| Dokumentenidentifikation |
DE102004011030A1 22.09.2005 |
| Titel |
Verkleidung mit integriertem Polymeraktor zur Verformung derselben |
| Anmelder |
Siemens AG, 80333 München, DE |
| Erfinder |
Arndt, Frank, Dr., 10627 Berlin, DE; Krüger, Ursus, Dr., 14089 Berlin, DE; Kutzer, Volkmar, Dr., 12157 Berlin, DE; Steckenborn, Arno, Dr., 13589 Berlin, DE; Stössel, Matthias, Dr., 68163 Mannheim, DE; Ullrich, Raymond, 14621 Schönwalde, DE |
| DE-Anmeldedatum |
04.03.2004 |
| DE-Aktenzeichen |
102004011030 |
| Offenlegungstag |
22.09.2005 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
22.09.2005 |
| IPC-Hauptklasse |
F15D 1/12
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| IPC-Nebenklasse |
B64D 15/16
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| Zusammenfassung |
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verkleidung (22) für eine Wand (12) mit einer durch einen Polymeraktor (14) verformbaren Grenzschicht (24). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verkleidung über eine Anlagefläche (A) zumindest im unverformten Zustand vollständig an der Wand anliegt, wodurch vorteilhaft die an sich elastische Wandverkleidung stabilisiert wird. Die Wandverkleidung kann beispielsweise in Form von Lamellen (22) jeweils punktuell auf der Wand (12) befestigt werden, so dass eine Aktivierung des Polymeraktors (14) eine Verbiegung der Lamellen (22) hervorruft, wodurch beispielsweise eine Eisschicht (25) von der Verkleidung abgesprengt werden kann. Alternativ kann die Verkleidung auch aus einem Membranaktor gebildet sein, welcher punktuell oder ganzflächig auf der Wand (12) befestigt ist (nicht dargestellt).
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verkleidung mit einer elastischen,
die Oberfläche der Verkleidung bildenden Grenzschicht und einem in die Verkleidung
integrierten Polymeraktor zur Verformung der Grenzschicht.
Eine Verkleidung der eingangs genannten Art wird z. B. durch Ron Pelrin,
in „Smart Structures and Materials 2001", Proceedings of SPIE Vol. 4329 (2001)
auf den Seiten 335 bis 349 beschreiben. Gemäß dieser Veröffentlichung kann eine
Verkleidung aus einem membranartigen Polymeraktor bestehen, welcher auf einem Array
von Kreislöchern aufgebracht wird. Oberhalb der Kreislöcher kann sich die Membran
durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das elektroaktive Polymer verformen,
wobei sich der Polymeraktor auf den Stegen zwischen den Kreislöchern abstützt. Hierdurch
lässt sich die Oberflächenstruktur der Verkleidung beispielsweise für aerodynamische
Zwecke verformen um den Strömungswiderstand zu minimieren.
Als Polymerlage für den Polymeraktor können Elastomere wie z. B. Silikon
verwendet werden. Hierdurch lässt sich ein elektrostatischer Elastomeraktor erzeugen,
bei dem die Verformung der Polymerlage aufgrund der gegenseitigen Anziehung der
Elektrodenlagen bei Vorliegen eines elektrischen Feldes erfolgt. Die Polymerlage
kann jedoch auch aus einem elektroaktiven Polymer wie z. B. PMMA (Polymethyl Methacrylate)
bestehen. Bei elektroaktiven Polymeren wird die Verformung aufgrund der Anziehung
der Elektrodenlagen zusätzlich durch eine aktive Verformung des elektroaktiven Polymers
im elektrischen Feld unterstützt. Weitere Materialien für die Polymerlage können
durch Mischungen der genannten Materialien untereinander oder mit anderen Materialien
erhalten werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verkleidung mit einer
verformbaren Grenzschicht zu schaffen, welche einerseits einfach herzustellen ist
und andererseits eine hohe Stabilität aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verkleidung
mit einer betragsmäßig mit dem Flächeninhalt der Verkleidung übereinstimmenden Anlagefläche
an der verkleideten Unterlage anliegt, wobei die Anlagefläche nur mit Teilbereichen
auf der Unterlage befestigt ist. Dadurch, dass die Anlagefläche der Verkleidung
vollständig auf der zu verkleidenen Unterlage aufliegt, wird die Verkleidung durch
die Unterlage optimal gestützt. Damit weist diese zumindest im unverformten, an
der Unterlage anliegenden Zustand auch beispielsweise gegenüber einem Staudruck
bei aerodynamischen Anwendungen einen hohen Widerstand gegen eine staudruckbedingte
Verformung auf. Außerdem kann als Unterlage damit eine durchgehende Oberfläche verwendet
werden, d. h. dass keine Vertiefungen wie die erwähnten Kreislöcher notwendig sind.
Damit vereinfacht sich die Herstellung der verkleideten Oberfläche vorteilhaft,
und es wird gleichzeitig eine höhere Stabilität der Unterlage erreicht.
Die Verkleidung könnte beispielsweise auf den Tragflächen eines Flugzeugs
aufgebracht werden. Im normalen Betriebszustand liegt die Verkleidung dann fest
auf der Tragfläche an und weist, wie bereits erwähnt, eine hohe Formstabilität auf.
Die Betätigung des Polymeraktors wird nur für den Fall vorgesehen, dass eine sich
ausbildende Eisschicht von der Tragfläche abgesprengt werden muss, um eine Beeinträchtigung
der aerodynamischen Eigenschaften der Tragflächen zu verhindern. Zur Verformung
der Grenzschicht der Verkleidung wird der Polymeraktor durch Anlegen eines elektrischen
Feldes aktiviert, so dass dieser sich verformt. Da die Verkleidung nur in Teilbereichen
auf der Unterlage befestigt ist, führt die Verformung zwischen den Teilbereichen
im Falle der Ausbildung des Polymeraktors als Membranaktor zu einer Wölbung von
der Unterlage weg, so dass zwischen der Unterlage und der Verkleidung in diesen
Bereichen ein Hohlraum entsteht. Im verformten Zustand besitzt die Verkleidung aufgrund
der ausgebildeten Verwölbung eine erhöhte Eigenstabilität, so dass die fehlende
Abstützung durch die Unterlage kompensiert wird. Nach der Enteisung legt sich die
Verkleidung wieder fest an die Unterlage an.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Polymeraktor als Membranaktor ausgebildet ist. Membranaktoren lassen sich vorteilhaft
kostengünstig für große Flächen herstellen. Die Verkleidung kann beispielsweise
als folienförmiges Halbzeug hergestellt werden, welches als Verkleidung auf die
zu verkleidende Unterlage aufgebracht und dort befestigt wird.
Für die Befestigung ist es vorteilhaft, wenn die Verkleidung in regelmäßigen
Abständen punktuell auf der Unterlage befestigt ist. Diese punktuelle Befestigung
kann beispielsweise mittels Klebepunkten oder auch durch Nietverbindungen erfolgen,
wobei die Nietverbindungen gleichzeitig als elektrische Zuführungen für die zur
Aktivierung des Polymeraktors notwendigen Flächenelektroden dienen können.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Verkleidung mit Durchgangslöchern
versehen ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich die Verkleidung bei
einer Verformung zuverlässig von der Unterlage abheben kann, da durch die Durchgangslöcher ein
Druckausgleich zu den sich bildenden Hohlräumen hin möglich ist.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die
Verkleidung aus einzeln jeweils mit einem Ende auf der Unterlage befestigten Lamellen
zusammengesetzt ist, wobei die Lamellen jeweils als Biegeaktor ausgebildete Polymeraktoren
sind. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Verkleidung nicht durch eine
geschlossene Folie gebildet, sondern weist jeweils Schlitze oder Zwischenräume auf,
die die einzelnen Lamellen zumindest in Teilbereichen voneinander trennen. Auf diese
Weise kann jede Lamelle einzeln als Biegeaktor aufgefasst werden, wobei eine Biegung
durch Aktivierung des jeweiligen Polymeraktors erzeugt werden kann. Die Lamellen
heben sich aufgrund der Biegung einseitig von der Unterlage ab, da sie mit dem anderen
Ende jeweils auf der Unterlage befestigt sind. Die durch die Verkleidung erzeugte
Oberfläche ist daher mit Fischschuppen vergleichbar, die gemeinsam die Grenzschicht
der Verkleidung bilden und durch Aufstellen der Schuppen verformt werden kann. Der
dadurch erreichbare Verformungseffekt ist vorteilhaft besonders groß, so dass die
Lamellen besonders gut beispielsweise zum Absprengen einer Eis- oder auch Kalkschicht
bei vereisungs- oder verkalkungsgefährdeten Objekten verwendet werden kann. Gleichzeitig
lässt sich mittels der Lamellen eine strömungsdynamisch günstige Oberfläche erzeugen,
die in der Fachwelt auch als Haifischhaut bezeichnet wird.
Eine weitere Lösung der oben angegebenen Aufgabe sieht vor, dass die
Verkleidung mit einer betragsmäßig mit dem Flächeninhalt der Verkleidung übereinstimmenden
Anlagenfläche an der verkleideten Unterlage anliegt, wobei die Verkleidung mit der
gesamten Anlagefläche fest mit der Unterlage verbunden ist und zumindest eine Elektrodenlage
für den Polymeraktor aufweist, die sich nur über einen Teilbereich des Polymeraktors
erstreckt. Durch die Verbindung der Verkleidung über die gesamte Anlagefläche wird
vorteilhaft eine besonders stabile Verkleidung für die Unterlage geschaffen. Diese
Stabilität bleibt auch erhalten, wenn der Polymeraktor verformt wird. Die Verformung
des Polymeraktors kommt nämlich nicht durch Abheben der Verkleidung und Auswölben
von der Unterlage weg zustande, sondern durch das lediglich lokale Anlegen eines
elektrischen Feldes an den Polymeraktor. Ein elektrisches Feld in dem Polymeraktor
wird nämlich nur in denjenigen Teilbereichen erzeugt, die sich an die nur Teilbereiche
des Polymeraktors abdeckende Elektrodenlage anschließen. Da die anderen Bereiche
auch bei Anlegen eines elektrischen Feldes an den Polymeraktor unverformt bleiben,
weichen diese Bereiche den angrenzenden verformten Bereichen aus, so dass in den
Teilbereichen, in denen sich die Elektrodenlage befindet, eine Verdünnung des Polymeraktors
und in den Teilbereichen außerhalb der Elektrodenlage eine Verdickung des Polymeraktors
erfolgt. Hierdurch wird die Grenzschicht der Verkleidung verformt, wobei sich eine
Topographie mit Erhebungen und Vertiefungen der Grenzschicht einstellt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Elektrodenlage die Stege einer wabenartigen
Struktur auf der Polymerlage bilden. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine regelmäßige
Topografie der verformten Grenzschicht der Verkleidung einstellen, bei der die Erhöhungen
nährungweise kreisförmig sind und durch eine wabenförmig zusammenhängende, talartige
Vertiefung voneinander getrennt sind. Diese Bauform der Elektrodenlage hat außerdem
den Vorteil, dass sie, obwohl sie nur Teilbereiche des Polymeraktors bedeckt eine
zusammenhängende Struktur bildet, die einerseits einfach herzustellen und auf die
Polymerlage aufzubringen ist und andererseits vorteilhaft auch einfach elektrisch
zu kontaktieren ist. Selbstverständlich kann die Elektrodenlage auch anders, z.
B. linienförmig strukturiert sein, um z. B. eine Textur der Oberfläche zu erzeugen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Unterlage
eine Elektrode für eine Polymerschicht des Polymeraktors bildet. Dies ist nur dann
möglich, wenn die Unterlage selbst elektrisch leitend ist. In diesem Fall wird eine
Elektrodenlage zwischen der Unterlage und der Polymerlage eingespart, was vorteilhaft
den Fertigungsaufwand verringert. Die Unterlage kann beispielsweise geerdet sein,
so dass das Potential zur Erzeugung eines elektrischen Feldes an die grenzschichtseitige
Elektrodenlage angelegt werden kann.
Zuletzt ist gemäß einer Ausgestaltung beider Varianten der Erfindung
vorgesehen, dass die Grenzschicht als Zusatzschicht auf dem Polymeraktor ausgebildet
ist. Diese Zusatzschicht kann verschiedene Funktionen übernehmen und vorteilhaft
dadurch die Funktionalität der Verkleidung verbessern oder erweitern. Beispielsweise
ist eine optische Funktion (Farbstoff, Leuchtschicht) denkbar. Weiter kann die Zusatzschicht
eine Schutzfunktion für den Polymeraktor übernehmen, so dass dieser vor Umwelteinflüssen
geschützt wird. Auch ist eine Zusatzschicht denkbar, die aufgrund ihrer Oberflächenstruktur
einen Lotuseffekt der Oberfläche bewirkt. Wesentlich für die Funktion des Polymeraktors
ist jedoch, dass die Zusatzschicht elastisch ist, so dass sie eine Verformung der
Grenzschicht nicht verhindert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer
Ausführungsbeispiele beschrieben. Hierbei zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Verkleidung, bei der ein membranartiger Polymeraktor mit punktueller
Befestigung auf der Unterlage zum Einsatz kommt, im schematischen Schnitt,
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Verkleidung mit lamellenartigen Polymeraktoren als Seitenansicht und
3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Verkleidung mit einem ganzflächig fest auf der Unterlage montierten Polymeraktor
und einer wabenartigen Elektrode als geschnittene, perspektivische Ansicht.
Gemäß 1 ist eine Verkleidung
11 auf einer Unterlage 12, die verkleidet werden soll, mittels
Niete 13 punktuell befestigt. Die Verkleidung wird durch einen Polymeraktor
14 gebildet, der als Membranaktor ausgeführt ist. Dieser weist eine Polymerlage
15 aus einem elektroaktiven Polymer auf, welcher beidseitig mit je einer
Elektrodenlage 16a, 16b versehen ist. Die Niete 13 sind
in elektrisch isolierenden Buchsen 17 in der Unterlage 12 befestigt,
so dass eine elektrische Isolation der Niete 13 von der an sich elektrisch
leitfähigen Unterlage 12 gewährleistet ist. Die Niete 13 sind
elektrisch leitend mit der von der Unterlage abgewandten Elektrodenlage
16a verbunden, während die an die Unterlage 12 angrenzende Elektrodenlage
16b mit dieser kontaktiert ist. die Unterlage 12 kann damit als
Erdung 18 der Elektrodenlage 16b zum Einsatz kommen. Wird über
die Niete 13 ein Potential P angelegt, so führt das daraus resultierende
elektrische Feld in der Polymerlage 15 zum in 1
dargestellten Verformungszustand des Polymeraktors 14, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass sich zwischen den Niete 13 sich von der Unterlage 12
wegwölbende Bäuche der Verkleidung entstehen.
Mit der Verkleidung gemäß 1 ließen sich
beispielsweise die aerodynamischen Eigenschaften einer durch den Polymeraktor
14 gebildeten Grenzschicht verändern. Die Grenzschicht wird im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 durch die Elektrodenlage 16a gebildet.
Da der Polymeraktor 14 im unverformten Zustand mit einer
Anlagefläche A ohne Zwischenraum fest an der Unterlage 12 anliegt (nicht
dargestellt), sind in der Verkleidung 11 weiterhin Durchgangslöcher
19 vorgesehen, so dass ein Druckausgleich erfolgen kann, sobald sich aufgrund
der Verformung des Polymeraktors 14 ein Hohlraum 20 zwischen der
Verkleidung 11 und der Unterlage 12 ausbildet. Im Hohlraum
20 gemäß 1 sind weitere Kontaktstellen
21 der Verkleidung 11 mit der Unterlage 12 dargestellt,
die hinter der Schnittebene gemäß 1 liegen und durch
verdeckte, den dargestellten Nieten 13 benachbarte Nieten erzeugt werden.
Die Niete 13 sind auf der Unterlage jeweils in den Mittelpunkten der Waben
eines gedachten Wabenmusters angeordnet.
In den weiteren Figuren sind sich entsprechende Bauelemente mit jeweils
den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei diese nur insoweit nochmals erläutert
werden, wie sich Unterschiede zum Ausführungsbeispiel gemäß 1
ergeben.
Eine Verkleidung gemäß 2 besteht aus
Lamellen 22, welche jeweils mit ihrem einen Ende 23a fest mit
der Unterlage 12 verbunden sind, während das andere Ende 23b zusammen
mit der Anlagefläche A nur auf der Unterlage 12 aufliegt. Die Lamellen
22 weisen Polymeraktoren 14 auf, die als Biegeaktoren ausgeführt
sind. Um bei Verformung der Polymerlage 15 eine Biegung der Lamellen
22 hervorzurufen, ist die der Unterlage 12 zugewandte Elektrodenlage
16b mit einer im Vergleich zur Elektrodenlage 16a und einer auf
dieser aufgebrachten Zusatzschicht 24 wesentlich höheren Elastizität ausgestattet.
Die Biegung der Lamellen wird also dadurch hervorgerufen, dass die Elektrodenlage
16a und die Zusatzschicht 24 einer Dehnung der Polymerlage
15 einen wesentlich größeren Widerstand entgegensetzen als die Elektrodenlage
16b.
Die Zusatzschicht kann je nach ihrer Beschaffenheit zusätzliche Funktionen
der Verkleidung erfüllen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2
erhöht sie beispielsweise die Steifigkeit der Elektrodenlage 16a, so dass
die Funktionalität des Biegeaktors verbessert wird. Die Zusatzschicht kann beispielsweise
aus Teflon bestehen, so dass die Haftung beispielsweise von Kalkablagerungen
25 verringert wird und durch Betätigung der Biegeaktoren ein Absprengen
der Kalkablagerungen 25 erleichtert wird.
Die Verkleidung gemäß 3 wird durch die
Polymerlage 15 gebildet, die ganzflächig fest mit der Unterlage
12 verbunden ist. Die Unterlage 12 ist elektrisch leitend ausgeführt
und bildet insofern gleichzeitig die eine Elektrodenlage 16b zur Aktivierung
der Polymerlage 15. Die andere Elektrodenlage 16a besteht aus
wabenförmig miteinander verbundenen Stegen auf der freien Oberfläche der Polymerlage
15. Wird an die Elektrodenlagen 16a, 16b eine Spannung
U angelegt, so entsteht in der Polymerlage 15 ein elektrisches Feld mit
örtlich unterschiedlich starker Ausprägung, wobei das Feld im Bereich der wabenartigen
Stege der Elektrodenlage 16a ein Maximum erreicht. Daher ist in diesen
Bereichen die Verformung der Polymerlage 15, also die Verringerung ihrer
Dicke am stärksten, so dass das Material der Polymerlage in das Wabeninnere der
durch die Stege gebildeten Waben verdrängt wird und dort zu einer Verdickung der
Polymerlage 15 führt. Hierbei stellt sich das durch die strichpunktierte
Linie angedeutete Profil 26 der Oberfläche der Verkleidung ein. Diese Gestaltänderung
der Oberfläche kann in der bereits beschriebenen Weise genutzt werden.
Die Polymeraktoren 14 gemäß der 1
bis 3 weisen jeweils nur eine Polymerlage
15 auf. Allerdings können auch Schichtaktoren mit mehreren Polymerlagen
verwendet werden (nicht dargestellt), wobei sich hierdurch die erreichbaren Verformungsbeträge
steigern lassen.
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| Anspruch[de] |
- Verkleidung mit einer elastischen, die Oberfläche der Verkleidung bildenden
Grenzschicht und einem in die Verkleidung integrierten Polymeraktor (14)
zur Verformung der Grenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung
mit einer betragsmäßig mit dem Flächeninhalt der Verkleidung übereinstimmenden Anlagefläche
(A) an der verkleideten Unterlage (12) anliegt, wobei die Anlagefläche
nur mit Teilbereichen auf der Unterlage (12) befestigt ist.
- Verkleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymeraktor
als Membranaktor ausgebildet ist.
- Verkleidung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese in
regelmäßigen Abständen punktuell auf der Unterlage befestigt ist.
- Verkleidung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Verkleidung mit Durchgangslöchern (19) versehen ist.
- Verkleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus
einzeln jeweils mit einem Ende auf der Unterlage befestigten Lamellen (22)
zusammengesetzt ist, wobei die Lammellen jeweils als Biegeaktor ausgebildete Polymeraktoren
sind.
- Verkleidung mit einer elastischen, die Oberfläche der Verkleidung bildenden
Grenzschicht und einem in die Verkleidung integrierten Polymeraktor (14)
zur Verformung der Grenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung mit
einer betragsmäßig mit dem Flächeninhalt der Verkleidung übereinstimmenden Anlagefläche
(A) an der verkleideten Unterlage (12) anliegt, wobei die Verkleidung mit
der gesamten Anlagefläche (A) fest mit der Unterlage (12) verbunden ist
und zumindest eine Elektrodenlage (16a) für den Polymeraktor (14)
aufweist, die sich nur über einen Teilbereich des Polymeraktors (14) erstreckt.
- Verkleidung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenlage
(16a) die Stege einer wabenartigen Struktur auf der Polymerlage (15)
bilden.
- Verkleidung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Unterlage (12) eine Elektrode für eine Polymerschicht (15)
des Polymeraktors (14) bildet
- Verkleidung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Grenzschicht als Zusatzschicht (24) auf dem Polymeraktor ausgebildet
ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen
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