Konstruktionspraxis Formgedächtnistechnik

Generell gibt es zwei Cluster, in sich die Formgedächtnistechnik (FGT) unterteilen lässt, die medizintechnischen Anwendungen und die nicht-medizinischen Anwendungen. FGL-basierte Anwendungen in der Medizintechnik sind schon weit verbreitet. Der Markt wird von diversen Unternehmen beherrscht und ist gut erschlossen. Passive (pseudoelastische) FG-Systeme, die hier z. B. in der Form von Stents zum Einsatz kommen, werden deshalb in diesem Buch nicht näher behandelt.

Formgedächtnislegierungen (FGL) werden den so genannten „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 [2-1]. Der Begriff Formgedächtnis steht für die ungewöhnliche Eigenschaft der Gestalterinnerung, die in bestimmten Legierungen thermisch oder mechanisch ausgelöst werden kann. Nach einer starken Deformation sind Legierungen mit Formgedächtnis in der Lage, sich in eine zuvor eingeprägte Gestalt zurück zu verformen. Die Basis für den Formgedächtniseffekt ist die martensitische Umwandlung, die unabhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und damit unabhängig von Zeit und Diffusionsprozessen abläuft.

Die Anwendungspotentiale von Formgedächtnisbauteilen sind deutlich vielfältiger als bei anderen Funktionswerkstoffen. Sie reichen von Aktoranwendungen über Sensoren bis hin zu passiven Dämpfungssystemen.

Das Wort Mechatronik ist ein Kunstwort, das aus den drei Bezeichnungen der beteiligten Fachdisziplinen der Mechanik, Elektronik und Informatik abgeleitet werden kann. In [4-1] wird beschrieben, dass in einem mechatronischen System die Problemlösung sowohl durch mechanische, als auch durch digital-elektronische Komponenten realisiert wird. Die mechatronischen Systeme, die in der VDI-Richtlinie 2206 beschrieben werden, stellen den Ansatz der mechanischen Grundstruktur in den Vordergrund, die von Elektronik und Informationstechnik in synergetischer Art und Weise beeinflusst wird. Somit besitzen mechatronische Systeme ein Grundsystem, das über Energie-, Signal- oder Stoffflüsse über die Systemgrenzen hinweg mit seiner Umgebung in Beziehung steht. Dieses Grundsystem kann ein mechanisches, thermisches, optisches oder sonstiges System sein, dass durch Aktoren manipuliert und durch Sensoren erfasst werden kann.

Will man in Bezug auf die Stellbewegung eine hohe Anzahl an Zyklen und eine gleichbleibende Formänderung gewährleisten, dürfen die lokalen Dehnungen und Gleitungen im Aktorelement einen kritischen Wert nicht überschreiten. Dieser Grenzwert resultiert aus dem Verformungsvermögen aufgrund der Martensitentzwillingung. Dies bedeutet, dass Bauteilformen mit einer Zug- oder Druckbelastung den besten Materialausnutzungsgrad bieten und damit am wirtschaftlichsten sind. Andere Bauformen, wie beispielsweise Schraubenfedern bieten den Vorteil, dass eine Umformung von Kraft in Stellweg bereits durch die Gestalt integriert ist. Verschiedene Grundformen von FG-Elementen sind in Tabelle 5.1 dargestellt.

Um den schlechten Materialnutzungsgrad von Biegeflachdraht oder anderen FG-Biegeelementen zu verbessern, besteht die Möglichkeit, das FG-Bauteil als Schichtverbund aufzubauen. Dies geschieht, indem man die neutrale Faser des FG-Elementes, die keinen Beitrag zur Arbeit des Aktorelementes leistet, durch ein Trägermaterial bzw. ein Substrat ersetzt. Das Substrat hat die Aufgabe, Kräfte in Längsrichtung aufzunehmen, darf dabei aber der Biegung nur einen geringen Widerstand entgegensetzen. Bei FG-Schichtverbunden wird die nötige Rückstellspannung (Bias-Spannung) dann durch den Bimetalleffekt erzeugt, der zusätzlich zum FG-Effekt auftritt. Die Arbeitsweise der Schichtverbunde ähnelt dabei der von gewöhnlichen Bimetallstreifen, wo unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zweier Materialien zur Erzeugung einer Krümmungsbewegung ausgenutzt werden. Der FG-Effekt dient bei dieser Bauweise im Prinzip dazu, zwischen verschiedenen Bimetallspannungen hin und her zu schalten, um die Aktorbewegung auf ein geringeres Temperaturintervall zu beschränken. Die an der Grenzfläche zwischen FG-Schicht und Substrat aufgebauten temperaturabhängigen, mechanischen Spannungen erzeugen also den Krümmungszustand bzw. die Bewegung des Schichtverbundes.

Die geometrische Dimensionierung von Drahtaktoren anhand der hier vorgestellten Methoden ist nur für die Erstauslegung geeignet. Eine genauere Auslegung bedarf eines tiefgreifenden Expertenwissens und umfassender Versuchsergebnisse.

Das komplexe Verhalten von Formgedächtnislegierungen ist, neben der Unbekanntheit der Technologie, der bedeutendste Hinderungsgrund für die branchenübergreifende Durchsetzung der Formgedächtnistechnik. Bedenkt man die alltäglichen Problemstellungen bei industriellen Entwicklungsprojekten, so bleibt den Konstrukteuren nur selten Zeit, um sich in die Eigenarten der FGT einzuarbeiten. Damit steht dem Einsatz der FGT nicht immer ein technischer Grund entgegen. Oft ist es das fehlende Wissen um die Aktorauslegung und Systemintegration, welches einen Entwicklungsingenieur, trotz aller genannten Vorteile der FGT, wieder auf konventionelle Aktoren zurückgreifen lässt. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, werden in diesem Buch zwei Methoden für eine vereinfachte Systementwicklung auf FGL-Basis vorgestellt. Zu einem wurde bereits die Standardisierung von Formgedächtnisaktoren erläutert. Mit standardisierten Elementen ist es möglich, immer wieder auftretende Stellaufgaben aus gleichen oder auch verschiedenen Anwendungsbereichen zu bewältigen. Der Entwicklungsaufwand wird dadurch deutlich reduziert. Zum anderen kann man einfache Formgedächtnisaktorsysteme durch eine numerische Auslegung dynamisch simulieren. Dies bietet gegenüber einer analytischen Auslegung, wie in Kapitel 7 vorgestellt, den Vorteil, dass eine dynamische Systemantwort berücksichtigt wird und ebenfalls einfache Reglerauslegungen implementierbar sind.

Das oft als trivial angesehene elektrische Ansteuerverhalten von FGL beeinflusst maßgeblich Faktoren wie Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit und Funktionstüchtigkeit der Stellbewegung. Durch Änderung der Umgebungsbedingungen, wie der mechanischen Last oder der Umgebungstemperatur, können bei gleich bleibenden Ansteuerparametern die Formgedächtnisaktoren geschädigt werden. Andererseits eignen sich FGL als geregelte Stellelemente für den Einsatz im dynamischen Betrieb. Auch hier werden spezielle Anforderungen an das Ansteuerverhalten gestellt. In diesem Zusammenhang ist in Bild 9.1 ein Aktorregelkreis bestehend aus einer Signaleingabe, einem Regel- und Stellelement, sowie dem eigentlichen Aktor- und Sensorsystem dargestellt. Wird eine gewünschte Stellgröße (z. B. Stellweg) in das System eingegeben, so wird ein Vergleich des Ist- und Sollzustandes des Aktors durchgeführt. Stimmt der Sollwert mit dem Istwert nicht überein, so aktiviert der Regler den Steller, welcher sich wiederrum auf den Zustand des Aktors auswirkt. Ein Sensorelement koppelt den Istwert, ggf. über eine Wandlung, zurück an den Regler.

Das komplexe Systemverhalten von FGL ist ein häufig unterschätztes Problem, welches aber bereits bei der Entwicklung von Formgedächtnisaktorsystemen berücksichtig werden muss. So wird oft ein Formgedächtnisdraht wie ein Seil gesehen, welches sich bei der thermischen Aktivierung zusammenzieht. Diese Simplifizierung ist bezogen auf das Verhalten von Formgedächtnisdrähten nicht zutreffend, da die thermischen, mechanischen und elektrischen Interdependenzen mit dem mechanischen Grundsystem einen großen Einfluss auf die Funktionalität haben. So ist der Formgedächtnisdraht vielmehr als ein Antriebssystem zu sehen, welches die Form eines Seiles/Drahtes hat. Wie Untersuchungen gezeigt haben, sind insbesondere die üblichen Verfahren um Stellwege in Seilsystemen zu vergrößern, wie beispielsweise Umlenkrollensysteme, eher schädlich für das Langzeitverhalten von Formgedächtnisantrieben. Daher soll in diesem Kapitel auf derartige Problemstellungen hingewiesen werden, um den Produktentwickler zu sensibilisieren und den Entwicklungsprozess zu optimieren. Bild 10.1 verdeutlicht die Auslegungsproblematik und das Zusammenspiel einzelner Faktoren im Betrieb.

Vor allem der Bereich von thermisch aktivierten Ventilantrieben bietet ein breites und heute schon erschlossenes Anwendungsfeld. Formgedächtnisaktoren eigenen sich besonders für kompakte Ventile, bei der das Material durch den Mediumstrom thermisch aktiviert wird. In diesem Fall kann das FG-Element sowohl Sensor- als auch Aktorfunktionalitäten in einem Bauteil vereinen, ohne dass eine zusätzliche Regelung benötigt wird. Die Phasenumwandlung kann durch die Legierungszusammensetzung und durch unterschiedliche Vorspannungen definiert verschoben werden, so dass sich ein breiter Anwendungsbereich ergibt. Für Anwendungen mit einer geforderten geringen Hysterese kann wie bereits erwähnt die R-Phasenumwandlung herangezogen werden.

Formgedächtniselemente werden heutzutage auf dem Markt in verschiedenen Halbzeugformen angeboten. Zu nennen sind hierbei hauptsächlich Drähte oder Bleche. Häufig werden Drähte auch zu Schraubenfedern gewickelt. Aus systemtechnischer Sicht bestimmen jedoch Individualentwicklungen heute die Landschaft der FG-Aktorik. Die Frage, die sich im Zusammenhang mit FG-Aktoren nun stellt, ist warum diese Antriebe heutzutage nur in Nischenanwendungen eingesetzt werden. Trotz der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten existieren nur sehr wenige Anwendungen auf dem Markt.

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. Als Einstieg in die Entwicklung von FG-Aktoren gibt Bild 13.1 einen Überblick über die Merkmale, die die FG-Aktorik beschreiben. Je nach Aufgabestellung sollten bestimmte Merkmale während des Entwicklungsprozesses eines FG-Aktors berücksichtigt werden. Die Komplexität dieser Merkmalsübersicht verdeutlicht zudem die Notwendigkeit einer methodisch strukturierten Entwicklung.

Die in diesem Abschnitt aufgezeigte Entwicklung eines direktgesteuerten FGL-basierten Pneumatikventils soll die Herausforderungen im Entwicklungsprozess mit FG-Aktoren verdeutlichen. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte zur Entwicklung eines derartigen pneumatischen Stellelementes so beschrieben, dass diese auf andere Systeme übertragen werden können. Dieser stark vereinfachte Entwicklungsprozess dient als Einstieg in die konstruktive Denkweise im Umgang mit Formgedächtnislegierungen. Zudem soll durch dieses Beispiel auch die Entwicklungsmethodik aus Kapitel 13 veranschaulicht werden. Die Entwicklung des Ventils wird dabei in die Schritte Systemkonzeption, anschließender FG-Aktorentwurf und abschließender Systementwurf unterteilt werden.

Wie in Kapitel 10.2 dargestellt, hängt die dynamische Systemantwort von FG-Aktoren vom thermischen Potential zwischen der Temperatur des Formgedächtnismaterials und der Umgebungstemperatur ab. Die Abkühlgeschwindigkeit steigt mit einem größer werdenden Temperaturunterschied. Erhöhen sich die Phasenumwandlungstemperaturen (PUT), erhöht sich bei gleichen Umgebungsbedingungen die Abkühlgeschwindigkeit des Formgedächtnisaktors. In diesem Zusammenhang begründet sich die industrielle Forderung nach so genannten Hochtemperaturformgedächtnislegierungen (HT-FGL). Eine Definition dieses Begriffes ist bislang noch nicht formuliert, jedoch werden hierunter meist Legierungen verstanden, deren Phasenumwandlungstemperaturen oberhalb von 100 °C liegen. Aber nicht nur aus dynamischen Gründen sind diese Legierungen so interessant, sondern Sie erfüllen auch die Automotiv-Spezifikationen hinsichtlich einer vollen Funktionserfüllung bei 85 °C für den Innenraum und 120 °C für den Motoraum. Kommerziell erhältliche binäre NiTi-Legierungen liegen hier mit einer Martensit-Finish Temperatur von ca.