Werkstoffe mit Erinnerungsvermögen

Regelmäßig entdecken Materialwissenschaftler innovative Eigenschaften bestehender oder neu kombinierter Materialien. Oft können diese in der Praxis genutzt werden und bestehende Mechanismen verbessern. So haben etwa Schwingquarze mechanische Uhrwerke ersetzt, Halbleiter die Röhrenelektronik verdrängt und LEDs den Röhrenbildschirm abgelöst. Ähnliches Potenzial steckt in Formgedächtnislegierungen. In der Medizintechnik ist das Material nicht mehr wegzudenken; für die Automobilindustrie entwickeln CSI-Ingenieure gemeinsam mit Partnern interessante Lösungen.

06. September 2016

Formgedächtnislegierungen (FGL) sind Metalle wie Nitinol (Nickel-Titan), die nach einer Deformation mittels Energieeintrag ihre ursprüngliche Form wieder einnehmen. Diese Eigenschaft wird als Formgedächtniseffekt bezeichnet und lässt sich nicht nur in Metalllegierungen beobachten, sondern auch in Polymeren und Keramiken. Man unterscheidet laut CSI-Ingenieur Daniel Gruner drei Effekte: den 1-Weg-, 2-Wege- und Superelastizitätseffekt.

Der Ingenieur erklärt: „Das Material lässt sich im kalten Zustand bis zu einer Dehnung von acht Prozent pseudoplastisch verformen. Pseudoplastisch heißt, dass die Metallatome auf ihren Gitterplätzen bleiben und das Gitter lediglich umklappt. In welche Form das Material gebracht wird, ist beliebig. Erhitzt man die verformte FGL über ihre Umwandlungstemperatur, werden die Gitter angeregt, in ihre Grundform zurückzuklappen.“

Kraft aus der Bewegung

Dieses Verhalten wird auch 1-Weg-Effekt genannt. Nutzbar wird die Rückverformung allerdings erst, wenn mit ihr eine Kraft erzeugt wird. Je größer die pseudoplastische Verformung und je mehr das Material daran gehindert wird, seine ursprüngliche Form einzunehmen, desto höher ist die Kraft, die aus der Bewegung gewonnen wird.

Der 2-Wege-Effekt gleicht dem 1-Weg-Effekt mit dem Unterschied, dass das Material im kalten Zustand eine Vorzugsform besitzt. Wird die FGL aus ihrer Vorzugsform heraus erhitzt, klappen die Gitter in ihre Grundform um. Kühlt das Material danach unbelastet ab, nimmt es seine Vorzugsform wieder ein. Nutzbar ist allerdings nur die Rückverformung in die Grundform. Im kalten Zustand ist das Material aufgrund seiner Pseudoplastizität zu leicht verformbar, um nutzbare Kräfte zu erzeugen.

Bei welcher Temperatur die Rückverformung stattfinden soll, lässt sich durch die Zusammensetzung der Legierung beeinflussen. Je höher der Nickelanteil, desto niedriger die Phasenumwandlungstemperatur. Die Temperatur wird dabei durch elektrischen Strom (Heizwiderstand) oder externe Heizelemente eingebracht.

Ein weiterer Effekt ist die Pseudoelastizität. Dabei befindet sich die FGL immer über ihrer Umwandlungstemperatur, die auch bei Raumtemperatur liegen kann. Dehnt man das Material über seinen realelastischen Anteil von 0,2 bis 0,5 Prozent hinaus, klappen die Gitter mit steigender Dehnung immer weiter um.

Superelastisch

Wird das Material wieder entlastet, schnappen die Gitter gummiartig in ihre Grundform zurück. Dieser Effekt funktioniert bis zu einer Dehnung von sechs Prozent, was die Elastizität konventioneller Metalle um das 20-Fache übertrifft. Man spricht hier von Superelastizität.

In einigen Branchen werden FGL bereits erfolgreich eingesetzt. So nutzt etwa die Medizintechnik die Superelastizität des Materials für Stents – medizinische Gefäßstützen, die sich im kalten Zustand zusammenpressen. Am Zielort entfalten sie sich bei Körpertemperatur zur gewünschten Form und halten verengte Blutgefäße beispielsweise nach einem Herzinfarkt offen.

Gewichtsersparnis und Bauraumreduktion

Auch für die Automobilindustrie sind Formgedächtnislegierungen von Vorteil. Diese zu erschließen, haben sich unter anderem Ingenieure von CSI zur Aufgabe gemacht und mit einer Bachelorarbeit näher betrachtet. Christian Bender, mittlerweile festes Mitglied im Team Kinematik am CSI-Standort Neckarsulm, analysierte Anwendungen für den Fahrzeuginnenraum und erarbeitete erste Konzepte.

Daniel Gruner ist heute überzeugt, dass sich mit FGL bestehende Mechanismen vereinfachen und „sich künftig komplett neue Kinematiken realisieren lassen, die bis dato noch nicht denkbar waren.“ Grund ist vor allem die hohe Leistungsdichte des Materials. Ein Draht mit einem Durchmesser von zwei Millimeter und einem Meter Länge könnte ein Gewicht von etwa 100 Kilogramm um 50 Millimeter anheben.

Bei einer Drahtmasse von 20 Gramm ergibt sich eine Leistungsdichte von 2.326 Watt pro Kilogramm. Im Vergleich: Ein herkömmlicher Hubmagnet mit einem Hub von 50 Millimeter und einer Hubkraft von 450 Newton wiegt mit 30,5 Kilogramm das 1500-fache des FGL-Drahts und hat eine Leistungsdichte von nur 0,74 Watt pro Kilogramm.

Formgedächtnisaktoren sind vor allem für geräuschlose Bewegungen mit begrenzten Stellwegen im Bereich bis 16 Millimeter bei einem 200 Millimeter langen Zugdraht ohne Kraft- oder Wegübersetzungen geeignet. Die Stellkräfte und Stellwege können durch die Halbzeugform sowie durch Zug, Druck, Torsion, Schub und Biegung maßgeblich beeinflusst werden.

Vielfältige Halbzeugformen

Die Vielfalt der Halbzeugformen ist groß. So werden neben Drähten und Drahterzeugnissen auch Bleche und Hülsen angewendet. Außerdem kann das Material 3D-gedruckt werden. Allen Formen ist gemein, dass der Bauraum – bei intelligenter Gestaltung der Kinematik – meist nur so groß ist wie der Formgedächtnisaktor selbst. So sind sehr leistungsfähige, kompakte, leichte und geräuschlose Kinematiken möglich.

CSI hat inzwischen ein Konzeptergebnis der Bachelorarbeit weiter forciert. Dabei handelt es sich um ein Folien-OLED-Display, kurz FOLED, das durch eine auf dem 1-Weg-Effekt basierende FGL-Kinematik ausgerollt wird. Das Display könnte beispielsweise unter der Instrumententafel-Oberseite positioniert werden.

Um die Anforderungen und technischen Machbarkeiten moderner OLED-Displays kennenzulernen, wurde zeitgleich zur FGL-Bachelorarbeit eine Abschlussarbeit zur FOLED-Technik verfasst. „So konnten in dem Konzept gleich zwei neue Technologien betrachtet werden“, ergänzt Daniel Gruner zum Projekt.

Formgedächtnislegierungen in OLED-Displays

Das Projekt ist aus dem Technologie-Team hervorgegangen und hat schnell Unterstützung durch Hannes Rogl, Leiter des Kinematik- und Mechatronik-Teams am Standort Neckarsulm, gefunden. Die ersten 3D-Daten waren dank Unterstützung von Sven Kübler aus dem Interieur-Team schnell erstellt.

Das Wirkprinzip der geplanten FGL-Kinematik zeigte nach praktischen Versuchen zwar noch Schwächen. Die Abstimmung mit den FGL-Spezialisten der Ingpuls GmbH half jedoch, eine Alternative zu finden: Eine Schraubenzugfeder aus FGL wird durch zwei herkömmliche Schenkelfedern auseinandergezogen und um die Displayrolle gelegt.

Beim Erhitzen der Feder zieht sich diese zusammen und dreht die Rolle aus eigener Kraft zurück. Dabei rollt sich das FOLED-Display von der Rolle ab. Während die ersten beiden Funktionsmuster im eigenen CSI-3D-Drucker hergestellt wurden, unterstützte das Unternehmen OHP GmbH die Fertigung des ersten Systemprototyps.

 

Aktuell wird das Konzept noch optimiert. Gruner: „Wir haben inzwischen die FGL-Feder so ausgelegt und validiert, dass sie den definierten Stellweg erreicht. Zusätzlich arbeitet einer unserer Bacheloranden an der Steuerung und Regelung der FGL-Aktoren. Im Rahmen der Abschlussarbeit bauen wir auch einen Prüfstand auf, mit dem wir über die Zeit Stellweg, Stellkraft und den elektrischen Widerstand aufzeichnen können.“