Wer profitiert von den Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen?

Wegen des unterschiedlichen Materialverhaltens von FGL ist diese Werkstoffgruppe vielfältig und innovativ in nahezu allen Bereichen der Industrie einsetzbar. Dazu zählen unter anderem folgende Branchen:

  • Medizintechnik
  • Automatisierungstechnik
  • Brandschutztechnik
  • Fahrzeugbau
  • Maschinenbau
  • Leichtbau
  • Mikroelektronik
  • Luft- und Raumfahrt
  • Halbzeug- und Bauteilherstellung

Anwendungsbeispiel: Der FGL-Standardaktor als Marketingkonzept

Die Firma FG-INNOVATION bietet Dienstleistungen und Produkte auf Basis der Formgedächtnistechnik an. Die steigenden Anforderungen an Energieeffizienz, geringes Gewicht und günstige Kosten können von Antriebssystemen heutzutage kaum noch erfüllt werden.

Um dieses Problem zu lösen, setzt das Unternehmen auf neue Technologien im Bereich Aktorik, die Formgedächtnistechnik. Ein Formgedächtnisdraht von 2 mm Durchmesser kann dabei z.B. eine Last von über 100 kg anheben. Bei einem Drahtgewicht von 25 g ist dies das 4000-fache des eigenen Gewichtes.

Schon die ersten Versuche an Prototypen haben gezeigt, dass Formgedächtnisaktoren einen Technologiesprung im Bereich der Antriebstechnik bewirken können. "LaufendeProjekte mit Referenzkunden aus der Industrie bestätigen zudem den Wunsch nach innovativen Lösungen in diesem Bereich", berichtet Dr. Sven Langbein, Mitbegründer des Unternehmens FG-INNOVATION. "Momentan erleben wir eine steigende Anzahl an Anfragen, denn alle haben die Themen Leichtbau und Miniaturisierung in ihren Lastenheften stehen. Gerade in der Automobilbranche ist die Gewichtsreduktion ein aktuelles Thema."

Wird das Thema Leichtbau heutzutage vor allem von den Strukturwerkstoffen bestimmt, so verfolgt FG-INNOVATION mit dem Einsatz von Formgedächtnisantrieben das Ziel, das Gewicht von mechatronischen Systemen zu reduzieren. Denn auch die steigende Anzahl an mechatronischen Systemen ist für die Gewichtszunahme von Kraftfahrzeugen verantwortlich.

Ende 2011 geht das Unternehmen mit seinem ersten Antriebssystemunter dem Namen FGA Basic auf den Markt. FGA Basic ist ein standardisierter Formgedächtnisaktor und stellt eine Alternative zu herkömmlichen Lösungen, wie z.B. Elektromagnete oder Elektromotoren, dar. Neben dem kompakten Aufbau zeichnet sich der Aktor durch seine geräuschlose Arbeitsweise und ein einzigartiges Leistungsgewicht aus. Bei einem Eigengewicht von 7g kann der Standardaktor Lasten von bis zu 700 g anheben. Die Gewichtsreduktion im Vergleich zu Elektromotoren kann mit ca. 80 % beziffert werden.

FGA Basic wird es zudem in verschiedenen Baugrößen geben. Weiterhin ist die Umsetzung eines Baukastensystems geplant, um die Anwendungsvielfalt dieses Aktorsystems weiter zu erhöhen. Der Baukasten soll dabei aus diversen Aktor-, Sensor-, Umformer- und Elektronikmodulen bestehen.

"Das Angebot von standardisierten FG-Aktoren stellt einen wichtigen Baustein zum Erfolg dieser Technologie dar. Denn vor allem der hohe Entwicklungsaufwand und das Risiko von Individualentwicklungen sind eine Barriere für die Industrialisierung dieser Technologie", so Dr. Sven Langbein.

Anwendungsbeispiel: Pneumatikventile für den Fahrzeug-Innenraum basierend auf FGL-Aktoren

Die Firma Alfmeier Präzision AG mit Sitz in Treuchtlingen liefert aus einer ihrer Business Units (BU Sitzkomfort) unter anderem Sitzkomponenten, die es ermöglichen, die Kontur des Sitzes benutzerspezifisch einzustellen. Dazu werden Blasen, die hinter dem Sitzschaum montiert sind, mittels einer elektrischen Luftpumpe befüllt beziehungsweise entlüftet. Die Wölbung der Blase unterstützt den Fahrer unter anderem im Bereich der Lendenwirbel und schützt gegen Querbeschleunigung im Bereich der Seitenwangen des Sitzes. Dies soll den Fahrer im Sitz stabilisieren und eine komfortable Anlage des Körpers im Sitz gewährleisten.

Alfmeier hatte bereits in 2001 begonnen, ihre bis dahin rein manuell angetriebenen Pneumatik-Module zu elektrifizieren. Die im Sitz darstellbaren Ventile sind 3/3-Wegeventile, das heißt, es liegen 3 Anschlüsse (Vordruck/ Atmosphäre/Sitzkissen) mit 3 Zuständen (Befüllen/Belüften/Dicht) vor. In einem Sitz steuern bis zu 7 dieser Ventile die Blasen zur Konturverstellung.

Erster Ansatz der Elektrifizierung war eine Umsetzung der Ventilfunktion mit Piezo-Biegern, die aus Kostengründen früh verworfen wurde. Die Verwendung von Multi-Stacks war aufgrund der benötigten Verstellwege (> 0,4 mm) nicht applizierbar. Die kostengünstigeren Piezo-Bieger benötigen dagegen Spannungen im Bereich 160 bis 200 V, die im Fahrzeug weder verfügbar sind, noch ist eine eigens dafür geschaffene Spannungserzeugung wirtschaftlich akzeptabel. Anfang 2003 entstand die erste Ventiltechnik basierend auf der von der Firma NanoMuscle patentierten Sliding Plane-Technologie. Sie war in der Lage, die geforderten Verstellzeiten und -wegezu realisieren. Nach einem radikalen Re-Design wurde dann der V-Aktor geboren. Das entstandene Ventil mit integriertem Formgedächtnisdraht ist in der Lage, Drücke bis 1 bar im Temperaturbereich von -40°C bis 80°C zu dichten. Es erlaubt einen Fluss von 12 l/min, wobei der Kissendruck kontinuierlich gemessen wird.

Besondere Herausforderung war das zeitliche Schaltverhaltendes Ventils, welches über den gesamten Temperaturbereich nahezu konstant sein sollte. Da eine im Sitzsteuergerät befindliche Softwaresteuerung das Anfahren von Benutzer-Drücken ohne merkliche Nachregelung übernimmt. Dies geschieht ohne Temperaturmessung.

Dazu wurde in der Ventilansteuerung eine kostenoptimierte Regelung eingebracht, die eine temperaturabhängige Aktivierung des FGL-Drahts übernimmt. Durch diese Regelung kann dabei der Aktivierungsstrom so eingespeist werden, dass der Draht immer genau den Energieeintrag erfährt, derbenötigt wird, damit das Ventil sicher schaltet. Dies führt gleichzeitig zu einer Optimierung der Lebensdauer.

In der Lebensdauersimulation wurden die Prototypen 500.000 Zyklen ohne Ausfall unterzogen. In nachgeführten Tests konnte eine Zykluszahl von über 1 Million nachgewiesen werden. Seit 2005 vertreibt Alfmeier dieses Ventil als Serienprodukt. Waren es damals noch 150.000 Stück pro Jahr, konnte das Unternehmen 2010 bereits 2,5 Millionen verkaufte Ventile verzeichnen und die Tendenz ist weiterhin steigend.

Anwendungsbeispiel: Mikrogreifer der Firma FFZ Feinmechanisches Fertigungszentrum Glashütte GmbH

Das Unternehmen FFZ Feinmechanisches Fertigungszentrum Glashütte GmbH entwickelt und produziert Mikrogreifer und Mikrowerkzeuge für vielseitige Anwendungen verschiedenster Branchen. Technologisch basieren sie auf Formgedächtnisaktoren. Diese bieten zahlreiche Vorteile: Sie benötigen nur eine elektrische Spannungsquelle, sodass auf den Einsatz zusätzlicher Medien, wie Druckluft oder Vakuum, verzichtet werden kann. Weiterhin ermöglichen sie neben dem Aufbringen großer Kräfte eine sehr hohe Miniaturisierung, sodass geringes Gewicht und Präzision nur zwei weitere Vorteile der Greifer sind.

Die Entwicklung von verschiedenen Spitzen ermöglicht außerdem das Greifen von unterschiedlichsten Durchmessern. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt die Handhabung von Kleinteilen dar. Mit dem Produkt WPT/6 (Abbildung unten) ist beispielsweise das Greifen und Positionieren von mechanischen Bauteilen ab 10 μm oder die Montage von Lichtwellenleitern möglich. Zukünftig sollen noch weitere Anwendungsgebiete der Mikrogreifer erschlossen werden. Aktuell entwickelt die FFZ Glashütte GmbH einen Nachfolger des WPT/6, der das Greifen größerer Teile ermöglicht.

Anwendung finden die Mikrogreifer bereits bei der Stabilitätsprüfung von Bondverbindungen.Der Greifer BPT/3 (Abbildungen oben) kann mit einer Größe von 40 x 27 mm Kräfte von 100 N mühelos realisieren.