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About this book

Dieses Fachbuch gibt eine zuverlässige Hilfestellung für Ingenieure, die Formgedächtniskomponenten in ihren Produkten einsetzen wollen. Formgedächtnislegierungen (FGL) sind Multifunktionswerkstoffe (Smart Materials), die in der Lage sind, sich an eine zuvor thermisch eingeprägte Gestalt zu erinnern. Der sogenannte Formgedächtniseffekt kann dabei durch thermische oder mechanische Energie ausgelöst werden. Durch diese einzigartigen Eigenschaften können FGL zum einen als Aktoren in mechatronischen Systemen und zum anderen als hoch elastische Feder- und Dämpfungselemente eingesetzt werden. Der besondere Vorteil von FGL im Bereich der Aktorik liegt in der enormen Energiedichte. Damit bieten diese Legierungen entscheidende Vorteile auf dem Gebiet des Leichtbaus. Formgedächtnisaktoren bilden unteranderem deshalb den Schwerpunkt dieses Fachbuches. Ein neuer Anwendungsbereich, welcher zudem in diesem Buch erläutert wird, sind Formgedächtnissensoren. Durch den anhaltenden Digitalisierungstrend und der besonderen sensorischen Eigenschaften von FGL wird dieser Bereich zukünftig stark an Bedeutung gewinnen.

Table of Contents

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Generell gibt es zwei Cluster, in die sich die Formgedächtnistechnik (FGT) unterteilen lässt, die medizintechnischen Anwendungen und die nicht-medizinischen Anwendungen. FGL-basierte Anwendungen in der Medizintechnik sind bereits weit verbreitet.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 2. Grundlagen der Formgedächtnistechnik

Zusammenfassung
Formgedächtnislegierungen (FGL) werden den sogenannten „intelligenten“ Materialien zugeordnet, da sie neben der Aktorfunktion auch eine Sensorfunktion erfüllen können und somit die Realisierung einfacher und kompakter Bauelemente mit multifunktionalen Eigenschaften ermöglichen. Der Formgedächtniseffekt resultiert aus einer kristallographisch reversiblen Martensit-Austenit-Phasenumwandlung. Unter den derzeit bekannten Aktorprinzipien zeigt der Formgedächtniseffekt die höchsten Energiedichten, die bei NiTi-Legierungen in der Größenordnung von 10 J/cm3 liegen.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 3. Fertigungsverfahren

Zusammenfassung
Um die Einflüsse auf die Materialparameter von Formgedächtnislegierungen zu verstehen, ist es für Produktentwickler sinnvoll, die Produktionsprozesse und deren Einflüsse auf die Materialeigenschaften zu kennen. In diesem Kapitel wird deshalb eine kurze Einführung zum Produktionsprozess von der Schmelze bis zur fertigen Komponente gegeben. Die Umformung stellt dabei das derzeit wichtigste Fertigungsverfahren von FG-Bauteilen dar.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 4. Prüfen von FG-Komponenten

Zusammenfassung
Seit der Entdeckung des Formgedächtniseffektes, insbesondere in NiTi-Legierungen, sind mannigfaltige Experimente zum besseren Verständnis dieses besonderen Materials (z. B. zu den Ursachen und Mechanismen der Phasenumwandlung), zu den Verarbeitungsprozessen und zur Funktionalität von FG-Komponenten entwickelt worden.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 5. Potentiale von FG-Komponenten

Zusammenfassung
Die Anwendungspotentiale von Formgedächtnisbauteilen sind deutlich vielfältiger als bei anderen Funktionswerkstoffen. Sie reichen von Aktoranwendungen über Sensoren bis hin zu passiven Dämpfungssystemen. Geschuldet ist diese Anwendungsvielfalt den verschiedenen technisch nutzbaren Effekten.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 6. Pseudoelastische FG-Komponenten

Zusammenfassung
FG-Komponenten mit mechanischem Effekt zeichnen sich durch eine für Metalle enorm große reversible Verformbarkeit aus. Diese ist um den Faktor 20 größer als die elastische Verformung von Stahl. Zudem hat die Kennlinie der Verformung nur eine minimale Steigung.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 7. FG-Aktoren

Zusammenfassung
Will man leichte und kompakte Aktoren generieren, sollte man auf eine möglichst hohe Materialausnutzung im Aktorelement achten. Bauteilformen mit einer Zug- oder Druckbelastung bieten dabei den besten Materialausnutzungsgrad und sind damit am wirtschaftlichsten.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 8. Leitfaden zur Entwicklung von FG-Aktoren

Zusammenfassung
Ziel dieses Kapitels ist es, eine Handlungsanleitung bzw. einen Handlungsleitfaden für die Entwicklung von FG-Aktoren bereitzustellen. Diese Handlungsanleitung ist für die Bewerkstelligung von gängigen FGL-basierten Entwicklungsaufgaben geeignet und soll zudem notwendige Denkanstöße für die Bearbeitung von speziellen FGL-spezifischen Fragestellungen liefern.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 9. Technologietrends in der Formgedächtnistechnik

Zusammenfassung
Wie bereits ausgeführt, hängt die dynamische Systemantwort von FG-Aktoren vom thermischen Potential zwischen der Temperatur des Formgedächtnismaterials und der Umgebungstemperatur ab. Die Abkühlgeschwindigkeit steigt dabei mit einem größer werdenden Temperatur-unterschied. Erhöhen sich die PUT, erhöht sich somit bei gleichen Umgebungsbedingungen die Abkühlgeschwindigkeit des FG-Aktors. In diesem Zusammenhang begründet sich die industrielle Forderung nach sogenannten Hochtemperaturformgedächtnislegierungen (HT-FGL).
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

Kapitel 10. Schlusswort

Zusammenfassung
In diesem Kapitel möchten wir, die Autoren, mit Ihnen einige Erfahrungen, die wir in über 15 Jahren Forschung und Systementwicklung gesammelt haben, teilen. Insbesondere geht es hier um Erfahrungen, die zeigen, welche Fehler bei der Einführung der FGT auftreten können.
Sven Langbein, Alexander Czechowicz

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