Beschreibung

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.

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.

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 M _s des Formgedächtnismaterials erreicht ist. Dessen Bildung ist unterhalb der Martensit-Ende-Temperatur M _f abgeschlossen. Die martensitische Phasenumwandlung ist reversibel. Daher geht der Martensit bei entsprechender Temperaturerhöhung in Austenit über. Ist die Austenit-Start-Temperatur A _s erreicht, beginnt sich Austenit zu bilden. Das Gefüge ist oberhalb der Austenit-Ende-Temperatur A dann vollständig austenitisch.

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.

Wird jedoch ein pseudoplastisch verformtes Gefüge oberhalb der A _s - und weiter bis auf die

A _f -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 M _r 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.

Wird hingegen während des Abkühlens des Austenits, der dann unterhalb M _f vollständig als Martensit vorliegt, eine Kraft aufgebracht, so dass er pseudoplastisch verformt wird, erfolgt eine Formänderung auch beim Abkühlen.

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.

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.

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.

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.

Dabei wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, wobei durch Stromimpulse das Formgedächtnismaterial kurzfristig über die A _F -Temperatur erhitzt wird. Die einhergehende Formänderung führt zur Bewegung der Feder. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bauelemente aus Formgedächtnismaterial bekannt.

Aus der DE 000029606249 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.

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.

Aus der WO 2009 / 137 767 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von einteiligen Bauelementen aus mindestens einem Formgedächtnismaterial gelöst, bei dem mittels additivem Fertigungsverfahren eine erste Schicht eines Formgedächtnismaterials ausgebildet und verfestigt 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 stoffschlüssig verbunden werden, wobei weitere Schichten mittels additivem Fertigungsverfahren aufgebracht werden können, wobei mindestens ein lokaler Bereich des Formgedächtnismaterials bis unterhalb der Liquidustemperatur mittels einer Wärmequelle thermisch behandelt wird, wobei durch die thermische Behandlung in dem lokalen Bereich die Formgedächtniseigenschaften deaktiviert werden.

Vorteilhafterweise wird ein thermisch, mechanisch und/oder magnetisch anregbares Formgedächtnismaterial eingesetzt.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, besonders vorteilhaft CuNiAl-, CuZnAI- oder CuNiAIZr-basierte Legierungen, eingesetzt.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mindestens zwei weitere Schichten eines oder mehrerer Formgedächtnismaterialien mittels additivem Fertigungsverfahren auf der ersten Schicht aus Formgedächtnismaterial angeordnet werden.

Und auch vorteilhafterweise ist es, wenn während des additiven Fertigungsverfahrens eine der weiteren Schichten eines Formgedächtnismaterials mittels Wärmequelle vollständig thermisch behandelt wird.

Vorteilhafterweise werden als additives Fertigungsverfahren das Laserauftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen und/oder das Laser-Strahlschmelzen eingesetzt.

In einer vorteilhaften Ausführung wird die thermische Behandlung mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, Elektronenstrahlung und/oder Röntgenstrahlung realisiert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial, besonders vorteilhaft eine oder mehrere Isolationsmaterialien oder elektrisch leitende Materialien, angeordnet werden.

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.

Vorteilhafterweise weisen die lokalen Bereiche der Formgedächtnismaterialien mit deaktivierten Formgedächtniseigenschaften Martensit oder Austenit mit Phasenausscheidungen auf.

Besonders vorteilhaft sind als Formgedächtnismaterial CuNiAl-, CuZnAI- oder CuNiAIZr- basierte Legierungen vorhanden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des einteiligen Bauelementes ist bereichsweise ein Nicht-Formgedächtnismaterial vorhanden, wobei besonders vorteilhaft das Nicht- Formgedächtnismaterial eine Isolationsschicht oder Heizschicht ist.

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.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Formgedächtnismaterial derart ausgebildet ist, dass mehrere Schichten mit wechselnden deaktiven und aktiven Formgedächtniseigenschaften vorhanden sind.

In einer vorteilhaften Ausführung ist das einteilige Bauelement ein- oder mehrgliedrig ausgebildet.

Erfindungsgemäß kann das beanspruchte einteilige Bauelement als Gelenk, als Aktor, als Sensor, als Hub-und Verstellelement, als Stellglieder in Regelkreisen und/oder als Federpaket in Dämpfungssystemen verwendet werden.

Mit der vorliegenden Erfindung werden erstmalig Bauelemente bereitgestellt, die einteilig ausgebildet sind, aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialien bestehen und in einem Prozessschritt hergestellt werden.

Erreicht wird dies durch ein additives Fertigungsverfahren, bei dem das Bauelement aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialen und schichtweise aufgebaut und hergestellt wird.

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.

Unter einem einteiligen Bauelement soll im Rahmen der Erfindung ein Bauelemente verstanden werden, das nur aus einer Komponente oder Bauteil zusammengesetzt ist, wobei das einteilige Bauelement eingliedrig oder mehrgliedrig ausgebildet ist.

Das additiv gefertigte Bauelement aus einem oder mehreren Formgedächtnismaterialen kann beispielsweise derart realisiert werden, dass ein Pulver, ein Draht, Folie oder Suspension aus einer Formgedächtnislegierung auf einer Bauplattform angeordnet und verfestigt wird, nachfolgend die Bauplattform um eine definierte Schichtdicke abgesenkt und erneut mit einer Schicht eines Formgedächtnismaterials beschichtet wird. 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.

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.

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.

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.

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.

Am Beispiel einer CuNiAIZr-basierten Formgedächtnislegierung soll dieser technische Effekt und die technische Wirkung der Erfindung näher erläutert werden.

Eine erste Schicht, - weiter als erster Schichtbestandteil bezeichnet - einer CuNiAIZr- basierten Formgedächtnislegierung wird ohne thermische Behandlung durch eine Wärmequelle angeordnet. Dieser erste Schichtbestandteil der CuNiAIZr-basierten Formgedächtnislegierung besteht fast ausschließlich aus Martensit mit gelöstem Zr und fein verteilten sub-pm-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 CuNiAIZr- basierten Formgedächtnislegierung ist eine Heusler-Cu ₂ ZrAI-Phase (Y-Phase).

Ein anschließendes Erhitzen des so hergestellten Bauelementes bis über die Austenit-End- Temperatur A, 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.

Danach erfolgt eine Abkühlung bis unterhalb der A// _r Temperatur. Der nicht vorgespannte austenitische zweite Schichtbestandteil mit gleichmäßig fein verteilter sub-pm-großen Y- Phasenausscheidungen geht ab der Martensit-Start-Temperatur A// _S -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 A führt zur Formänderung und wieder elastischen Vorspannung des nicht umgewandelten Bestandteils.

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.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Formgedächtnismaterial Cu-basierte Legierungen, insbesondere CuNiAl-, CuZnAI- und/oder CuNiAIZr-basierte Legierungen eingesetzt werden. Cu-basierte Formgedächtnislegierungen mit Einsatztemperaturen von über 100 °C werden als Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen klassifiziert und sind verglichen mit TiNi- basierten Formgedächtnislegierungen kostengünstiger.

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.

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.

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 hersteilen, wodurch Kosten und Zeit bei der Herstellung des Bauelementes gespart werden und Bauelemente im pm- bis cm-Bereich hergestellt werden können.

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.

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.

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.

Zudem besteht ein weiterer Vorteil des einteilig ausgeführten Bauelementes darin, das 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.

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.

Möglich ist aber auch, dass das Nicht-Formgedächtnisaterial 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.

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-pm- Größenordnung eingestellt werden. Das Gefüge kann somit hinsichtlich Korngröße, Phasenvolumenanteile und/oder Phasenmorphologie definiert modifiziert und gradiert vorliegen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, Gelenke, Aktoren und Dämpfungssysteme in einem breiten Größenspektrum im pm-Bereich bis cm-Bereich zu erzeugen. Somit können erstmals einteilige Miniatur-Gelenke, -Aktoren, und - Dämpfungssysteme in pm-Größe, komplexer Struktur und mit spezieller geometrischer Ausbildung bei hoher Flexibilität bereitgestellt werden.

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.

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 pm-Bereich bis cm-Bereich bereitgestellt werden können,

besonders leicht und leise in der Anwendung sind,

einfach konstruiert und modeliert 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.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

Aus gasverdüstem Pulver (Cu-1 1.35AI-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) mit einer Partikelgröße von 30 pm bis 76 pm wird mittels einer Selektiven-Laserschmelz-Anlage (SLM 250 ^HL , 400 W:YAG Laser) ein quaderförmiges Bauelement mit den Abmaßen 1.0 mm x 0.5mm x 1.0mm (b x h x I) 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, S _D , von 80 pm, Laserleistung, P, von 300 W, Scangeschwindigkeit, S _v , von 800 mm/s und einem Schraffurabstand, S _A von 50% hergestellt. Nachdem der erstarrte Abschnitt 270 pm hoch ist, wird er pseudoplastisch bis zu einer Dehnung von 8% verformt. Anschließend werden weitere Schichten eines Pulvers aus (Cu-1 1.35AI-3.2Ni-3Mn-0.5Zr) aufgebracht, bis eine Gesamthöhe des Bauelementes von 500 pm erreicht ist. Dabei wird jede weitere erstarrte Schicht zusätzlich zweimal mit einem Laser mit folgenden Parametern nachbelichtet: P = 150 W, S _v = 800 mm/s und 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 A _f erhitzt. Dabei findet eine Formänderung statt, sodass der einteilige Aktor durch gestreckt 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 M _s - Temperatur wieder in die ursprüngliche Form zurück. Die Durchbiegung ist unterhalb von abgeschlossen. Der beschriebene Aktor kann in einem medizinischen Gerät eingesetzt werden.