the shape memory material are targeted and thermally treated, thereby achieving a localized deactivation of the shape memory properties. This allows the conversion properties of the shape memory material to be individually adjusted to the respective requirements of the application area and defined local areas of the component to be specifically functionalized in accordance with the application requirements.

Erfindungsgemäß werden erstmals einteilige Bauelemente bereitgestellt, die aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialien bestehen. Die einteiligen Bauelemente weisen dabei mindestens einen lokalen Bereich im Gefüge auf, in dem die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert sind.According to the invention, one-piece components are provided for the first time that consist of one or more shape memory materials. The one-piece components have at least one local region in the structure in which the shape memory properties are deactivated.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen einteiligen Bauelemente aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialien besteht darin, dass durch die einteilige Gestaltung des Bauelementes aus Formgedächtnismaterial und die funktionalisierten lokalen Bereiche mit deaktivierten Formgedächtniseigenschaften eine wesentlich verbesserte Standzeit des Bauelementes erreicht wird. Fügestellen mehrerer Komponenten, wie sie bei mehrteiligen Bauelementen notwendigerweise vorhanden sind, sind erfindungsgemäß nicht vorhanden.The advantage of the one-piece components according to the invention made of one or more shape memory materials is that the one-piece design of the component made of shape memory material and the functionalized local areas with deactivated shape memory properties result in a significantly improved service life of the component. Joints of several Components such as are necessarily present in multi-part components are not present according to the invention.

Zudem besteht ein weiterer Vorteil des einteilig ausgeführten Bauelementes darin, dass bei einem beispielsweise aus einem Federpaket bestehenden Bauelement das Dämpfungsvermögen durch die Anzahl, das Ausmaß, Anordnung sowie Anzahl an pseudo- und nur elastischen Federn aus Formgedächtnismaterial erstmals gezielt durch die Ausbildung der lokalen Bereiche mit deaktiven Formgedächtniseigenschaften eingestellt werden kann. Das gesamte Federpaket zeigt somit definierte Dämpfungseigenschaften.Another advantage of the one-piece component is that, for example, in a component consisting of a spring package, the damping capacity can be specifically adjusted for the first time by the number, extent, arrangement and number of pseudo-elastic and purely elastic springs made of shape memory material by forming local areas with deactive shape memory properties. The entire spring package therefore has defined damping properties.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann mittels dem erfindungsgemäßen additivem Fertigungsverfahren auf dem Bauelement und/oder innerhalb des Bauelementes bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial angeordnet werden. Dabei kann das Nicht-Formgedächtnismaterial aus einem isolierenden Material sein und als Isolationsschicht gegen einen thermischen Eintrag in das angrenzende Formgedächtnismaterial dienen.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a non-shape memory material can be arranged on the component and/or within the component in some areas using the additive manufacturing method according to the invention. The non-shape memory material can be made of an insulating material and can serve as an insulating layer against thermal ingress into the adjacent shape memory material.

Möglich ist aber auch, dass das Nicht-Formgedächtnismaterial aus einem elektrisch leitenden Material besteht und als Heizschicht für die angrenzenden Formgedächtnismaterialien dient, um beispielsweise nur im Grenzbereich zwischen elektrisch leitendem Material und Formgedächtnismaterialien eine Deaktivierung der Formgedächtniseigenschaften durch thermische Behandlung zu erreichen.However, it is also possible that the non-shape memory material consists of an electrically conductive material and serves as a heating layer for the adjacent shape memory materials in order, for example, to achieve deactivation of the shape memory properties by thermal treatment only in the boundary area between electrically conductive material and shape memory materials.

In einer besonderen Ausführung des einteiligen Bauelementes können durch ein intelligentes Maßschneidern des Gefüges Aktoren und Dämpfungssysteme mit gradiertem Gefüge oder scharfen Grenzflächen vorliegen. Dabei kann das Gefüge gezielt auf einer sub-µm-Größenordnung eingestellt werden. Das Gefüge kann somit hinsichtlich Korngröße, Phasenvolumenanteile und/oder Phasenmorphologie definiert modifiziert und gradiert vorliegen.In a special version of the one-piece component, actuators and damping systems with a graded structure or sharp interfaces can be produced by intelligently tailoring the structure. The structure can be specifically adjusted to a sub-µm size. The structure can thus be modified and graded in a defined manner with regard to grain size, phase volume fractions and/or phase morphology.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, Gelenke, Aktoren und Dämpfungssysteme in einem breiten Größenspektrum im µm-Bereich bis cm-Bereich zu erzeugen. Somit können erstmals einteilige Miniatur-Gelenke, -Aktoren, und - Dämpfungssysteme in µm-Größe, komplexer Struktur und mit spezieller geometrischer Ausbildung bei hoher Flexibilität bereitgestellt werden.The solution according to the invention makes it possible to produce joints, actuators and damping systems in a wide range of sizes in the µm range to the cm range. This means that for the first time, one-piece miniature joints, actuators and damping systems in µm size, with a complex structure and special geometric design can be provided with high flexibility.

Die erfindungsgemäßen einteiligen Bauelemente können beispielsweise als hocheffiziente Miniatur-Aktoren, Gelenke oder Federn in fortgeschrittenen Operationsrobotern, die beispielsweise für die Neuromedizin verwendet werden, eingesetzt werden.The one-piece components according to the invention can be used, for example, as highly efficient miniature actuators, joints or springs in advanced surgical robots, which are used, for example, for neuromedicine.

Der technische Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht zusammenfassend darin, dass Bauelemente aus Formgedächtnismaterial bereitgestellt werden, die

  • - sehr einfach und kostengünstig durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt werden,
  • - in einem Fertigungsprozess herstellbar sind, wodurch ein nachträgliches Zusammenfügen von einzelnen Bauteilen zu einem Bauelement entfällt,
  • - besonders filigran und klein ausbildbar sind, sodass Bauelemente im µm-Bereich, bis cm-Bereich bereitgestellt werden können,
  • - besonders leicht und leise in der Anwendung sind,
  • - einfach konstruiert und modelliert werden können,
  • - eine hohe Arbeitsleistung pro Volumen bei hoher Standzeit aufweisen,
  • - eine besonders kurze Reaktionszeit aufweisen,
  • - durch die thermische Behandlung lokaler Bereiche des Formgedächtnismaterials mit einer Wärmequelle individuell funktionalisiert und auf die zukünftige Anwendung angepasst werden können.
In summary, the technical advantage of the solution according to the invention is that components made of shape memory material are provided which
  • - can be manufactured very easily and cost-effectively using an additive manufacturing process,
  • - can be manufactured in one production process, which eliminates the need for subsequent assembly of individual components to form a component,
  • - can be made particularly delicate and small, so that components in the µm range up to cm range can be provided,
  • - are particularly easy and quiet to use,
  • - can be easily constructed and modelled,
  • - have a high performance per volume with a long service life,
  • - have a particularly short reaction time,
  • - can be individually functionalized and adapted to future applications by thermally treating local areas of the shape memory material with a heat source.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an embodiment.

AusführungsbeispielExample

Aus gasverdüstem Pulver (Cu-11.35Al-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) mit einer Partikelgröße von 30 µm bis 76 µm wird mittels einer Selektiven-Laserschmelz-Anlage (SLM 250HL, 400 W:YAG Laser) ein quaderförmiges Bauelement mit den Abmaßen 1.0 mm × 0.5mm × 1.0mm (b × h × l) gefertigt. Das quaderförmige Bauelement besteht aus zwei Schichten mit gleicher Zusammensetzung aber unterschiedlichem Gefüge, das entlang der Höhe variiert. Dasjenige Volumen des Bauelementes, das martensitisch umwandeln kann, wird mit einer Pulverschichtdicke, SD, von 80 µm, Laserleistung, P, von 300 W, Scangeschwindigkeit, SV, von 800 mm/s und einem Schraffurabstand, SA von 50% hergestellt. Nachdem der erstarrte Abschnitt 270 µm hoch ist, wird er pseudoplastisch bis zu einer Dehnung von 8% verformt. Anschließend werden weitere Schichten eines Pulvers aus (Cu-11.35Al-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) aufgebracht, bis eine Gesamthöhe des Bauelementes von 500 µm erreicht ist. Dabei wird jede weitere erstarrte Schicht zusätzlich zweimal mit einem Laser mit folgenden Parametern nachbelichtet: P = 150 W, SV = 800 mm/s und SA = 50%.A cuboid-shaped component with dimensions of 1.0 mm × 0.5 mm × 1.0 mm (w × h × l) is manufactured from gas-atomized powder (Cu-11.35Al-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) with a particle size of 30 µm to 76 µm using a selective laser melting system (SLM 250 HL , 400 W:YAG laser). The cuboid-shaped component consists of two layers with the same composition but different microstructures that vary along the height. The volume of the component that can undergo martensitic transformation is manufactured with a powder layer thickness, S D , of 80 µm, laser power, P, of 300 W, scanning speed, S V , of 800 mm/s and a hatching distance, S A , of 50%. After the solidified section is 270 µm high, it is pseudoplastically deformed to an elongation of 8%. Subsequently, further layers of a powder made of (Cu-11.35Al-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) are applied until the total height of the component is 500 µm. Each additional solidified layer is additionally post-exposed twice with a laser with the following parameters: P = 150 W, S V = 800 mm/s and S A = 50%.

Das additiv gefertigte Bauelement in Form eines einteiligen Aktors wird nun mittels eines Stromimpulses (Rechtecksignal, Stromstärke von 1 A und Impulsdauer von 500 ms) auf eine Temperatur oberhalb von AF erhitzt. Dabei findet eine Formänderung statt, sodass der einteilige Aktor durchgestreckt wird und als gerades Bauelement vorliegt. Nachdem der Stromimpuls diesen einteiligen Aktor passiert hat, nimmt dessen Temperatur ab und das Bauelement biegt sich ab der MS-Temperatur wieder in die ursprüngliche Form zurück. Die Durchbiegung ist unterhalb von MF abgeschlossen. Der beschriebene Aktor kann in einem medizinischen Gerät eingesetzt werden.The additively manufactured component in the form of a one-piece actuator is then heated to a temperature above A F using a current pulse (square wave signal, current of 1 A and pulse duration of 500 ms). This causes a change in shape so that the one-piece actuator is stretched and is present as a straight component. After the current pulse has passed through this one-piece actuator, its temperature decreases and the component bends back to its original shape from the M S temperature. The bending is complete below M F. The actuator described can be used in a medical device.

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung von einteiligen Gelenken, Aktoren, Sensoren, Hub- und Verstellelementen, Stellgliedern in Regelkreisen oder Federpaketen in Dämpfungssystemen aus mindestens einem Formgedächtnismaterial, bei dem mittels additivem Fertigungsverfahren eine erste Schicht eines als Pulver vorliegenden Formgedächtnismaterials ausgebildet und verfestigt wird, nachfolgend die erste Schicht pseudoplastisch verformt wird, anschließend eine zweite Schicht eines als Pulver vorliegenden Formgedächtnismaterials auf der ersten Schicht angeordnet wird, und nachfolgend die erste und die zweite Schicht mindestens im Bereich der zueinander angeordneten Grenzflächen der Schichten aufgeschmolzen und die erste und zweite Schicht im Wesentlichen grenzflächenfrei stoffschlüssig verbunden werden, wobei weitere Schichten mittels additivem Fertigungsverfahren aufgebracht werden können, wobei mindestens ein lokaler Bereich der zweiten Schicht des Formgedächtnismaterials unterhalb der Liquidustemperatur mittels einer Wärmequelle thermisch behandelt wird, wobei durch die thermische Behandlung in dem lokalen Bereich durch das Bilden von Martensit oder Austenit mit Phasenausscheidungen die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden.Method for producing one-piece joints, actuators, sensors, lifting and adjusting elements, actuators in control circuits or spring assemblies in damping systems from at least one shape memory material, in which a first layer of a shape memory material in powder form is formed and solidified by means of an additive manufacturing process, the first layer is subsequently pseudoplastically deformed, a second layer of a shape memory material in powder form is then arranged on the first layer, and the first and second layers are subsequently melted at least in the region of the mutually arranged interfaces of the layers and the first and second layers are bonded in a materially bonded manner essentially without interfaces, wherein further layers can be applied by means of an additive manufacturing process, wherein at least one local region of the second layer of the shape memory material is thermally treated below the liquidus temperature by means of a heat source, wherein the thermal treatment in the local region deactivates the shape memory properties by forming martensite or austenite with phase precipitations. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem weitere Schichten aus Formgedächtnismaterial aufgebracht werden.Procedure according to Claim 1 , in which additional layers of shape memory material are applied. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein thermisch, mechanisch und/oder magnetisch anregbares Formgedächtnismaterial eingesetzt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , in which a thermally, mechanically and/or magnetically excitable shape memory material is used. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, besonders vorteilhaft CuNiAl-, CuZnAl- oder CuNiAlZr-basierte Legierungen eingesetzt werden.Method according to at least one of the preceding claims, in which Cu-based alloys, particularly advantageously CuNiAl-, CuZnAl- or CuNiAlZr-based alloys, are used as shape memory material. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens zwei weitere Schichten eines oder mehrerer Formgedächtnismaterialien mittels additivem Fertigungsverfahren auf der ersten Schicht aus Formgedächtnismaterial angeordnet werden.Method according to at least one of the preceding claims, in which at least two further layers of one or more shape memory materials are arranged on the first layer of shape memory material by means of an additive manufacturing process. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des additiven Fertigungsverfahrens als lokaler Bereich eine der weiteren Schichten eines Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle vollständig thermisch behandelt wird.Method according to at least one of the preceding claims, in which during the additive manufacturing process one of the further layers of a shape memory material is completely thermally treated as a local region by means of a heat source. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als additives Fertigungsverfahren das Laserauftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen und/oder das Laser-Strahlschmelzen eingesetzt werden.Method according to at least one of the preceding claims, in which laser cladding, electron beam welding and/or laser beam melting are used as the additive manufacturing method. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die thermische Behandlung mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, Elektronenstrahlung und/oder Röntgenstrahlung realisiert wird.Method according to at least one of the preceding claims, in which the thermal treatment is carried out by means of electromagnetic radiation, in particular by means of laser radiation, electron radiation and/or X-rays. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial, besonders vorteilhaft ein oder mehrere Isolationsmaterialien oder elektrisch leitende Materialien, angeordnet werden.Method according to at least one of the preceding claims, in which a non-shape memory material, particularly advantageously one or more insulating materials or electrically conductive materials, are arranged in regions. Einteiliges Gelenk, Aktor, Sensor, Hub- und Verstellelement, Stellglied in Regelkreisen oder Federpaket in Dämpfungssystemen hergestellt nach dem Verfahren mindestens eines der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend mindestens eine erste und eine zweite Schicht, die aus einem Pulver eines Formgedächtnismaterials hergestellt ist, wobei die erste Schicht pseudoplastisch verformt ist und die zweite Schicht des Formgedächtnismaterials mindestens einen lokalen Bereich aufweist, bei dem durch den gebildeten Martensit oder Austenit mit Phasenausscheidungen die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert sind.One-piece joint, actuator, sensor, lifting and adjusting element, actuator in control circuits or spring assembly in damping systems manufactured according to the process of at least one of the Claims 1 until 9 , comprising at least a first and a second layer made of a powder of a shape memory material, wherein the first layer is pseudoplastically deformed and the second layer of the shape memory material has at least one local region in which the shape memory properties are deactivated by the martensite or austenite with phase precipitations formed. Bauelement nach Anspruch 10, bei dem Cu-basierte Legierungen, insbesondere CuNiAl-, CuZnAl- oder CuNiAlZr-basierte Legierungen, vorhanden sind.Component according to Claim 10 in which Cu-based alloys, in particular CuNiAl-, CuZnAl- or CuNiAlZr-based alloys, are present. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden wobei bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial vorhanden ist.Component according to at least one of the preceding, wherein a non-shape memory material is present in some regions. Bauelement nach Anspruch 12, wobei das Nicht-Formgedächtnismaterial eine Isolationsschicht oder Heizschicht ist.Component according to Claim 12 , wherein the non-shape memory material is an insulating layer or heating layer. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden bei dem die Anzahl und/oder die Volumina der lokalen Bereiche mit deaktiven Formgedächtniseigenschaften gradiert über die Höhe und/oder Breite des Bauelementes ausgebildet ist.Component according to at least one of the preceding, in which the number and/or volumes of the local regions with deactive shape memory properties are graduated over the height and/or width of the component. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden bei dem mehrere Schichten mit wechselnden deaktiven und aktiven Formgedächtniseigenschaften vorhanden sind.Component according to at least one of the preceding, in which several layers with alternating deactive and active shape memory properties are present. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden bei dem das einteilige Bauelement ein- oder mehrgliedrig ausgebildet ist.Component according to at least one of the preceding, in which the one-piece component is designed as a single or multi-part component.
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