Formgedächtnislegierungen Eigenschaften, Stand der Forschung, Kompetenzen und Ausblick

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1 hyprofga Entwicklung und Produktion hybrider Produkte mit Formgedächtnisaktorik Formgedächtnislegierungen Eigenschaften, Stand der Forschung, Kompetenzen und Ausblick

2 Agenda I Was sind Formgedächtnislegierungen (FGL)? II Welche Eigenschaften besitzen FGL? III Welches Einsatzpotential besitzen FGL? IV Wie ist der Stand der Forschung? V Mit welchen Dienstleistungen können wir Sie optimal unterstützen? 2

3 Was sind Formgedächtnislegierungen (FGL)? Grundlagen der Formgedächtnislegierungen Formgedächtnislegierungen besitzen die Fähigkeit eine zuvor eingeprägte beliebige Form durch Energiezufuhr einzunehmen. Dieser Effekt basiert auf der diffusionslosen, hysteresebehafteten Phasenumwandlung von der Tieftemperaturphase (Martensit) in die Hochtemperaturphase (Austenit). Der Effekt wird thermisch aktiviert, ist reversibel und zeitunabhängig, da eine Verzerrung des Atomgitters und keine Atomwanderung erfolgt. Für Aktorsysteme nutzbare Formgedächtniseffekte Thermischer Effekt Aktivierung durch elektrischen Strom oder Wärme Aktorelemente Thermisch sensitiv Interne Sensorfunktionen Pseudoelastischer Effekt Aktivierung durch mechanische Last, bei konstanter Temperatur (Pseudo-)elastische Elemente Mechanischer Effekt Interne Sensorfunktionen 3

4 FGL-Draht Stellweg / Stellkraft Elektrischer Widerstand Was sind Formgedächtnislegierungen (FGL)? Extrinsischer Zweiweg-Aktoreffekt Der elektrische Widerstand von FGL ändert sich mit der Umwandlung. Dies kann als Sensorgröße genutzt werden. Mechanische Spannung Temperatur 4

5 Welche Eigenschaften besitzen FGL? Eigenschaften von FG-Aktoren Vorteile von Formgedächtnislegierungen Große Arbeitsleistung Verschiedene Bewegungsarten durchführbar Potential zur Standardisierung und Funktionsintegration Leicht miniaturisierbar Reinraum tauglich Hohe elektromagnetische Verträglichkeit Einfacher und kompakter Aufbau Geringer Bauraumbedarf Geringes Gewicht Keine bewegten Teile Geringe elektrische Betriebsspannung Geräuschlos Kein magnetisches Feld Korrosionsbeständig Hindernisse von Formgedächtnislegierungen Problem der Reproduzierbarkeit und der Qualitätsstandards industriell hergestellter FG-Halbzeuge müssen gelöst werden. Funktionelle Materialermüdung kann das Aktorverhalten beeinflussen Bisher sehr geringe Bekanntheit und Akzeptanz der Technologie Geringere Dynamik des FG-Aktors aufgrund des Abkühlverhaltens Für bestimmte Anwendungen zu niedrige Umwandlungs- und Einsatztemperaturen Schwankung der Materialeigenschaften und fehlende Normung der Produktionsprozesse 5

6 Stellwege und -zeit verschiedener Aktortypen Welche Eigenschaften besitzen FGL? Eigenschaften von FG-Aktoren FG-Aktor 10 0 volumenspezifisches Arbeitsvermögen [J/d m3] FG-Aktor 6

7 Wie ist der Stand der Forschung? FGL-Aktorbeispiele Unkonventionelle Antriebe Ventile mit FGL-Aktoren Haptisches-Warnsystem (Abstandswarnung und Spurwechsel) Standardisierte FG-Stackaktoren als Antriebselemente 7

8 Welches Einsatzpotential besitzen FGL? Einsatzpotentiale von FGL Aktor Sensor Dämpfungselement Elastisches Element Thermische Ventile Elektrische Ventile Mikro- / Feinaktoren Schließsysteme Entriegelungen Sicherheitssysteme Vorschubantriebe Orthesen / Prothesen Aktoren für Optiken Elastische Sensorelemente Eingebettete Sensoren Thermische Schaltsensoren Kraft- / Dehnungssensoren Passive Dämpfungselemente Maschinenbetten Maschinenfüße Dämpfung in spanender Bearbeitung Kompensation von Setzungserscheinungen Federdrähte mit 8% reversible Dehnung Federn mit 100% reversible Dehnung Federn mit integriertem Dehnungssensor Adaptive Federn (Verstellung der Steifigkeit) Durch ihr hohe volumenspezifische Arbeitsvermögen, großen Stellwege/ -kräfte und vorteilhaften Eigenschaften stellen FG-Aktoren Alternativen zu konventionellen Aktoren da. FG-Aktoren eignen sich für vielfältige Lösungen u.a. in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Maschinen- und Anlagenbau. 8

9 Mit welchen Dienstleistungen können wir Sie optimal unterstützen? Unsere Dienstleistungen im Bereich Formgedächtnislegierungen Markt-, Trend- und Patentanalysen Erstellung von Machbarkeitsstudien System-Integration von Formgedächtnislegierungen Konzeptentwicklung und Gestaltung von neuen Produkten Wissensmanagement für Formgedächtnislegierungen Experimentelle Untersuchungen/ Materialtests Simulation (FEM, Matlab Simulink) Gerne Beraten wir Sie hinsichtlich der Einsatzpotentiale in Ihrem Unternehmen und unterstützen Sie bei der Entwicklung und Umsetzung. 9

10 Mit welchen Dienstleistungen können wir Sie optimal unterstützen? Wir sind Ihr Partner im Bereich FGL Seit dem Jahr 2000 tiefgreifende Kompetenz an der RUB im Bereich FGL durch Sonderforschungsbereich SFB 459 (mit ca. 100 Mitarbeitern und 500 Veröffentlichungen sowie über 40 Dissertationen) LPS ist seit 2004 im Bereich Formgedächtnistechnik tätig. Derzeit 6 Mitarbeiter im Bereich FGL tätig. Koordination von hyprofga (FGL-Industrieprojekt) mit insgesamt 15 Mitarbeitern Industrienahe Forschung und Produktentwicklungserfahrung im Bereich Formgedächtnislegierungen 10

11 Kontakt Lehrstuhl für Produktionssysteme Ruhr-Universität Bochum Gebäude IC 02 / 677 Universitätsstraße Bochum Benjamin Fleczok, M.Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter +49 (234) fleczok@lps.rub.de Dipl. -Ing. Dennis Otibar Wissenschaftlicher Mitarbeiter +49 (234) otibar@lps.rub.de Christian Rathmann, M.Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter +49 (234) rathmann@lps.rub.de 11