Anwendungsmöglichkeiten für Formgedächtnislegierungen

Formgedächtnislegierungen (FGL) gehören zur Gruppe der Funktionswerkstoffe (Smart Materials). Sie besitzen die Fähigkeit, beim Überschreiten einer kritischen Temperatur eine beliebige, zuvor eingeprägte Form anzunehmen. Ein Formgedächtnisdraht von zwei Millimeter Durchmesser kann eine Last von über 100 Kilogramm zyklisch anheben. Der Draht selbst hat dabei lediglich ein Gewicht von 25 Gramm. (Quelle: FG-Innovation)

Durch ihre Eigenschaften ergeben sich vielfältige Nutzungsmöglichkeiten für FGL. Zwei Anwendungsbeispiele sollen einmal näher betrachtet werden

Anwendungsbeispiel: Stellantrieb

Ausgangssituation:

In vielen Einsatzbereichen, z.B. im Automobilbau und im Maschinenbau werden oft Antriebe kleiner Leistung benötigt. Sie übernehmen Stellaufgaben wie Entriegelungen oder das Öffnen bzw. das Schließen von Klappen. Meist kommen dafür Elektromotoren mit nachgeschaltetem Getriebe zum Einsatz. Aufgrund des hohen spezifischen Arbeitsvermögens stellen Drahtaktoren aus thermischer FGL eine geeignete Alternative dar.

Lösung:

Das Fraunhofer IWU entwickelt deshalb zusammen mit verschiedenen Industriepartnern für unterschiedliche Anwendungsbereiche Antriebe auf Basis von thermischen Formgedächtnislegierungen. Typische Einsatzbereiche sind Anwendungen mit Aktorwegen bis 20 mm und Aktorkräften bis ca. 100 N.

Im Fokus der Entwicklung stehen dabei sowohl vergleichsweise einfache Stellantriebe mit Auf/Zu-Funktion als auch positionsgeregelte Antriebe. Der gefügeabhängige elektrische Widerstand der Aktoren erlaubt dabei eine Erfassung der aktuellen Aktorposition ohne externen Wegsensor.

Vorteile / Vorgehensweise:

FG-basierte Stellantriebe sind deutlich kleiner und leichter als konventionelle Antriebe. Außerdem sind sie absolut geräuschlos und meist kostengünstiger. Vor der Entwicklung eines Antriebes sind jedoch in jedem Fall die Eigenschaften von FGL kritisch an den Anforderungen der jeweiligen Antriebsaufgabe zu spiegeln und eine Abschätzung des Verbesserungspotentials durchzuführen.

Anwendungsbeispiel: Thermosensitive Aktorik

Ausgangssituation:

In technischen Prozessen entsteht oft ungewollt Wärme. Ursache können Reibungseffekte, thermische Verluste in Motoren oder durch Bearbeitungsprozesse entstehende Wärme sein. Insbesondere bei zeitlich oder örtlich inhomogenen Wärmequellen entstehen dadurch veränderliche Prozessbedingungen, welche einen ungünstigen Einfluss auf die Qualität des Prozesses oder auf den Verschleiß beteiligter Komponenten haben.

Lösung:

Durch den Einsatz thermischer Formgedächtnislegierungen als thermosensitive Aktorik, steht ein Werkzeug zur Verfügung, um gezielt auf diese thermisch induzierten Prozessvariationen zu reagieren. Damit ist es möglich, z. B. thermische Deformationen zu kompensieren oder Wärmeströme gezielt zu steuern.

Als Halbzeuge kommen meist Bleche, Stäbe oder Rohre zum Einsatz, die eine Übertragung der Prozesswärme in den Aktor erlauben. Im Gegensatz zu Stellantrieben liegen die Kräfte meist im ein- oder zweistelligen kN-Bereich, die Wege jedoch lediglich bei 1 bis 2mm.

Vorgehensweise:

Der Entwicklungsprozess solcher strukturintegrierter Aktoren geht immer von der Ermittlung stationärer und transienter Temperaturfelder aus. Auf dieser Basis werden eine geeignete Aktorgeometrie und ein Einbauort für den Aktor festgelegt. Im Gegensatz zu konventionellen Aktoren müssen bei der Dimensionierung neben der mechanischen Auslegung die thermodynamischen Eigenschaften der Komponente und des Aktors berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere, wenn ausschließlich die Prozesswärme genutzt werden soll und somit ein völlig autarkes Aktorsystem entsteht.