Die neuen Arbeitstiere : Intelligente Metalle mit Formgedächtnis

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1 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Leipzig University of Applied Sciences Die neuen Arbeitstiere : Intelligente Metalle mit Formgedächtnis Fakultät Maschinenbau und Energietechnik fbme.htwk-leipzig.de

2 Inhalt Das Material - NiTiNol Eigenschaften Anwendungsgebiete aus den Projekten STIRTAC Abwärmenutzung mit FGL FORLEIN dynamischer massiver FGL-Aktor Demonstration 2

3 Das Material - NiTiNol Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory Effekt wurde 1958 entdeckt Legierung mit den Hauptbestandteilen Nickel und Titan Zwei verschiedene Kristallstrukturen Martensit Niedertemperaturphase Austenit Hochtemperaturphase Diffusionslose reversible Phasenumwandlung Spannungsinduziert Temperaturinduziert 3

4 Das Material - NiTiNol 4

5 NiTiNol - Eigenschaften Korrosionsbeständigkeit Hohe Festigkeit Chemische Stabilität Biokompatibilität Großes volumenbezogenes Arbeitsvermögen Große Dehnbarkeit Pseudoplastisch Pseudoelastisch 5

6 NiTiNol - Eigenschaften 6

7 NiTiNol - Pseudoplastizität Drahtlänge Drahtdurchmesser Temperatur l o = 225 mm d = 0,12 mm θ = 50 C 7

8 NiTiNol - Pseudoelastizität Drahtlänge Drahtdurchmesser Temperatur l o = 225 mm d = 0,12 mm θ = 95 C 8

9 NiTiNol - Anwendungsgebiete Medizintechnik als gefäßstabilisierende Stents als Draht in Zahnspangen in der Endodontie zur Wurzelkanalbehandlung als hochflexible Brillengestelle Maschinen- und Anlagenbau als mechanische Stellglieder als Aktoren für pneumatische Ventile als Schrumpfhülsen für Rohrverbindungen in Wärmekraftmaschinen Raumfahrt zur Entfaltung von Sonnensegeln 9

10 aus den Projekten STIRTAC (Stirling enginge with thermal actuators working on low temperature) Ziel: kleinskalige Wärmekraftmaschine für niederkalorische Abwärme Kleinskalig: P 100 W Niederkalorisch: ϑ H 90 C Potenziell wirtschaftlich geringer maschinenbaulicher Aufwand FORLEIN (Formgedächtnislöseeinheit) Ziel: dynamischer massiver Aktor zur Substitution hydraulischer Antriebe Massiv: F 15 kn Dynamisch: Werkzeugwechselzyklen < 2 s Problem: Abkühlung ist nur konvektiv möglich 10

11 aus den Projekten - FORLEIN Verschiedene Erwärmungsstrategien Elektrische Verlustwärme Induktion Konvektion Strahlung Abkühlung konvektiv Wärmeübergang Kühlmitteltemperatur Temperatur des Aktors Geometrie (Wandstärke) Numerische Simulation transienter Temperaturfelder 11

12 aus den Projekten - FORLEIN 12

13 aus den Projekten - FORLEIN Verhältnis zwischen Wärmeleit- und Wärmeübergangswiderstand berechnen (-> Biot) Bi = 100 W 0,1 m m K 16,4 W m² K = 0,61 Festlegung beispielhafter Temperaturen während des Abkühlvorgangs 80 C 56 C 44 C 30 C 20 C Normierte Temperatur der Zylinderachse berechnen Θ K = θ K θ F 44 C 20 C = θ 0 θ F 80 C 20 C = 0,4 Fourier-Zahl aus Diagramm ablesen (am Schnittpunkt zwischen Bi und Θ) Zeit berechnen Fo = 1 t = Fo ρ c 2 p l ch λ = ,1 kg J m2 m K 16,4 m 3 kg K W = 1980 s 13

14 aus den Projekten - FORLEIN nach VDI Wärmeatlas 14

15 aus den Projekten - FORLEIN 15

16 aus den Projekten - FORLEIN 16

17 aus den Projekten - FORLEIN 17

18 aus den Projekten - STIRTAC Gewinnbare Arbeit Drahtvolumen Spezifische Arbeit 27 mj 2,5 mm³ 10 J/cm³ 18

19 aus den Projekten - STIRTAC 19

20 Höher? Schneller? Weiter? STIRTAC Nutzung von Abwärme aus fast beliebig kleinen Quellen FORLEIN Substitution hydraulischer Antriebe Einsparung eines Mediums Erhöhung der Energieeffizienz Verbesserung der Hygiene 20

21 Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Leipzig University of Applied Sciences Intelligente Metalle? Intelligente Lösungen! Fakultät Maschinenbau und Energietechnik fbme.htwk-leipzig.de

22 Vergleich FGL-Aktor Elektromotor 22

23 Einsatz von FGL-Aktoren, wenn Entelektrifizierung bzw. Simplifizierung von Anwendungen (autarke Regelung z. B. über die Umgebungsbedingungen soll Elektronik ersetzen) Gewichtseinsparung steht im Vordergrund (Gewichtsreduzierung in Flugzeugen und Kraftfahrzeugen wird gewünscht) geräuschlose Arbeitsweise steht im Vordergrund (Geräuschreduktion in hochpreisigen Personenkraftwagen wird gewünscht) Multifunktionalität steht im Vordergrund (Integration von Sensor- bzw. Monitoring-Funktionen wird gewünscht) Auslösedynamik (nicht zyklische Dynamik) steht im Vordergrund (Schnelle Auslösung bei Sicherheitsfunktionen wird gewünscht) 23