Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Formung und Bearbeitung eines Werkstücks aus Formgedächtnislegierung sowie das derart hergestellte Werkstück, das bemerkenswerte funktionelle Eigenschaften aufweist.

Das technische Gebiet der Erfindung kann generell als das der Metallurgie und der Werkstoffkunde definiert werden. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der Formgedächtnislegierungen, ihre Herstellung und ihre Formung oder Bearbeitung.

Eine metallische Legierung hat bekanntlich ein Formgedächtnis, wenn sie nach einer permanenten Kaltverformung oder bei einer Abkühlung unter Belastung durch einfache Erwärmung ihre ursprüngliche Form wiedererlangt. Die Ursache dieses Phänomens, Einfachrichtungs-Gedächtniseffekt (effect mémoire simple sens (EMSS)) genannt, ist eine martensitische Transformation, die sich jenseits einer kritischen Temperatur, Übergangstemperatur genannt, ereignet. Diese Übergangstemperatur kann zwischen –200°C und +170°C eingestellt werden, indem man die chemische Zusammensetzung und/oder die thermischen Behandlungen variiert.

Außerdem verleiht die martensitische Transformation den Formgedächtnislegierungen weitere besondere Eigenschaften, zum Beispiel: die Fähigkeit, während der Erwärmung eine große Kraft zu entwickeln, den Superelastizitäts-Effekt, den Kautschuk-Effekt, den unterstützten Doppelrichtungs-Gedächtniseffekt (effect mémoire double sens assisté (EMDSA)) und den Doppelrichtungs-Gedächtniseffekt (effect mémoire double sens (EMDS)). Das Vorhandensein einer martensitischen Phase erhöht auch stark die Dämpfungsfähigkeiten.

Die Leistungen eines Elements aus Formgedächtnislegierung können generell als Verschiebungsamplitude und als bei Erwärmung verfügbare Rückformungskraft ausgedrückt werden.

Alle spezifischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen erläutern die Terminologie der "funktionellen Werkstoffe" oder "intelligenten Werkstoffe", die oft benutzt wird, um sie zu qualifizieren.

Der Formgedächtniseffekt bei den metallischen Legierungen ist seit 1930 bekannt und die erste industrielle Anwendung datiert von 1967, aber aufgrund der Komplexität ihres Verhaltens und ihrer extremen Empfindlichkeit bezüglich der Herstellungsbedingungen und ihrer Kosten blieben ihre industrielle Entwicklung und ihre kommerzielle Nutzung sehr begrenzt und betreffen hauptsächlich Sektoren, in denen Spitzentechnologien angewendet werden, zum Beispiel die Industrien der Verteidigung, der Raumfahrt und der medizinischen Geräte.

Die zur Herstellung der Formgedächtnislegierungen benutzten Herstellungsprogramme sind abhängig von der vorgesehenen Verwendung des Werkstücks und von seiner endgültigen Geometrie.

Die bisher gefertigten Werkstücke aus Formgedächtnislegierung für die hauptsächlichen Anwendungen sind bis heute von einfacher Geometrie. Es handelt sich nämlich im Allgemeinen um Stäbe, zum Beispiel bei den Aktuatoren der Entfaltungsmechanismen in der Raumfahrt und den Aktuatoren in der Robotik; um Drähte, zum Beispiel bei den Zahnspangen, den medizinischen Gerätschaften, den Handy-Antennen, den Brillengestellen, den Kleidungsstücken; um Rechteckstangen oder Streifen bzw. Bänder bei der Brillenherstellung, den elektrischen Aktuatoren in der Domotik; oder um Federn wie den "Stents" für die Stenose auf dem medizinischen Gebiet, und die "Spitzel" für die Detektion der Unterbrechung der Kühlkette in der Lebensmittelindustrie, usw.

Die Formungsverfahren, die angewendet werden, um die Werkstücke mit den oben erwähnten Geometrien zu erhalten, entsprechen der Benutzung der klassischen Umwandlungseinrichtungen, zum Beispiel Strangpressen, um die Stäbe herzustellen, Zieh- und Mehrfachziehbänke, um die Drähte herzustellen, Walzmaschinen, um das Blech herzustellen, und Formmatrizen, um Federn herzustellen.

Im Rahmen jeder Formungsoperation können auch Bearbeitungsverfahren angewendet werden, um Material zu entfernen, um einem Werkstück aus Formgedächtnislegierung Dimensionen und einen Oberflächenzustand zu verleihen, zum Beispiel eine Formabweichung und eine Rauhigkeit innerhalb einer bestimmten Toleranzspanne.

Das Dokument JP-A-59 192401 offenbart ein Bearbeitungsverfahren eines Werkstücks aus Formgedächtnislegierung. Das Dokument JP-A-01 277684 offenbart eine Feder aus Formgedächtnislegierung.

Als allgemeine Regel fügt sich die Bearbeitung der Formgedächtnislegierung in die Folge der Formungsoperationen also hauptsächlich auf zwei Ebenen ein:

• – entweder als Zuschneidoperation eines Rohlings, der gewalzt, geschmiedet, gezogen oder bearbeitet werden soll,
• – oder als Endbearbeitungsoperation vorher stranggepresster, gestreckter, geschmiedeter oder zusammengeschweißter Werkstücke.

Unter den oben erwähnten Formungsverfahren sind diejenigen bei den Formgedächtnislegierungen und insbesondere den Titan-Nickel-Legierungen schwierig anzuwenden, die auf eine Kaltformung zurückgreifen, vor allem aufgrund der Härte dieser Materialien.

Die Kaltverformung muss begrenzt sein, um Beschädigung zu vermeiden, und von Glüh- bzw. Temperoperationen mit kontrollierter Temperatur unterbrochen werden, damit sich das Material erholt.

Jedoch ist die Kaltumwandlung bei diesen Materialien unverzichtbar, denn sie stellt nicht nur die Genauigkeit bei den Endabmessungswerten sicher, sondern verleiht dem Material außerdem eine Kaltverfestigung, welche die mechanischen Eigenschaften verbessert und eine Optimierung der funktionellen Eigenschaften ermöglicht, zum Beispiel des Gedächtniseffekts, der Rückformungskraft und der Superelastizität. Es ist außerdem gezeigt worden, dass bei Zunahme der Kaltverfestigung – das heißt des Verformungsgrads – sich die funktionellen Eigenschaften verbessern, insbesondere die Rückformungskraft und die Amplitude des Gedächtniseffekts. Außerdem muss eine kurze thermische Behandlung, "Flash"-Behandlung genannt, innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs durchgeführt werden, um die funktionellen Eigenschaften zu optimieren.

Aus Obigem geht hervor, dass die Herstellung fertiger Werkstücke, das heißt aus Formgedächtnislegierung und von definierter Geometrie, langwierige, komplexe und folglich teure Herstellungs- und Formungsprogramme erfordern, die Kaltumwandlungsoperationen umfassen, deren Beherrschung schwierig ist.

Es besteht daher ein Bedarf für ein einfaches, schnelles und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung und Formung eines Werkstücks aus Formgedächtnislegierung mit einer begrenzten Anzahl von Schritten, das ermöglicht, Werkstücke zu erhalten, deren mechanische und funktionelle Eigenschaften wenigstens gleich gut sind wie die der bekannten, komplexen, langen und teuren Verfahren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dann, ein Verfahren zur Herstellung und Formung eines Werkstücks aus Formgedächtnislegierung anzubieten, das u.a. alle oben genannten Bedürfnisse erfüllt, das nicht die Schwierigkeiten, Mängel, Beschränkungen und Nachteile der zum Stand der Technik gehörenden Verfahren aufweist und das die Probleme der Verfahren aus dem Stand der Technik löst.

Diese und noch weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung, Formung und Bearbeitung eines Werkstücks aus Formgedächtnislegierung, das einen einzigen Schritt umfasst, in dessen Verlauf die Herstellung, Formung und Bearbeitung dieses Werkstücks simultan und in ein und derselben Operation durch ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren realisiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren befriedigt alle oben genannten Bedürfnisse, hat nicht die Mängel der Verfahren des Stands der Technik und löst die Probleme, welche die Verfahren des Stands der Technik aufweisen.

Die Erfinder haben auf überraschende Weise bewiesen, dass es durch die Anwendung eines spezifischen Bearbeitungsverfahrens, nämlich eines Schneidbearbeitungsverfahrens, möglich ist, die Herstellung, Bearbeitung und Formung in einem einzigen Schritt zu realisieren. Unter allen bekannten Bearbeitungsverfahren ermöglichen nur die Schneidbearbeitungsverfahren, die weiter oben genannten Ziele zu erreichen und die Probleme aus dem Stand der Technik zu lösen.

Schneidbearbeitungsverfahren sind meist Verfahren, die Späne erzeugen, im Gegensatz zu Schleifverfahren oder chemischen oder elektrochemischen Verfahren. Erstaunlicherweise verleiht das in der Erfindung benutzte spanabhebende Verfahren dem Werkstück oder Span aus Formgedächtnislegierung eine sehr große Kaltverfestigung, wobei die vorausgehende extrem schnelle Erhitzung dieselbe Rolle wie eine Wärmebehandlung spielt, und diese "Flash"-Wärmebehandlung der End-Wärmebehandlung der Verfahren aus dem Stand der Technik entspricht. Aufgrund dieser Tatsache ist es dank des Verfahrens der Erfindung möglich, dem Span in ein und derselben Operation bemerkenswerte mechanische und funktionelle Eigenschaften zu verleihen. Die Erfinder haben gezeigt, dass die Eigenschaften der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Werkstücke, zum Beispiel Federn, denen eines Teils oder Elements aus Formgedächtnislegierung überlegen sind, das durch ein langes und komplexes Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren, so wie definiert in Anspruch 1, ermöglicht, durch seinen einzigen Schritt die erwünschten bemerkenswerten Eigenschaften zu erhalten.

Im Gegensatz zu den Verfahren aus dem Stand der Technik, die eine lange Folge von komplexen Schritten zur Formung und Bearbeitung umfassen, mit meist abschließen mit einem Kaltverformungsschritt, auf den noch eine Wärmehandlung folgt, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren nur einen einzigen Schritt, in dessen Verlauf alle zur Herstellung, Formung und Bearbeitung des Werkstücke nötigen Operationen simultan realisiert werden. Dieser einzige Schritt ist außerdem extrem einfach, da er auf ein einfaches, zuverlässiges und bewährtes Schneidbearbeitungsverfahren zurückgreift.

Dieses Verfahren ist sehr schnell in Bezug auf die Verfahren aus dem Stand der Technik, da außer dem Zeitgewinn aufgrund der Reduzierung auf einen einzigen Schritt auch die Dauer dieses einzigen Schritts auf ein Minimum reduziert ist.

Die Einfachheit und die Schnelligkeit der Herstellung des Werkstücks, nämlich eines Spans aus Formgedächtnislegierung, führt zu Herstellungskosten pro Einheit, die in Bezug auf diejenigen der Verfahren auf dem Stand der Technik sehr gering sind. Daher können jetzt "Massenkonsum"-Anwendungen, bisher für Produkte aus Formgedächtnislegierung aufgrund ihrer hohen Kosten undenkbar, für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstücke vorgesehen werden.

Erfindungsgemäß wird das spanabhebende Bearbeitungsverfahren unter den Verfahren mit hohen Schnittgeschwindigkeiten – generell über 15 m/min – ausgewählt.

Von den Verfahren mit hohen Schnittgeschwindigkeiten kann man das Langdrehen, das Drehen und das Abstechen nennen.

Erfindungsgemäß beeinflusst man, um einen solchen homogenen, kontinuierlichen und geometrisch definierten Span zu erzeugen, der die erwünschten mechanischen und/oder funktionellen Eigenschaften aufweist, einen oder mehrere der Bearbeitungsparameter, das heißt die Betriebsparameter des Schneidbearbeitungsverfahrens.

Der oder diese Bearbeitungsparameter werden generell ausgewählt unter der Art des Schneidwerkzeugs, der Schnitttiefe pro Arbeitsgang (oder Spandicke), der Maschinenvorschubsgeschwindigkeit oder Schnittgeschwindigkeit, der Winkelstellung des Schneidwerkzeugs, des Schliffs des Schneidwerkzeugs und eventuell der Rotationsgeschwindigkeit des Rohlings, aus dem das Werkstück gefertigt wird.

Festzustellen ist, dass diese Parameter generell nicht unabhängig sind, sondern verknüpft sind mit der Geometrie des verwendeten Rohlings.

Zum Beispiel ist die Rotationsgeschwindigkeit abhängig von der Geometrie des Rohlings, insbesondere dem Durchmesser des Rohlings, und hängt von den Fähigkeiten der benutzten Maschine ab. Diese Geschwindigkeit kann innerhalb eines großen Bereichs variieren. Eine typische Geschwindigkeit ist zum Beispiel 250 U/min.

Die in der Erfindung benutzte Formgedächtnislegierung kann jede bekannte Formgedächtnislegierung sein. Sie wird zum Beispiel ausgewählt unter den Legierungen auf Kupferbasis, den Legierungen auf Titan- und Nickelbasis und den Legierungen auf Eisenbasis.

Unter den Legierungen auf Kupferbasis kann man nennen: Cu – Zn, Cu – Al, Cu – Sn, Cu – Zn – Al, Cu – Al – Ni, Cu – Al – Mn, Cu – Al – Be. Die Legierungen auf Ti-Ni-Basis umfassen die Titan- und Nickel-Legierungen aller Proportionen und vorzugsweise die 50/50 Ti-Ni-Legierung. Die Ti-Ni-Legierung kann leicht mit einem (oder mehreren) Zusatzelementen) Fe, Cu, Zr und Hf legiert sein.

Unter den Legierungen auf Eisenbasis kann man nennen: die Fe₃Pt-Verbindung, die Legierungen Fe – Ni – Co – Ti und Fe – Mn – Si mit eventuellen Zusätzen von Ni und/oder Cr. Der Begriff "Formgedächtnis"-Legierung deckt alle Legierungen ab, die solche Eigenschaften aufweisen oder möglicherweise aufweisen, wobei die "Formgedächtnis"-Eigenschaften generell die Eigenschaften des Einfachrichtungs-Gedächtniseffekts (effect mémoire simple sens (EMSS)), des Doppelrichtungs-Gedächtniseffekts (effect mémoire double sens (EMDS)), des unterstützten Doppelrichtungs-Gedächtniseffekts (effect mémoire double sens assisté (EMDSA)) oder des Superelastizitäts-Effekts aufweisen.

Das Werkstück aus Formgedächtnislegierung, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren, ist homogen und kontinuierlich. Dieser Span weist vorzugsweise eine definierte Geometrie auf. Zum Beispiel kann dieser Span sich in Form eines Streifens oder Bands präsentieren, mit vorzugsweise einer genauen Länge, Breite und Dicke, aber er kann sich auch in Form einer Rechteckstange präsentieren.

Außerdem kann der Span erfindungsgemäß vorzugsweise am Ende des Verfahrens direkt bandförmig gerollt bzw. gewickelt sein, ohne zusätzlichen Schritt, das heißt dass man direkt, in einer einzigen Operation, zum Beispiel eine Spiralfeder herstellt, vorzugsweise mit nebeneinanderliegenden Windungen und verwendbar in allen Vorrichtungen, in denen Federn aus Formgedächtnislegierung benutzt werden. Eine solche Spiralfeder besitzt hervorragende mechanische und funktionelle Eigenschaften, die denen derjenigen Federn überlegen sind, die nach den Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt werden.

Der Span wird ebenfalls durch seine Masse und sein Volumen definiert und die Feder, vorzugsweise mit nebeneinanderliegenden Windungen, wird außerdem durch den Durchmesser der Windungen, der Gesamtzahl der Windungen und der Anzahl der nützlichen Windungen definiert.

Zum Beispiel beträgt die Masse des Span 1 mg bis 50 g, die Breite des bandförmigen Spans generell einen oder einige Zehntel mm (zum Beispiel 2 bis 9 Zehntel) bis 5 mm und die Dicke generell einen oder einige Zehntel mm (zum Beispiel 2 bis 9 Zehntel) bis 1 mm.

Im bevorzugten Fall ist der Span also gerollt bzw. gewickelt und präsentiert sich in Form einer Feder, vorzugsweise einer Spiralfeder und wieder vorzugsweise einer Spiralfeder mit nebeneinanderliegenden Windungen, deren Gesamtwindungszahl 2 bis mehrere hundert beträgt (zum Beispiel 200 bis 1000) und die Anzahl der nützlichen Windungen generell zwei bis ungefähr hundert oder mehrere hundert (zum Beispiel 200 bis 1000) und der Durchmesser der Windungen generell 1 bis 15 mm.

Wie weiter oben angegeben, hat das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Werkstück bemerkenswerte mechanische und funktionelle Eigenschaften. Eine der repräsentativsten funktionellen Eigenschaften ist die Effizienz, welche die pro Gedächtnislegierungs-Volumeneinheit verfügbare Arbeit liefert.

Die maximale Effizienz des durch dieses erfindungsgemäße Werkstück hergestellten Werkstücks, zum Beispiel einer Spiralfeder mit nebeneinanderliegenden Windungen, liegt generell über 10 MJ/m³ und beträgt vorzugsweise 10 bis 15 MJ/m³, was deutlich höher ist als die Effizienz von Werkstücken, etwa Spiralfedern, die nach den Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt werden, und was die erfindungsgemäßen Werkstücke deutlich von den Werkstücken nach dem Stand der Technik unterscheidet.

Jede Vorrichtung oder jedes System kann die Feder aus Formgedächtnislegierung, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, enthalten, insbesondere ein System oder eine Vorrichtung des Typs Aktuator oder Aktuator/Sensor.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Feder aus Formgedächtnislegierung besitzt Eigenschaften des Einfachrichtungs-Gedächtniseffekts (effect mémoire simple sens (EMSS)), des Doppelrichtungs-Gedächtniseffekts (effect mémoire double sens (EMDS)), des unterstützten Doppelrichtungs-Gedächtniseffekts (effect mémoire double sens assisté (EMDSA)) oder des Superelastizitäts-Effekts. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Feder kann also in zahlreichen industriellen Bereichen eingesetzt werden. In erster Linie kann sie auch auf Gebieten verwendet werden, von denen die Gedächtnislegierungen bisher einzig aus Kostengründen nahezu oder ganz ausgeschlossen waren. Sie kann aber auch auf allen industriellen Gebieten verwendet werden, wo die Gedächtnislegierungen auch bisher schon verwendet wurden.

Man kann zum Beispiel an bestimmte Massenkonsumartikel denken, zum Beispiel an Spielzeug, Dekoration oder Skulpturen.

Potentielle Anwendungen betreffen auch alle Sektoren der Miniaturisierung, wo der Span aus Formgedächtnislegierung vorteilhaft als Minifeder eingesetzt werden kann.

Dies gilt zum Beispiel für die Mikro-Robotik oder die Kraftfahrzeugindustrie, wo eine große Vielfalt von Anwendungen für thermische Aktuatoren besteht, zum Beispiel für den Radiator- bzw. Heizungsverschluss, den Ventilatorausschalter, den Klimatisierungsregulator, die Bremsenkühlung, usw.

Die Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung einer als Beispiel gewählten bevorzugten Realisierungsart, wobei diese Beschreibung sich auf folgende beigefügte Zeichnungen bezieht:

die 1A, die eine schematische Draufsicht darstellt, welche die maschinelle Bearbeitung eines Rohlings aus Formgedächtnislegierung auf einer Drehbank zeigt, bei der ein kontinuierlicher Span erzeugt wird;

die 1B, die eine schematische perspektivische Ansicht des Schneidwerkzeugs ist;

die 2, die ein Diagramm ist, das die Entwicklung der Effizienz W/V (E) (in MJ/m³) als Funktion der Rückformungskraft (F) (in 10^–2 N) darstellt, die der Formgedächtnislegierungs-Span bei Erwärmung erzeugt.

In der 1 wurde also der spezielle Fall der Herstellung eines Spans 1 aus Formgedächtnislegierung mit nebeneinanderliegenden Windungen dargestellt, erzeugt durch Drehbearbeitung eines metallischen Rohlings 2 aus Formgedächtnislegierung, vorzugsweise in Form eines zylindrischen Stabs mit einem Durchmesser D, der vorzugsweise 5 bis 100 mm beträgt, zum Beispiel 12 mm.

Die Formgedächtnislegierung kann ausgewählt werden unter den weiter oben genannten Legierungen, wobei es sich vorzugsweise um eine Ti-Ni-Legierung handelt.

Der Span 1 wird mit Hilfe einer klassischen Drehbank erzeugt, ausgerüstet mit einem Schneidwerkzeug 3, angebracht auf einem Träger bzw. Halter 8.

Unter den Drehbänken kann man zum Beispiel diejenigen der Firma CAZENEUVE nennen, insbesondere das Modell 360 HB – X.

In der 1A sind durch die Pfeile 4 und 5 jeweils die Zustellrichtung und die Vorschubrichtung des Schneidwerkzeugs dargestellt.

Das verwendete Schneidwerkzeug 3 ist ein Werkzeug mit aufgelötetem Schneidplättchen.

Es handelt sich zum Beispiel um ein Wolframkarbid-Werkzeug, zum Beispiel des Typs K 10 (ISO-Norm), hergestellt durch die Firma SAFETY^®.

Vorzugsweise verfügt das Werkzeug, wie dargestellt in der 1, über einen speziellen Schliff, zum Beispiel realisiert mit der Schleifscheibe.

Dieser spezielle Schliff weist zum Beispiel eine Hohlkehle 6 auf, die eine spezifische Form hat, zum Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt mit einem spezifischen Radius r (7) von zum Beispiel 1 bis 10 mm, abhängig von dem Durchmesser des Rohlings und vorzugsweise 2 mm.

Eine solche mit der Schleifscheibe realisierte Hohlkehle gewährleistet die Freisetzung und spiralförmige Wicklung eines homogenen und kontinuierlichen Spans 1 beim Schneiden.

Die 1B ist eine perspektivische Ansicht des Schneidwerkzeugs, die ermöglicht, die verschiedenen Bearbeitungsparameter sowie die verschiedenen geometrischen Parameter des Schneidwerkzeugs besser zu erkennen.

Das Schneidwerkzeug 3, das sich vorzugsweise in Form eines hartgelöteten Plättchens präsentiert, befindet sich auf einem Plättchenhalter oder -träger 8.

Dieses Schneidwerkzeug umfasst eine Hohlkehle 6 zur Freisetzung des Spans, wobei der tiefste Teil dieser Hohlkehle des genannten Werkzeugs einen spezifischen Radius r (7) hat. Das Schneidwerkzeug 3 umfasst auch eine Werkzeugspitze 9. In der 1B ist auch der Schnittwinkel &ggr; dargestellt.

Weiter oben wurde gezeigt, dass die Wahl der Bearbeitungsparameter, das heißt in dem vorliegenden Fall die Drehbearbeitungsparameter, auch ermöglichen, einen Span mit definierter Geometrie zu erzeugen, der direkt die erwünschten geometrischen Eigenschaften erfüllt, etwa den Gedächtniseffekt und die Superelastizität.

Um also einen bandförmigen Span zu erhalten, der sich als Feder mit nebeneinanderliegenden Windungen präsentiert, müssen die Drehbearbeitungsparameter vorzugsweise in den folgenden Bereichen liegen:

• – Schnitttiefe pro Arbeitsgang (oder Spandicke), in der 1 dargestellt durch e: von 0,1 bis 5 mm, zum Beispiel 0,88 mm;
• – Maschinenvorschubgeschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit): von 5 bis 40 m/min, zum Beispiel 10 m/min;
• – Rotationsgeschwindigkeit des Rohlings: abhängig von den Fähigkeiten der benutzten Maschine, zum Beispiel 250 U/min.

Die oben angegebenen Bedingungen sind diejenigen, welche ermöglichen, einen Span in Form eines homogenen kontinuierlichen Bandes zu erhalten, der eine Feder mit nebeneinanderliegenden Windungen bildet und dessen Dicke, Länge und Breite sich innerhalb der oben angegebenen Bereiche befinden. Selbstverständlich können sich die Bereiche der Bearbeitungsparameter eventuell verändern, wenn man Werkstücke mit anderen Formen herstellen will.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf erläuternde und nicht einschränkende Beispiele beschrieben.

Dieses Beispiel betrifft das Herstellen, Kennzeichnen und Messen der Eigenschaften eines Spans mit nebeneinanderliegenden Windungen, den man durch Drehbearbeitung eines metallischen Rohlings aus Titan-Nickel-Legierung (50/50) in Form eines Zylinders mit 12 mm Durchmesser erhält.

Die Drehbearbeitung (Langdrehen) wurde auf einer CAZENEUVE-Drehmaschine, Modell 360 HB – X durchgeführt. In der Tabelle 1 sind die Spanerzeugungsbedingungen zusammengefasst.

Ein spezifischer Schliff des Schneidwerkzeugs mit Hilfe einer Schleifscheibe aus gebundenem vitrifiziertem bzw. gesintertem Schleifmittel ermöglicht die Realisierung einer Hohlkehle, welche die Freisetzung und spiralförmige Wicklung des Spans beim Schneiden gewährleistet. Die positiven Schneidkanten ermöglichen, den Span gut auszubilden und zu beherrschen, während er die Hohlkehle verlässt, wie dargestellt in der 1B.

Die typischen geometrischen Charakteristika eines Spans sind in der Tabelle 2 angegeben.

Die thermischen Charakteristika des Spans, nämlich: Phasenänderungstemperatur, Enthalpie, erhält man durch Differenzscanning-Kalorimetrie (DSC) einer Probe mit einer Masse von 53 mg des Spans der Tabelle 2. Die Charakteristika sind in der Tabelle 3 zusammengefasst.

Gemäß diesen Werten kann man sagen, dass ein Span mit ursprünglich nebeneinanderliegenden Windungen, gestreckt bei niedriger Temperatur, seine anfängliche Form wieder annimmt zwischen den Temperaturen A 10 % (10 % Martensit bei der Erwärmung) = 42 °C und A 90 % (90 % Martensit bei der Erwärmung) = 73 °C.

Eine Methode zur Bewertung der Formgedächtnis-Eigenschaften und der Rückformungskraft der Formgedächtnislegierung besteht darin, den Span mit den nebeneinanderliegenden Windungen in seiner "Niedrigtemperatur"-Phase (martensitisch) zu strecken, indem man an einem seiner Enden eine mit einem Gewinde versehene Masse aufhängt.

Indem man den Span erwärmt bis auf seine "Hochtemperatur"-Phase (austenitisch), stellt man eine Kontraktion des Spans fest, die mit dem Gedächtniseffekt verbunden ist. Es ist möglich, in diesem Stadium die Verschiebungsamplitude bei Erwärmung zu messen und die Rückformungskraft zu erfahren (am Ende des Spans aufgehängte Masse).

Die durch die Formgedächtnislegierung gelieferte maximale Arbeit (W_M) ist das Produkt aus Rückformungskraft mal Verschiebung.

Die Effizienz wird definiert durch das Verhältnis aus der bei einem Volumen (V) gelieferten maximalen Arbeit (W_M), wie dies angegeben wird in dem Dokument von G. GUENIN "Les alliages à mémoire de forme" ("Die Formgedächtnislegierungen"), Techniques de l'Ingénieur, Kapitel M 530, Seite 10, Paragraph 6.21.

Die bei dem Span erlangten funktionellen Eigenschaften sind in der Tabelle 4 dargestellt.

Die 2 ist ein Diagramm, das die Entwicklung der Effizienz in MJ/m³ als Funktion der durch die Erwärmung des Spans erzeugten Rückformungskraft (in N.10^–2) darstellt.

Vergleich der mit dem Material des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Resultate mit den Resultaten, die man mit dem Formgedächtnislegierungs-Material nach dem Stand der Technik erhält; zum Beispiel Herstellung des Drahts durch Ziehen und Formung der Feder durch Matrizieren bzw. Gesenkformen.

Bei diesem Beispiel vergleicht man die Eigenschaften – insbesondere die Effizienz – eines durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Spans (s. Beispiel 1) mit den Eigenschaften von Formgedächtnislegierungs-Materialien aus dem Stand der Technik, wie beschrieben in diversen Dokumenten.

Mit einem Draht aus TiNi durchgeführte Versuche werden beschrieben in dem Dokument von C. M. JACKSON et al., "55 – Nitinol – The alloy with a memory", NASA-Report – SP 5110, 1972, in dem für einen Zugbeanspruchungsbetrieb eine Effizienz zwischen 3,4 und 15,1 MJ/m³ angegeben wird.

Für eine Spiralfeder muss der in dem Dokument von G. GUENIN schon weiter oben genannte vorgesehene Effizienzfaktor in Bezug auf einen Zugbeanspruchungsbetrieb um einen Faktor 2 bis 3 reduziert werden. Dies weist darauf hin, dass bei einer aus einem Formgedächtnislegierungs-Draht hergestellten Feder die maximale Effizienz 15/2 MJ/m³ beträgt, als ungefähr 7,5 MJ/m³.

Die Firma ATM, die Formgedächtnislegierungs-Federn dimensioniert, empfiehlt eine Kraft von 2,5 N für eine Verschiebung von 12 mm mit einer Feder des Volumens V = 119,1 mm³, also einer Effizienz von 0,25 MJ/m³ (P. MEYLAERS & al, CADSMA^TM: "Computer Aided Design of shape memory applications").

Nach dem Dokument von B. PRANDI & al, "Experience in the production of Ti – Ni shape memory alloys", 6th world conf. On titanium, 1988, Seiten 1063–1068, kann eine Formgedächtnislegierungs-Feder des Volumens V = 1 080 mm³ eine Kraft von 20 N und eine Verschiebung von 50 mm liefern, also eine Effizienz von 0,9 MJ/m³.

Diese bibliographischen Angaben belegen gut die Überlegenheit der Leistungen des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Formgedächtnislegierungs-Spans, dessen Effizienz über 10 MJ/m³ liegt.