DE602005001130T2

DE602005001130T2 - Volumen-einfüllende, mechanische Strukturen sowie entsprechende Verfahren

Info

Publication number: DE602005001130T2
Application number: DE602005001130T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Ching-Shan Cheng; Nancy L. Johnson; Gary L. Jones; Scott R. Webb; Francis D. Wood; Ruth M. Gusko; Chin-Hsu Lin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: EP1582415B1; DE602005001130D1; EP1582415A2; US20050234139A1; US7401846B2; EP1582415A3; US20080200570A1; US7922236B2

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein Aktivierungsmechanismen zum Entfalten von volumenfüllenden mechanischen Strukturen, die für ein gesteuertes Aufprallenergiemanagement verwendet werden. Die volumenfüllenden mechanischen Strukturen sind im Volumen rekonfigurierbar, sodass sie in einem Ruhezustand ein kleines Volumen einnehmen und bei einer Aktivierung durch den Aktivierungsmechanismus schnell zu einem größeren Volumen in einem entfalteten Zustand expandieren.
Zusätzlich zu den Energie absorbierenden Eigenschaften einer Fahrzeugstruktur kann das Fahrzeug verschiedene, speziell vorgesehene Energie absorbierende Strukturen aufweisen, die innen oder außen angeordnet sind. Es sind viele Vorrichtungen bekannt, die eine Energieabfuhr unterstützen und Kräfte und Verzögerungen, die Insassen/Fußgeher im Fall eines Aufpralles erfahren, begrenzen. In der Fahrzeugtechnik gibt es allgemein zwei solche speziell vorgesehene Aufprallenergiemanagementstrukturen: jene, die passiv sind, und jene, die aktiv sind.
Ein Beispiel einer Energie absorbierenden Struktur, die in Fahrzeugen verwendet worden ist, ist ein expandiertes Wabenzellenmaterial, das in der expandierten Form in der Fahrzeugumgebung angeordnet ist. 1 zeigt ein Wabenzellenmaterial und den Prozessfluss zum Herstellen des Wabenzellenmaterials. Eine Rolle 10 aus einem bahnförmigen Material mit einer vorgewählten Breite W wird geschnitten, um eine Anzahl von Substratbahnen 12 bereitzustellen, wobei jede Bahn eine Anzahl von eng beabstandeten Klebestreifen 14 aufweist. Die Bahnen 12 werden gestapelt und der Klebstoff wird abgebunden, um dadurch einen Block 16 mit einer Dicke T zu bilden. Der Block 16 wird dann in geeignete Längen L geschnitten, um dadurch Wabenkörper 18 bereitzustellen. Die Wabenkörper 18 werden dann durch eine physikalische Trennung der oberen und unteren Flächen 20, 22 expandiert, wobei Klebestreifen als Knoten dienen, um die Wabenzellenkörper zu bilden. Ein vollständig expandierter Wabenkörper besteht aus einem Wabenzellenmaterial 24 mit deutlich erkennbaren hexagonal geformten Zellen 26. Das Verhältnis der ursprünglichen Dicke T zu der expandierten Dicke T' liegt zwischen etwa 1 zu 10 und etwa 1 zu 60. Das Wabenzellenmaterial wird dann in seiner vollständig expandierten Form innerhalb der Fahrzeugumgebung verwendet, um ein Aufprallenergiemanagement und/oder einen Insassenschutz (durch Kraft- und Verzögerungsbegrenzung) im Wesentlichen parallel zu der Zellenachse bereitzustellen. Da das Wabenzellenmaterial, wie erwähnt in der vollständig expandierten Form verwendet wird, wird ein beträchtlicher Fahrzeugraum verwendet, um die expandierte Form aufzunehmen und dieser Raum wird dauerhaft von dieser speziell vorgesehenen Energiemanagement/Insassenschutz-Struktur eingenommen.
Das expandierte Wabenzellenmaterial stellt ein Aufprallenergiemanagement parallel zu der Zellenachse auf Kosten eines Fahrzeugraums bereit, der durch diese speziell vorgesehene Energiemanagementstruktur dauerhaft eingenommen wird.
Typischerweise besitzen Energieabsorptionsstrukturen eine statische Konfiguration, in der ihr Ausgangsvolumen ihr festes, wirksames Volumen ist, d. h., sie leiten Energie ab und wandeln die Größen- und Zeitablaufeigenschaften des Verzögerungsimpulses um, indem sie von einem größeren zu einem kleineren Volumen zusammengedrückt werden (d. h. Eindrücken oder Hubvergrößerung eines Kolbens in einem Zylinder). Da diese passiven Aufprallenergiemanagementstrukturen ein maximales Volumen in dem nicht eingedrückten / nicht hubvergrößerten, ursprünglichen Zustand einnehmen, nehmen sie schon an sich Fahrzeugraum ein, der speziell für ein Aufprallenergiemanagement vorgesehen sein muss, wobei der Kontraktionsraum andernfalls unbrauchbar ist. Anders ausgedrückt verwenden passive Aufprallenergiemanagementstrukturen wertvollen Fahrzeugraum, der ihrem ursprünglichen Volumen entspricht und der über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs ausschließlich speziell für das Aufprallenergiemanagement vorgesehen ist.
Eine Hauptkategorie von aktiven Energie absorbierenden Strukturen umfasst jene, die eine vorbestimmte Größe besitzen, die bei einem Aufprall expandiert, um ihren Beitrag zu einem Aufprallenergiemanagement zu erhöhen. Eine Art einer solche speziell vorgesehenen volumen-/größenverändernden aktiven Energie absorbierenden Struktur ist eine Hubvergrößerungsvorrichtung, im Prinzip in Form einer Kolben- und Zylinderanordnung. Hubvergrößerungsvorrichtungen können derart konstruiert sein, dass sie geringe Kräfte bei einer Ausdehnung und deutlich größere Kräfte beim Zusammendrücken aufweisen (wie z. B. ein ausdehnbares / zurückziehbares Dämpfersystem), und sind beispielsweise an entweder dem vorderen oder hinteren Ende des Fahrzeugs montiert und in der vorwegge nommenen Richtung eines aufprallinduzierten Knautschens orientiert. Die Stangen solcher Vorrichtungen würden ausgedehnt sein, um die zuvor leeren Räume bei der Detektion eines bevorstehenden Aufpralls oder eines stattfindenden Aufpralls zu überspannen (wenn sie vor der Eindrückfront angeordnet sind). Diese Ausdehnung könnte alternativ durch Signale von einem Voraufprall-Warnsystem oder von Aufprallsensoren ausgelöst werden oder eine mechanische Reaktion auf den Aufprall selbst sein. Ein Beispiel wäre eine Vorwärtsausdehnung der Stange auf Grund ihrer Trägheit unter einem Aufprallimpuls mit einem hohen G. Die Nachteile solch eines Ansatzes umfassen eine große Masse und ein begrenztes Expansionsverhältnis (1 zu 2 anstelle von 1 zu 10 bis 1 zu 60, wie mit einem zusammengedrückten Wabenzellenmaterial möglich).
Ein weiteres Beispiel einer volumen-/größenverändernden aktiven Energie absorbierenden Struktur ist ein Aufprallschutzvorhang. Beispielsweise können ein herablassbares Rollo oder ein aufblasbarer Vorhang entfaltet werden, um den Fensterbereich und die Seitenstruktur des Fahrzeugs abzudecken.
Die EP 1 396 391 A2 offenbart ein/e volumenfüllende/s mechanische/s Anordnung und Verfahren gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein/en verbesserten/s Aktivierungsmechanismus und -verfahren zum selektiven Entfalten von expandierbaren Energie absorbierenden Vorrichtungen vorzusehen, die zur Aufpralldämpfung, zur strukturellen Verstärkung und dergleichen verwendet werden.
Kurzzusammenfassung
Die Lösung für diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Hierin sind Verfahren und Aktivierungsmechanismen zum Entfalten einer volumenfüllenden mechanischen Struktur offenbart, die zur Verwendung bei einem Energiemanagement geeignet sind. In einer Ausführungsform umfasst eine volumenfüllende mechanische Anordnung für ein Fahrzeug ein offenzelliges Material, das von einem nicht expandierten Zustand in einen expandierten Zustand expandierbar ist, wobei das offenzellige Material ferner eine erste steife Endkappe, die mit einem Ende des offenzelligen Materials verbunden ist, und eine zweite steife Endkappe, die mit einem anderen Ende des offenzelligen Materials verbunden ist, umfasst; und einen Aktivierungsmechanismus, der eine Expansion des offenzelligen Materials von dem nicht expandierten Zustand in den expandierten Zustand in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal regelt, wobei der Aktivierungsmechanismus ein Expansionsorgan umfasst, das zwischen die erste und zweite Endkappe gekoppelt ist.
Ein Verfahren zum Betreiben einer volumenfüllenden Struktur umfasst die Schritte, dass: ein Aufprallereignis erfasst wird; und die volumenfüllende Struktur nach dem erfassten Aufprallereignis von einem nicht expandierten Zustand in einen expandierten Zustand expandiert wird, wobei die volumenfüllende Struktur ein offenzelliges Material, eine erste steife Endkappe, die mit einem Ende des offenzelligen Materials verbunden ist, und eine zweite steife Endkappe, die mit einem anderen Ende des offenzelligen Materials verbunden ist, und einen Aktivierungsmechanismus umfasst, der eine Expansion des offenzelligen Materials von dem nicht expandierten Zustand in den expandierten Zustand in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal regelt, wobei der Aktivierungsmechanismus ein Expansionsorgan umfasst, das zwischen die erste und zweite Endkappe gekoppelt ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Versteifen und/oder Verstärken eines Fahrzeugelements die Schritte, dass: eine volumenfüllende Struktur innerhalb eines Fahrzeugelements angeordnet wird, wobei die volumenfüllende Struktur in dem nicht expandierten Zustand ist; und die volumenfüllende Struktur innerhalb des Fahrzeugelements expandiert wird, wobei das Expandieren der volumenfüllenden Struktur das Fahrzeugelement versteift und/oder verstärkt.
Die oben beschriebenen und weiteren Merkmale sind durch die nachfolgende/n Fig. und detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig., die sich auf beispielhafte Ausführungsformen beziehen sollen und wobei gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern aufweisen, ist:
1 eine perspektivische Darstellungen eines Herstellungsprozesses zum Bereitstellen eines Wabenzellenmaterials nach dem Stand der Technik;
2 eine perspektivische Darstellung einer Energie absorbierenden Vorrichtung, die ein zusammengedrücktes Wabenzellenmaterial gemäß der vorliegenden Offenlegung umfasst, das vor einer Expansion (ruhender Zustand) gezeigt ist;
3 eine perspektivische Darstellung der Energie absorbierenden Vorrichtung von 2, die ein expandiertes Wabenzellenmaterial gemäß der vorliegenden Offenlegung umfasst, das in einem expandierten (entfalteten) Zustand gezeigt ist;
4 eine perspektivische Darstellung der Energie absorbierenden Vorrichtung von 2 mit einem Aktivierungsmechanismus gemäß einer ersten Ausführungsform;
5 eine perspektivische Darstellung der Energie absorbierenden Vorrichtung von 2 mit einem Aktivierungsmechanismus gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 eine perspektivische Darstellung der Energie absorbierenden Vorrichtung von 2 mit einem Aktivierungsmechanismus gemäß einer dritten Ausführungsform;
7 eine Draufsicht eines Aktivierungsmechanismus gemäß einer vierten Ausführungsform;
8 eine Draufsicht eines Aktivierungsmechanismus gemäß einer fünften Ausführungsform; und
9 eine perspektivische Darstellung der Energie absorbierenden Vorrichtung von 2 mit einem Aktivierungsmechanismus gemäß einer sechsten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenlegung sieht Verfahren und Vorrichtungen zum Aktivieren von Energiemanagementstrukturen vor. Die Energiemanagementstrukturen umfassen allgemein eine expandierbare volumenfüllende mechanische Struktur für Anwendungen sowohl im Fahrzeugaufprallenergiemanagement als auch beim Insassen-/Fußgeherschutz. Vorzugsweise absorbiert die expandierbare volumenfüllende mechanische Struktur, hierin als Energie absorbierende Vorrichtung bezeichnet, wirksam die mit einem Aufprall einhergehende kinetische Energie. Wie hierin weiter beschrieben ist, umfassen geeignete Anwendungen, die die Energie absorbierende Vorrichtung innerhalb einer Fahrzeugumgebung oder um diese herum verwenden, eine Aufprallenergieabfuhr, eine Belastungspfaderzeugung, eine Modifizierung eines Fahrzeugverzögerungsimpulses, eine örtliche Versteifung oder Verstärkung der Fahrzeugstruktur, eine Versteifung oder Verstärkung von Elementen mit geschlossenem Profil, die einer Querbelastung ausgesetzt sind, einen Fußgeherschutz, einen Insassenschutz, eine Fahrzeugverträglichkeit bei Aufprallereignissen, einen Aufprallschutz für gefährdete Komponenten wie z. B. den Kraftstofftank, den Fahrgastraum und dergleichen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mit einer volumenfüllenden mechanischen Struktur der vorliegenden Offenlegung einen Wabenkörper aus offenzelligem Material vor einer Expansion, wobei die Expansion des Wabenkörpers aus offenzelligem Material in einer Ebene quer zu der Zellenachse seiner Zellen erfolgt und das Knautschen bei einem Aufprall parallel zu der Zellenachse sein soll. Das offenzellige Zellenmaterial ist in dem Sinn nicht expandiert, dass es im Wesentlichen vollständig rechtwinklig zu der Längsachse seiner Zellen und parallel zu der Richtung, in der es entfaltet werden soll, zusammengedrückt ist. Bei spielhaft und zum besseren Verständnis wird hierin Bezug auf ein wabenförmiges offenzelliges Material nach dem Stand der Technik wie das in 1 gezeigte genommen.
Der Wabenkörperziegel nimmt, abhängig von den ursprünglichen Zellengrößen und Wanddicken irgendwo zwischen ungefähr 1/10 bis 1/60 des Volumens ein, das er einnimmt, wenn er vollständig (das Expansionsverhältnis) zu einem expandierten Wabenzellenmaterial (expandierter Wabenkörper) expandiert ist. Wabenzellengeometrien mit kleineren Expansionsverhältnis-Werten liefern allgemein größere Eindrückkräfte und die Wahl des Wabenzellenmaterials ist von der Eindrückkraft (Steifigkeit) abhängig, die bei einer bestimmten Anwendung gewünscht ist (d. h. weichere oder härtere Metalle oder Verbundstoffe). Expandierte Wabenzellenmaterialien bieten geeignete Energie absorbierende Fähigkeiten, allgemein jedoch parallel zu der Zellenachse, wie hierin oben erläutert.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das offenzellige (z. B. Wabenkörper-) Material ein metallisches Material. Das offenzellige Material kann auch ein anderes geeignetes nicht metallisches Material wie z. B. Nylon, Zellulose oder andere Materialien umfassen. Die Materialzusammensetzung und Geometrien der offenen Zellen werden durch die gewünschte Anwendung bestimmt.
Wendet man sich nun den 2 und 3 zu, so sind perspektivische Darstellungen einer beispielhaften volumenfüllenden mechanischen Struktur 100 der vorliegenden Offenlegung vor und bei einer Expansion gezeigt. Auch wenn 3 die Expansion der Anordnung mit einer allgemein quadratischen Form zeigt, sind andere Formen umfasst und eine Einschränkung ist nur durch die Position der Vorrichtung innerhalb des Fahrzeugs gegeben. Beispielsweise kann ein gekrümmtes Profil für eine Entfaltung innerhalb eines Radkastens bewirkt werden. In der veranschaulichten Ausführungsform ist ein Wabenzellenmaterial 104 wie z. B. das gemäß einem hierin oben erläuterten Herstellungsverfahren hergestellte Material vorgesehen. Das Wabenzellenmaterial 104 ist zu Beginn in einer kompakten ziegelartigen Konfiguration verstaut, wie allgemein durch die Bezugsziffer 102 gezeigt. An den oberen und unteren Flächen 106, 108 des Wabenzellenziegels 102 sind jeweilige Endkappen 110, 112 (z. B. mit einem Klebstoff) befestigt. Die Endkappen 110, 112 sind steif und dienen als Führungselemente, um die Konfiguration des Wabenzellenmaterials 104 zwischen einem ruhenden Zustand, wie bei 2 gezeigt, und einem entfalteten Zustand, wie bei 3 gezeigt, zu definieren.
Die Endkappen 110, 112 müssen nicht unbedingt planar sein. Eigentlich müssen sie auch nicht dieselbe Form oder Größe aufweisen. Beispielsweise können die Endkappen 110, 112 eine Form umfassen, die mit der Fläche innerhalb des Fahrzeugs zusammenpasst, wo die Anordnung 100 angeordnet ist, wie z. B. eine Orientierung mit einer gekrümmten oder einer schrägen Form. Zum Beispiel kann für eine Expansion in einen sich verengenden keilförmigen Raum hinein die Endkappe, die sich bewegt, wenn das Wabenzellenmaterial expandiert, kürzer sein als die feststehende Endkappe, sodass das expandierte Wabenzellenmaterial eine komplementäre Keilform aufweist.
Die volumenfüllende mechanische Struktur 100 umfasst ferner eine optionale Abstützfläche 105. Im Allgemeinen ist das Energieabsorptionsvermögen der Anordnung 100 ausreichend, um die Schwere eines Aufpralls zu dämpfen, wenn das Wabenmaterial 104 entlang zumindest einer Abstützfläche 105 expandiert, um zu verhindern, dass sich das expandierte Wabenzellenmaterial durch Strecken in der Ebene infolge einer weiteren Expansion nach außen biegt. Die Anordnung 100 als solche kann in An wendungen verwendet werden, bei denen eine Abstützfläche naturgemäß zur Verfügung steht, und das Wabenmaterial 104 ist derart angeordnet, dass es entlang dieser Fläche expandiert, um eine geeignet Expansion des Wabenmaterials 104 vorzusehen. Dies umfasst einen Zusammenstoß zwischen einem Fußgeher und einem Fahrzeug sowie zwischen Fahrzeuginsassen und Abschnitten des Fahrzeuginneren wie z. B. dem Armaturenbrett, dem Türinneren, dem oberen Türrahmen, Dachholmen und Säulen.
Überdies kann in Anwendungen, in denen ein Insassen-/Fußgeheraufprall direkt gegen die expandierte wabenzellenartige Struktur 104 oder eine andere unebene Struktur erfolgen kann, ein entfaltbares/r Vorderflächenschild oder -schirm (nicht gezeigt) vorhanden sein, um eine weichere Oberfläche für eine Wechselwirkung mit dem Insassen/Fußgeher vorzusehen, als sie durch die Struktur 103 selbst geboten wird. Das Schild besteht aus einem beliebigen aus einer Vielfalt von dem Fachmann bekannten anpassungsfähigen Materialien.
Der Aktivierungsmechanismus, allgemein bei der Bezugsziffer 114 gezeigt, ist funktionell mit den Endkappen 110, 112 verbunden. Der Aktivierungsmechanismus 114 steuert den Zustand des Wabenzellenmaterials derart, dass bei einer Aktivierung eine Expansion von dem kompakten Zustand in den expandierten Zustand erfolgt. Diese Expansion geschieht bei einem Ansprechen auf ein Auslösen vor einem Aufprall oder während eines Aufpralls notwendigerweise schnell. Ein oder mehrere Montagebügel 115 kann/können mit einer der Endkappen 110, 112 verbunden sein, um ein Ende der volumenfüllenden mechanischen Struktur 100 an einer ausgewählten Position innerhalb des Kraftfahrzeuges zu befestigen. Die Bügel 115 können mit jedem beliebigen Mittel wie z. B. Schrauben, Schweißen und dergleichen befestigt sein und können jede beliebige Gestalt, Form oder Konfiguration aufweisen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen die 4 bis 9 verschiedene Ausführungsformen geeigneter Aktivierungsmechanismen 114 zum Entfalten der volumenfüllenden mechanischen Struktur 100. In 4 verwendet der Aktivierungsmechanismus 114 eine direkte pyrotechnische Entfaltungsvorrichtung 120. Im Allgemeinen ist bekannt, dass die pyrotechnischen Vorrichtungen 120, wie hierin offenbart, allgemein irreversibel sind und die Zündung einer explosiven Ladung beinhalten. In dieser Ausführungsform ist die pyrotechnische Entfaltungsvorrichtung 120 zylindrisch geformt wie gezeigt und ist zwischen den Endkappen 110, 112 angeordnet. Eine oder mehrere dieser pyrotechnischen Entfaltungsvorrichtungen 120 kann/können verwendet werden. Auf diese Weise trennt eine Aktivierung der pyrotechnischen Vorrichtung 120, d. h. eine Detonation der explosiven Ladung, die Endplatte 112 zwingend von der gegenüberliegenden Endplatte 110 und bewirkt dadurch eine Expansion des Wabenmaterials 104. Außerdem kann, da eine der Endkappen fest an einer feststehenden Fläche über Bügel 115 oder dergleichen befestigt ist, eine Entfaltung und nachfolgende Expansion des Wabenzellenmaterials gesteuert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform steht die pyrotechnische Vorrichtung 120 in Auslöseverbindung mit einem Sensor 122 wie z. B. einem Aufprallsensor, einem Precrash-Sensor oder dergleichen oder alternativ mit einem Ausgangssignal von einem Steuermodul (nicht gezeigt), das mit einer eingebetteten Entfaltungslogik arbeitet, die das Signal von dem Sensor 122 verwendet. Precrash-Sensoren sind geeignet, wenn sie programmiert sind, um falsche Detektionen zu eliminieren, obwohl Mittel zum Zurücksetzen der Vorrichtung 120 im Fall einer ungewollten Entfaltung möglich sind, die zumindest aus einem Austausch der explosiven Ladung und einem erneuten Zusammendrücken des nun entfalteten und expandierten Wabenzellenmaterials bestehen würden. Vorzugsweise würde die volumenfüllende mechanische Struktur 100 nicht in den Ruhezustand zurückversetzt sondern ausgetauscht werden. Die Position der pyrotechnischen Vorrichtung soll nicht auf die gezeigte Position beschränkt sein und hängt allgemein von dem gewünschten Ablenkwinkel des Wabenzellenmaterials 104 ab.
Alternativ kann ein indirektes pyrotechnisches Entfaltungsmittel verwendet werden, um eine Impulsübertragungsenergie bereitzustellen, die ausreicht, um die volumenfüllende mechanische Struktur 100 zu entfalten. Der Sensor 122 liefert ein Signal an die pyrotechnische Vorrichtung 120 um eine pyrotechnische Ladung zu sprengen, die ein Element (nicht gezeigt) gegen einen Abschnitt der Endkappe 112 treibt und dadurch eine Expansion des Wabenzellenmaterials 104 bewirkt.
5 veranschaulicht ein weiteres solches indirektes pyrotechnisches Entfaltungsmittel, das ein verbindendes flexibles Halteseil 126 verwendet, um eine Expansion zu erleichtern. Das verbindende Halteseil 126 ist an einem Ende an die steife Endkappe 112 gebunden und ist an dem anderen Halteseilende an eine Masse 128 gebunden, die an der pyrotechnischen Vorrichtung 120 befestigt ist. Die pyrotechnische Vorrichtung 120 ist funktionell mit der Masse 128 verbunden, sodass bei einer Betätigung die Masse 128 eine Kraft auf das Halteseil 126 ausübt und bewirkt, dass die Endkappe 112 schnell von der anderen Endkappe 110 weggezogen wird, was zu einer Expansion des Wabenzellenmaterials 104 führt. Eine Aktivierung der pyrotechnischen Vorrichtung 120 erfolgt vorzugsweise mit einem Signal von dem Sensor 122 wie zuvor beschrieben. Optional ist/sind eine oder mehrere Rolle/n 124 auf einer von der Endkappe 112 beabstandeten und dieser gegenüberliegenden Fläche angeordnet, wobei die volumenfüllende mechanische Struktur 100 in ihrer zusammengepressten Form vorliegt und das Halteseil 126 funktionell mit der Rolle 124 verbunden ist. Die Masse 128 ist an einem Ende des Halteseils befestigt, wie zuvor beschrieben, und ist funktionell mit der pyrotechnischen Vorrichtung 120 verbunden, sodass die Aktivierung der Vorrichtung 120 die Masse 128 antreibt, die eine Bewegung des an der Endkappe 112 befestigten Halteseils bewirkt und dadurch das Wabenzellenmaterial 104 expandiert. Die Masse und der mit ihrem Impuls verknüpfte Weg sind vorzugsweise von dem Weg des expandierbaren Wabenzellenmaterials 104 versetzt. Diese Ausführungsform bietet eine erhöhte Flexibilität der Position der volumenfüllenden mechanischen Struktur 100 innerhalb des Fahrzeugs. Beispielsweise kann die volumenfüllende Struktur innerhalb eines Abschnitts des Fahrzeugs angeordnet sein, während die Masse 128 und die pyrotechnische Vorrichtung 120 an einer anderen Position innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein können.
Elektrohydraulische und/oder elektromechanische Vorrichtungen anstelle der pyrotechnischen Vorrichtung 120 (wie z. B. ein motorbetriebener Schneckenantrieb) könnten ebenfalls direkt verwendet werden, um die Expansion des Wabenmaterials zu bewirken.
In einer weiteren Ausführungsform wird der wie in den 6 und 7 gezeigte Aktivierungsmechanismus 114 verwendet, um die volumenfüllenden mechanischen Anordnung 100 irreversibel auszulösen oder zu betätigen. Ein Expansionsorgan in der Form einer stark zusammengedrückten Feder 130 ist anliegend zwischen den Endkappen 110, 112 angeordnet. Die Feder 130 ist stark zusammengedrückt gehalten, wenn sich das Wabenzellenmaterial 104 in seiner verstauten (kompakten) Konfiguration befindet. Wie in 7 deutlicher gezeigt, umfasst der Aktivierungsmechanismus 114 in einer Ausführungsform eine Scheibe 132, die drehbar an der Endkappe 110 befestigt ist, wobei die Scheibe 132 ein Paar entgegengesetzte Finger 134 aufweist, das von einem Paar entgegengesetzte Schlitze 136, das in der Endkappe 110 gebildet ist, aufgenommen werden kann.
Ein Auslöser umfasst einen auf einem aktiven Material beruhenden Aktuator 140, der eine selektive Drehung der Scheibe 130 bewirkt. Der auf einem aktiven Material beruhende Aktuator 140 wird durch ein Signal von einem Aufprallsensor 142 ausgelöst, wobei das Signal von einem elektronischen Steuermodul 144 interpretiert wird, das in Ansprechen darauf ein Aktivierungssignal an den auf einem aktiven Material beruhenden Aktuator 140 sendet. Auf diese Weise bewirkt das an den auf einem aktiven Material beruhenden Aktuator 140 gesendete Aktivierungssignal eine Drehung der Scheibe 132, um zu bewirken, dass die Finger 134 in die Schlitze 136 fallen und die Feder 130 sich daraufhin schnell entspannt. Weitere Expansionsorgane neben einer zusammengedrückten Feder können z. B. eine pyrotechnische Vorrichtung oder einen Druckluftzylinder umfassen. Alternativ kann der Aktivierungsmechanismus durch einen Unfall infolge einer aufprallinduzierten Bewegung von Fahrzeugkomponenten passiv und mechanisch ausgelöst werden.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck reaktives Material", wie in Bezug auf den hierin verwendeten, auf einem aktiven Material beruhenden Aktuator 140 verwendet, auf mehrere verschiedene Klassen von Materialien, die alle eine Änderung zumindest einer Eigenschaft wie z. B. Größe, Form und/oder Biegemodul zeigen, wenn sie zumindest einem von vielen verschiedenen Arten von angelegten Aktivierungssignalen ausgesetzt sind, wobei Beispiele für solche Signale thermisch, elektrisch, magnetisch, mechanisch, pneumatisch und dergleichen sind. Eine Klasse von aktiven Materialien sind Formgedächtnismaterialien. Diese Materialien zeigen einen Formgedächtniseffekt. Im Speziellen können sie, nachdem sie pseudoplastisch verformt worden sind, in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal wieder in ihre ursprüngliche Form versetzt werden. Geeignete Formgedächtnismaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Formgedächtnislegierungen (shape memory alloys, SMA), ferromagnetische SMA und Formgedächtnispolymere (shape memory polymers, SMP). Als eine zweite Klasse von aktiven Materialien kann jene betrachtet werden, die eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zeigen, wenn sie einem angelegten Aktivierungssignal ausgesetzt sind, jedoch in ihren Ausgangszustand zurückkehren, wenn das angelegte Aktivierungssignal entfernt wird. Aktive Materialien in dieser Kategorie umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (electroactive polymers, EAP), magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR), elektrorheologische Fluide (ER), elektrostriktive Polymere, Ionic Polymer Gele, Verbundmaterialien aus einem oder mehreren der vorhergehenden Materialien mit nicht aktiven Materialien, Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen und dergleichen.
Von diesen aktiven Materialien sind für auf einem aktiven Material beruhende Aktuatoren 140 ferromagnetische SMA, EAP und piezoelektrische Materialien wegen ihrer schnellen Ansprech- bzw. kurzen Betätigungszeiten bevorzugt. Weniger bevorzugt, da sie thermisch aktiviert werden und somit längere Betätigungszeiten aufweisen, sind Formgedächtnislegierungen. SMA-Aktuatoren oder dergleichen können in der Form einer Feder, eines Drahtes, Fingers, Hakens oder einer ähnlichen Form vorliegen, die beim Aufbringen oder Entfernen von Wärme mechanisch anspricht. SMA-Aktuatoren sind im Allgemeinen in einer einzigen Richtung betätigbar, obwohl Zweiweg-Formgedächtnislegierungen zur Verfügung stehen. Die bevorzugte Quelle von Wärme an die Formgedächtnislegierungsaktuatoren ist die Bereitstellung von elektrischer Energie an den Draht, um Wärme über den Widerstand des SMA-Aktuators selbst zu erzeugen.
Bei einer Entspannung der Feder 130 bewirkt die mit ihr funktionell verbundene Endkappe 112 eine Expansion des Wabenzellenmaterials 104. In dieser Ausführungsform wird die zusammengedrückte Feder oder derglei chen, üblicherweise nicht in ihren Ruhezustand zurückversetzt, nachdem sie eingesetzt worden ist, wenn keine wesentliche mechanische Intervention, z. B. eine Rückstellung durch eine Mechanik erfolgt.
In 8 wird die zusammengedrückte mechanische Feder 130 in Verbindung mit einem passiven mechanischen Mittel verwendet. In einer Ausführungsform ist ein verbindendes flexibles Verbindungselement 146 an einem Ende an der Scheibe 132 befestigt, das die zusammengedrückte mechanische Feder 130 in dem stark zusammengedrückten Zustand hält, wie zuvor beschrieben, und ist an dem anderen Ende an der Fläche 148 befestigt. Wenn eine Aufprallkraft auf die Fläche 148 ausgeübt wird, wird in dem verbindenden Verbindungselement 146 eine Spannung erzeugt, die eine Drehung der Rückhaltescheibe 130 bewirkt, um eine Expansion der zusammengedrückten Feder 130 und des Wabenmaterials 104 zuzulassen. Die Sperre für die Rückhaltefeder 130 soll auf keine Konfiguration beschränkt sein. Der Fachmann wird erkennen, dass im Hinblick auf diese Offenlegung andere Sperren durch das Verbindungselement 146 aktiviert werden können. Beispielsweise kann eine einfache L-förmige Sperre ein Ende eines aufrechten Abschnittes, der an der Endkappe 112 verschwenkbar befestigt ist, und ein Querelement aufweisen, das das Wabenmaterial 104 und die zusammengedrückte Feder 130 durch einen Kontakt mit der Endkappe 110 zurückhält. Ein Verschwenken des aufrechten Abschnittes nimmt den Kontakt des Querelements weg und lässt eine Entspannung der Feder 130 zu. Ein Verschwenken kann mithilfe des daran befestigten Verbindungselements bewirkt werden. Vorteilhafterweise kann eine kleine Verschiebung wie z. B. ein Eindrücken eines vorderen Abschnitts des Fahrzeugs über eine Verzahnung derart ausgeführt sein, dass sie eine große Bewegung des Verbindungselements mit einer nachfolgenden Entfaltung des Wabenzellenmaterials 104 erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform kann die zusammengedrückte mechanische Feder 130 mithilfe einer Rückhalteklammer oder -nase betätigt werden. Die Klammer oder Nase würde durch eines der oben beschriebenen Mittel entfernt werden, um eine gleichzeitige Expansion der Feder 130 und des Wabenzellenmaterials 104 zuzulassen. Die Rückhalteklammer oder -nase kann z. B. durch eine Bewegung des Verbindungselements, durch einen auf einem aktiven Material beruhenden Aktuator, durch einen Magnetschalter, durch eine pyrotechnische Vorrichtung, durch eine pneumatische Vorrichtung und dergleichen entfernt werden.
9 veranschaulicht eine Ausführungsform eines direkten Aktivierungsmechanismus 114 mit einer pneumatischen Vorrichtung. Die pneumatische Vorrichtung umfasst allgemein einen expandierbaren Kanal 152, der sich von der Endplatte 110 zu der Endplatte 112 erstreckt. Ein Ende des Kanals 152 steht in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle 154; das andere Ende ist geschlossen. Ein Beispiel für eine geeignete Fluidquelle ist eine Druckluftquelle. Wenn der Kanal 152 unter Druck gesetzt wird, trennen sich die Endplatten 110, 112 und bewirken dadurch eine Expansion des Wabenzellenmaterial 104. Der Sensor 122 oder 142, wie zuvor in Bezug auf die 5 und 7 beschrieben, kann verwendet werden, um ein Freisetzen eines Fluids, z. B. Druckluft, von der Fluidquelle 154 auszulösen.
Alternativ kann eine pneumatische Aktivierung durch ein indirektes Mittel erfolgen, das Aktivierungsmechanismen ähnlich den zuvor beschriebenen verwendet. Beispielsweise kann ein Halteseil, ein Verbindungselement oder eine Masse pneumatisch durch Druckluft angetrieben werden, um z. B. eine Expansion des Wabenzellenmaterials 104 zu bewirken. In gleicher Weise kann ein auf einem aktiven Material beruhender Aktuator verwen det werden, um die pneumatische Vorrichtung zu betätigen und eine nachfolgende Expansion des Wabenzellenmaterials 104 zu bewirken.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Versteifen und/oder Verstärken eines Fahrzeugelements die Schritte, dass: eine volumenfüllende Struktur innerhalb eines Fahrzeugelements angeordnet wird, wobei die volumenfüllende Struktur in dem nicht expandierten Zustand ist; und die volumenfüllende Struktur innerhalb des Fahrzeugelements expandiert wird, wobei das Expandieren der volumenfüllenden Struktur das Fahrzeugelement versteift und/oder verstärkt. Das Fahrzeugelement kann z. B. eine hohle Schienenstruktur, eine B-Säule oder dergleichen umfassen. Die volumenfüllenden Struktur kann, falls gewünscht, innerhalb der hohlen Struktur angeordnet sein und dann mechanisch expandiert werden, um die Steifigkeit zu erhöhen oder die Festigkeit des Fahrzeugelements zu verstärken. Die volumenfüllende Struktur kann dann, z. B. nach Schweißarbeitsschritten und einer Rostschutzbehandlung, expandiert werden.
Es sollte auch angemerkt werden, dass die verschiedenen oben erläuterten Kräfte, die erforderlich sind, um das Wabenzellenmaterial 104 direkt oder indirekt in seinen entfalteten Zustand zu expandieren oder eine Expansion in diesen zu unterstützen, allgemein etwa weniger als 1 Kilonewton (kN) betragen. Das Wabenzellenmaterial 104 kann in einem weiten Bereich von Expansionsgeschwindigkeiten expandieren, z. B. von etwa 0,01 bis etwa 15 Metern pro Sekunde (m/s). Zum Befestigen der steifen Endkappen 110 und 112 an dem Wabenzellenmaterial 104 in seinem Ruhezustand können sehr einfache Mittel verwendet werden wie z. B. ein Zweikomponenten-Epoxikleber.
Ein reversibles Mittel mit gespeicherter Energie zum Entfalten kann in seinen Ruhezustand zurückversetzt werden, nachdem es entfaltet worden ist. Ein Zurücksetzen des entfalteten Entfaltungsmittels würde das Zurückversetzen des Wabenzellenmaterials 104 und ein Wiederaufladen oder Zurückversetzen der Vorrichtung mit gespeicherter Energie wie z. B. ein Wiederaufladen einer Druckluftquelle oder eine Neuausbildung des aktiven Materials und dergleichen umfassen, was manuell oder alternativ automatisch geschehen könnte. Ob eine irreversible oder reversible Ausführungsform gewählt wird ist von der Anwendung und dem Mittel zum Erfassen und Steuern abhängig, das verwendet wird, um eine Entfaltung auszulösen. Vorrichtungen auf der Basis von Precrash-Sensoren können ohne weiteres auf Grund der Möglichkeit falscher Detektionen bei vielen bestehenden Sensoren reversibel konstruiert sein, allerdings sollten die Vorrichtungen nicht intrusiv sein und die Funktion eines Fahrzeugs nicht beeinträchtigen. Es ist weniger Motivation vorhanden, Vorrichtungen reversibel zu konstruieren, deren Entfaltung auf eine Unfallerfassung basiert oder indirekt durch Verschiebungen auf Grund eines Eindrückens eines Fahrzeugs erfolgen. Die hierin offenbarten Vorrichtungen, die verwendet werden, um das Mittel zum Entfalten der volumenfüllenden Struktur hierin bereitzustellen, können durch Erfassen eines bevorstehenden Aufpralls durch Precrash-Sensoren betätigt werden. Mittel mit gespeicherter Energie auf der Basis von mechanischen Federn sind weniger wünschenswert als jene, die auf Druckluft basieren, da jene, die auf Druckluft basieren, im Gegensatz zu denen, die auf mechanischen Federn basieren, problemlos ausgeführt sind, um die gespeicherte Energie freizusetzen, wenn sie nicht benötigt wird, was die Sicherheit solcher Vorrichtungen drastisch erhöht. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform Druckluft freigesetzt werden, wenn ein Fahrzeug angehalten ist und/oder die Zündung ausgeschaltet ist, und dann automatisch wieder eingeführt werden, wenn ein Gang des Fahrzeugs eingelegt oder die Zündung eingeschaltet wird.
Was die auf einem aktiven Material beruhenden Aktuatoren betrifft, so umfassen geeignete piezoelektrische Materialien, sind jedoch nicht beschränkt auf anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder der Nebenkette oder an beiden Ketten innerhalb des Moleküls als geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen z. B., sind jedoch nicht beschränkt auf Polynatrium-4-Styrolsulfat, Poly-Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF"), co-Trifluorethylen und ihre Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und ihre Derivate; Polyacrylnitrile und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane und ihre Derivate, Biomoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Zellmembranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle wie z. B. Phosphodi-lipide; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyamide, umfassend aromatische Polyamide und Polyimide, umfassend Kapton und Polyetherimid und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-vinylpyrrolidon (PVP)-Homopolymer und seine Derivate und statistische PVP-Covinylacetat-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten, und Mischungen davon.
Ein piezoelektrisches Material kann auch Metalle umfassen die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirkonium, Niob, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silicium, Kupfer, Legierungen, die zumindest eines der vorhergehenden Metalle umfassen, und Oxiden, die zumindest eines der vorhergehenden Metalle umfassen, besteht. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon, und Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon. Vorzugsweise ist das piezoelektrische Material aus der Gruppe gewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirkonattitanat und Bariumtitanat und Mischungen davon besteht.
Formgedächtnispolymere (shape memory polymers, SMP) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt sind. Das Formgedächtnispolymer kann in der Form eines Festkörpers oder eines Schaums vorliegen, wie es für einige Ausführungsformen erwünscht sein kann. Formgedächtnislegierungen können Phasenübergänge erfahren, in denen ihre Form als eine Funktion der Temperatur verändert wird. Im Allgemeinen sind SMP Copolymere, die aus zumindest zwei verschiedenen Einheiten bestehen, die so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente innerhalb des Copolymers definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Biegemoduleigenschaften und Temperaturen einer thermischen Umwandlung des Materials beitragen. Der Ausdruck „Segment" bezieht sich auf einen Block, einen Pfröpfling oder eine Folge derselben oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die mit einem anderen Segment polymerisiert sind, um ein kontinuierliches, vernetztes Durchdringungsnetzwerk dieser Segmente zu bilden. Diese Segmente können eine Kombination aus kristallinen oder amorphen Materialien sein und daher allgemein als (ein) harte(s) Segment(e) oder (ein) weiche(s) Segment(e) klassifiziert werden, wobei das harte Segment im Allgemeinen eine/n höhere/n Transformationstemperatur (Tg) oder Schmelzpunkt besitzt als das weiche Segment. Jedes Segment trägt dann zu den Gesamt-biegemoduleigenschaften des SMP und seinen thermischen Umwandlungen bei. Wenn mehrere Segmente verwendet werden, können mehrere Temperaturen einer thermischen Umwandlung beobachtet werden, wobei die Temperaturen einer thermischen Umwandlung des Copolymers als gewichtete Mittelwerte der Temperaturen einer thermischen Umwandlung der Segmente angenähert werden, die es umfasst. Was die Formgedächtnispolymerschäume betrifft, so kann die Struktur je nach Wunsch offenzellig oder geschlossenzellig sein.
In der Praxis werden die SMP zwischen einer von zumindest zwei Formen verändert, sodass zumindest eine Orientierung eine Größenreduktion bezüglich der anderen Orientierung/en vorsieht, wenn ein geeignetes thermisches Signal geliefert wird. Um eine permanente Form festzulegen, muss das Formgedächtnispolymer bei oder über seinem Schmelzpunkt oder seiner höchsten Umwandlungstemperatur (auch als „letzte" Umwandlungstemperatur bezeichnet) vorliegen. SMP-Schäume werden bei dieser Temperatur geformt, indem sie mit einer aufgebrachten Kraft blasgeformt oder geblasen werden, gefolgt von einem Kühlen, um die permanente Form festzulegen. Die Temperatur, die erforderlich ist, um die permanente Form festzulegen, liegt allgemein zwischen etwa 40 °C und etwa 100 °C. Nach einer Expansion durch ein Fluid wird die permanente Form wiedergewonnen, wenn die aufgebrachte Kraft entfernt wird, und das expandierte SMP wird wieder auf die höchste oder letzte Umwandlungstemperatur des SMP oder darüber gebracht. Die Tg des SMP kann durch Modifizieren der Struktur und der Zusammensetzung des Polymers für eine bestimmte Anwendung gewählt werden.
Die Eigenschaft der Formgedächtnispolymere, die im Hinblick auf die hierin beschriebenen Entfaltungsmechanismen am vorteilhaftesten ist, ist die drastische Abnahme des Moduls, wenn sie über die Transformationstemperatur Tg ihres Bestandteils mit der niedrigeren Temperatur erwärmt werden. Dies macht sie somit hervorragend geeignet als Sperren (Umkehraktuatoren). Bei Temperaturen unterhalb von Tg besitzen sie einen höheren Modul und können physikalisch positioniert werden, um die Freisetzung gespeicherter Energie wie jener, die in einer zusammengedrückten Feder gespeichert ist, zu blockieren. Wenn es höher als bis Tg erwärmt wird, wird das Sperr-Blockelement relativ elastisch und bewirkt, dass die gespeicherte Energie freigesetzt wird.
Die Temperatur, die für eine Wiederherstellung einer permanenten Form erforderlich ist, kann allgemein bei jeder Temperatur zwischen etwa –63 °C und etwa 160 °C oder höher festgelegt sein. Die Gestaltung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer speziellen Temperatur für eine gewünschte Anwendung erlauben. Eine bevorzugte Temperatur für eine Formwiederherstellung ist größer als oder gleich etwa –30 °C, bevorzugter größer als oder gleich 20 °C und am bevorzugtesten eine Temperatur größer als oder gleich etwa 70 °C. Eine bevorzugte Temperatur für eine Formwiederherstellung ist auch kleiner als oder gleich 250 °C, bevorzugter kleiner als oder gleich etwa 200 °C und am bevorzugtesten kleiner als oder gleich etwa 180 °C.
Geeignete Formgedächtnispolymere können Thermoplasten, durchdringende Netzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke sein. Die Polymere können ein einziges Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dentritischen Strukturele menten sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazane, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenter-phthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen Polymethylmethacylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutyl-acrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele weiterer geeigneter Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidin, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterphthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Block-Copolymer), Polycaprolaktondiniethacrylat-n-Butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Block-Copolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcoplymere und dergleichen.
Die Durchführung einer Polymerisation von verschiedenen monomeren Segmenten mit einem Treibmittel kann verwendet werden, um die Form des Formgedächtnispolymerschaum zu bilden. Das Treibmittel kann ein zerfallendes (das bei einer chemischen Zerlegung ein Gas entwickelt) oder ein verdampfendes sein (das ohne chemische Reaktion verdampft). Beispielhafte zerfallende Treibmittel umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf Natriumbicarbonat, Azidverbindungen, Ammoniumcarbonat, Ammoniumnitrit, Leichtmetalle, die bei einer Reaktion mit Wasser Wasserstoff entwickeln, Azodicarbonamid, N,N'-Dinitrosopenta methylentetramin und dergleichen. Beispielhafte verdampfende Treibmittel umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf Trichlormonofluormethan, Trichlortrifluorethan, Methylenchlorid, komprimiertes Stickstoffgas und dergleichen. Das Material kann dann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das Material bis über seine Tg jedoch unterhalb der höchsten thermischen Umwandlungstemperatur oder des Schmelzpunkts erwärmt wird. Somit ist es durch Kombinieren von mehreren weichen Segmenten möglich, mehrere temporäre Formen darzustellen und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen darzustellen.
Geeignete Formgedächtnislegierungen liegen im Allgemeinen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die so genannten Martensit- und Austenit-Phasen. In der folgenden Erläuterung bezieht sich die Martensit-Phase im Allgemeinen auf die verformbarere Niedrigtemperatur-Phase, während sich die Austenit-Phase im Allgemeinen auf die starrere Hochtemperatur-Phase bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensit-Phase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenit-Phase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird of als Austenit-Starttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen aufhört, wird als die Asutenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenit-Phase befindet und gekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensit-Phase zu verändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Starttemperatur (MS) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich zu Martensit umzuwandeln, wird als die Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen weicher und einfacher verformbar in ihrer martensitischen Phase und sind härter, steifer und/oder starrer in der austenitischen Phase. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Expansion des Formgedächtnislegierungsschaumes vorzugsweise bei oder unterhalb der Austenit-Umwandungstemperatur (bei oder unterhalb von As). Ein nachfolgendes Erwärmen über die Austenit-Umwandlungstemperatur bewirkt, dass die expandierte Formgedächtnislegierungen in ihre permanente Form zurückkehrt. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größenordnung, die die Umwandlungen zwischen den Martensit- und Austenit-Phasen bewirkt. Für jene Formgedächtnismaterialien, die ferromagnetisch sind, kann ein magnetisches und/oder ein thermisches Signal angelegt werden, um die gewünschte Formänderung hervorzurufen.
Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung sich an ihre Hochtemperaturform „erinnert", wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und über eine Wärmebehandlung eingestellt werden. Zum Beispiel kann sie in Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen von oberhalb von etwa 100 °C bis unter etwa –100 °C verändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess erfolgt in einem Bereich von nur wenigen Grad und der Beginn oder das Ende der Umwandlung kann abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung innerhalb von einem oder zwei Grad gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung schwanken stark über den ihre Umwandlung überspannenden Temperaturbereich und stellen typischerweise Formgedächtniseffekte, überelastische Effekte und ein hohe Dämpfungsfähigkeit auf.
Es ist die Kombination aus starker Verformungsrückbildung (Formgedächtniseffekt) und hoher Betätigungskraft, die SMA geeignet für die Frei setzung von gespeicherter Energie macht, die in vielen der oben stehenden Entfaltungsmechanismen benötigt wird.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von einer höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Zusammensetzung der Legierung zeigt einen Formgedächtniseffekt, d. h. eine Änderung der Form, Änderungen der Fließgrenze und/oder der Biegemoduleigenschaften, der Dämpfungsfähigkeit, der Überelastizität und dergleichen. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungs-Zusammensetzung ist abhängig von dem Temperaturbereich, in dem die Komponente arbeiten wird.
Geeignete magnetische Materialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf weiche oder harte Magnete; Hematit; Magnetit; magnetisches Material auf der Basis von Eisen, Nickel und Cobalt, Legierungen aus den vorgenannten oder Kombinationen, die zumindest eines der vorgenannten umfassen, und dergleichen. Legierungen aus Eisen, Nickel und/oder Cobalt können Aluminium, Silicium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen.
Geeignete MR-Fluid-Materialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Trägerfluid dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenlegierungen wie z. B. solche, die Aluminium, Silicium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, umfassend Fe₂O₃ und Fe₃O₄; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Legierungen aus Nickel; Cobalt und Legierungen aus Cobalt; Chromdioxid; Edelstahl; Siliciumstahl; und dergleichen. Beispiele für geeignete Partikel umfassen reine Eisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen aus Eisenoxidpulver und reinem Eisenpulver und Mischungen aus Eisenoxidpulver und reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzugtes auf Magnetismus ansprechendes Partikel ist Carbonyleisen, vorzugsweise reduziertes Carbonyleisen.
Die Partikelgröße sollte so gewählt sein, dass die Partikel Mehrdomäneneigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt sind. Die Durchmessergrößen für die Partikel können weniger als oder gleich etwa 1000 Mikrometer betragen, wobei weniger als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometer bevorzugter sind. Ebenfalls bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei mehr als oder gleich etwa 0,5 bevorzugter sind und mehr als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt sind. Die Partikel sind vorzugsweise in einer Menge von etwa 5,0 bis etwa 50 Vol-% der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere unpolare organische Flüssigkeiten. Beispiel umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Silikonöle; Mineralöle; Paraffinöle; Silikon-Copolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatoröle; halogenierte organische Flüssigkeiten wie z. B. Chlorkohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkyle ne, fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle mit sowohl ungesättigten als auch gesättigten; und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann weniger als oder gleich etwa 100 000 Centipoise betragen, wobei weniger als oder gleich etwa 10 000 Centipoise bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 1 000 Centipoise bevorzugter sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Viskosität von mehr als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei mehr als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt sind und mehr als oder gleich etwa 500 Centipoise speziell bevorzugt sind.
Wässrige Trägerfluide können ebenfalls verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile Mineraltone wie z. B. Bentonit oder Hektorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer geringen Menge von polaren, wassermischbaren organischen Lösungsmitteln wie z. B. Methanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran; Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist kleiner als oder gleich etwa 5 Vol.% des gesamten MR-Fluids und vorzugsweise kleiner oder gleich etwa 3%. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist vorzugsweise größer als oder gleich etwa 0,1 % und bevorzugter größer als oder gleich etwa 1,0 Vol-% des gesamten MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist vorzugsweise kleiner als oder gleich etwa 13 und vorzugsweise kleiner als oder gleich etwa 9,0. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist auch größer als oder gleich etwa 5,0 und vorzugsweise größer als oder gleich etwa 8,0.
Natürlicher oder synthetischer Bentonit oder Hektorit können verwendet werden. Die Menge von Bentonit oder Hektorit in dem MR-Fluid ist kleiner als oder gleich etwa 10 Gew.-% des gesamten MR-Fluids, vorzugsweise kleiner als oder gleich etwa 8,0 Gew.-% und bevorzugter kleiner als oder gleich etwa 6,0 Gew.-% sein. Vorzugsweise ist der Bentonit oder Hektorit in mehr als oder etwa 0,1 Gew.-%, bevorzugter in mehr als oder 1,0 Gew.% und besonders bevorzugt in mehr als oder etwa 2,0 Gew.-% des gesamten MR-Fluids vorhanden.
Optionale Komponenten in den MR-Fluiden umfassen Tone, organophile Tone, Carboxylatseifen, Dispergiermittel Korrosionshemmer, Schmiermittel, Hochdruckverschleißinhibitoren, Antioxidantien, thixotrope Stoffe und herkömmliche Antiabsetzmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphtenat, Eisenstearat, Aluminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und oberflächenaktive Verbindungen wie z. B. Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester, und Titatanat-, Aluminat- und Zirkonat-Haftmittel und dergleichen. Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise veresterte Polyole können ebenfalls umfasst sein.
Es ist die Änderung (ein drastischer Abfall) der Scherfestigkeit des MR-Fluids, wenn es einem von einem Elektromagneten erzeugten zurückstellenden magnetischen Feld ausgesetzt ist, die es geeignet für eine Verwendung als Aktivierungsmechanismus in einer auf Wunsch lösbaren Sperre oder einer anderen Form eines deaktivierbaren Blockiermechanismus für gespeicherte Energie macht.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf eine Elastopolymermatrix mit einer Suspension von fer romagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen. Es ist die Änderung der Steifigkeit des MR-Elastomers, wenn es einem magnetischen Feld ausgesetzt ist, die es geeignet für ein lösbares nach Wunsch Sperr- oder Blockierelement für die gespeicherte Energie macht.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder besitzen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven Pfropfelastomers mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektrostriktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi (oder eine Kombination davon) umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt, oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, druckempfindliche Haftmittel, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, können z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermi schungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es seinen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung ist nicht auf diese Bereiche beschränkt. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein. Geeignete Dicken für diese Filme können unterhalb von 50 Mikrometer liegen.
Da elektroaktive Polymere der vorliegenden Erfindung sich bei hohen Belastungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind geeignet, eine geeignete Spannung an ein elektroakti ves Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind vorzugsweise fügsam und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung fügsame Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden Offenlegung geeignete Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten wie z. B. Kohlepasten oder Silberpasten, kolloidale Suspensionen, Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionenleitfähigen Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden, können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, umfassend Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Es sind die großen Formänderungen und die somit möglichen Verschiebungen bei EAP, die sie gut geeignet als Aktuatoren zum Freisetzen ge speicherter Energie und dabei zum Entfalten der offenzelligen Energiemanagementvorrichtungen macht.
Während die Offenlegung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, wird für den Fachmann einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material für die Lehre der Offenlegung geeignet zu machen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Die Offenlegung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Art der Ausführung der Offenlegung betrachtet wird, sondern die Offenlegung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) für ein Fahrzeug, wobei die Anordnung umfasst: ein offenzelliges Material (104), das von einem nicht expandierten Zustand in einen expandierten Zustand expandierbar ist, wobei das offenzellige Material (104) ferner eine erste steife Endkappe (110), die mit einem Ende des offenenzelligen Materials (104) verbunden ist, und eine zweite steife Endkappe (112), die mit einem anderen Ende des offenzelligen Materials (104) verbunden ist, umfasst; und einen Aktivierungsmechanismus (114), der eine Expansion des offenzelligen Materials (104) von dem nicht expandierten Zustand in den expandierten Zustand in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal regelt, wobei der Aktivierungsmechanismus (114) ein Expansionsorgan umfasst, das zwischen die erste und zweite Endkappe (110, 112) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsmechanismus (114) einen auf einem aktiven Material basierenden Aktuator (140) umfasst, der ein aktives Material aufweist, das zumindest eine Eigenschaft davon in Ansprechen auf das Aktivierungssignal ändert, um selektiv das Expansionsorgan auszulösen.
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Expansionsorgan eine pyrotechnische Vorrichtung (120) zwischen der ersten und zweiten Endkappe (110, 112) umfasst.
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Expansionsorgan eine pneumatische Vorrichtung (154) in funktioneller Verbindung mit der ersten und zweiten Endkappe (110, 112) umfasst und geeignet ist, um die zweite Endkappe (112) selektiv von der ersten Endkappe (110) selektiv zu trennen.
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal eines von einem thermischen Aktivierungssignal, einem elektrischen Aktivierungssignal, einem magnetischen Aktivierungssignal, einem mechanischen Aktivierungssignal und einem pneumatischen Aktivierungssignal umfasst.
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei der auf einem aktiven Material basierende Aktuator (140) eine Formgedächtnis-Legierung, eine ferromagnetische Formgedächtnis-Legierung, ein Formgedächtnis-Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Fluid oder Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein elektrostriktives Polymer, Verbundmaterialien aus einem oder mehreren der vorhergehenden Material/ien mit nicht aktiven Materialien und Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden Materialien umfassen, umfasst.
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Sensor (122) in funktioneller Verbindung mit dem Aktivierungsmechanismus (114).
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Expansionsorgan ein Halteseil (126), dessen eines Ende an der zweiten Endkappe (112) befestigt ist und dessen anderes En de an einem beweglichen Körper (128) befestigt ist, und eine pyrotechnische Vorrichtung (120), eine pneumatische Vorrichtung (154), eine elektromechanische Vorrichtung, eine elektrohydraulische Vorrichtung, oder eine mechanische Vorrichtung in funktioneller Verbindung mit dem beweglichen Körper umfasst.
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Rolle (124) in funktioneller Verbindung mit dem Halteseil (126).
Volumenfüllende mechanische Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das offenzellige Material (104) eine Wabenstruktur umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer volumenfüllenden Struktur (100), umfassend die Schritte, dass: ein Aufprallereignis erfasst wird; und die volumenfüllende Struktur (100) nach dem erfassten Aufprallereignis von einem nicht expandierten Zustand in einen expandierten Zustand expandiert wird, wobei die volumenfüllende Struktur (100) ein offenzelliges Material (104), eine erste Endkappe (110), die mit einem Ende des offenenzelligen Materials (104) verbunden ist, und eine zweite Endkappe (112), die mit einem anderen Ende des offenzelligen Materials (104) verbunden ist, und einen Aktivierungsmechanismus (114) umfasst, der eine Expansion des offenzelligen Materials (104) von dem nicht expandierten Zustand in den expandierten Zustand in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal regelt, wobei der Aktivierungsmechanismus ein Expansionsorgan umfasst, das zwischen die erste und zweite Endkappe (110, 112) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsmechanismus (114) als ein auf einem aktiven Material basierender Aktuator (140) vorgesehen ist; und dass zumindest eine Eigenschaft eines aktiven Materials des auf einem aktiven Material basierenden Aktuators (140) in Ansprechen auf das Aktivierungssignal geändert wird, um selektiv das Expansionsorgan auszulösen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Expandieren der volumenfüllenden Struktur (100) umfasst, dass der Aktivierungsmechanismus (114) ausgelöst wird, wobei ein Auslösen des Aktivierungsmechanismus (114) eine explosive Entladung einer pyrotechnischen Vorrichtung (120) umfasst, um die zweite Endkappe (112) von der ersten Endkappe (110) weg zu zwingen und das offenzellige Material (104) zu expandieren.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die pyrotechnische Vorrichtung (120) in funktioneller Verbindung mit einem oder mehreren Halteseil/en (126) steht, wobei ein Ende des einen oder der mehreren Halteseils/e an der zweiten Endkappe (112) befestigt ist und ein anderes Ende an einer beweglichen Masse (128) befestigt ist, wobei eine explosive Entladung der pyrotechnischen Vorrichtung (120) die bewegliche Masse (128) derart bewegt, dass das eine oder die mehreren Halteseil/e (126) die zweite Endkappe (112) von der ersten Endkappe (110) weg zwingt/en und das offenzellige Material (104) expandiert/en.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend eine Rolle (124) in funktioneller Verbindung mit dem einen oder den mehreren Halteseil/en (126).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Expandieren der volumenfüllenden Struktur (100) den Schritt umfasst, dass eine pneumatische Vorrichtung (154) ausgelöst wird, um die zweite Endkappe (112) von der ersten Endkappe (110) weg zu zwingen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die pneumatische Vorrichtung (154) eine Druckfluidquelle in Fluidverbindung mit einer Leitung (152) umfasst, wobei die Leitung (152) zwischen der ersten und der zweiten Endkappe (110, 112) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Expandieren der volumenfüllenden Struktur (100) den Schritt umfasst, dass ein mechanisches Ereignis ausgelöst wird, um die zweite Endkappe (112) von der ersten Endkappe (110) weg zu zwingen.