Fachartikel vom 05/14/2013

Schrittantriebe mit Formgedächtnisdrahtaktoren

Stets die gute Form wahren

Funktionswerkstoffe sind Materialien mit inhärenten physikalischen Eigenschaften, die als Grundlage für die Energiewandlung unter anderem zur Ausübung einer Aktorfunktion genutzt werden können. An der Jade Hochschule in Wilhelmshaven sind im Lehr- und Forschungsgebiet für mechatronische Konstruktionen diverse dieser Bewegungskinematiken mit Formgedächtnisdrahtaktoren in der Entwicklung.

Bild 1: Klemmplatten zur sicheren Kontaktierung der FG-Drahtaktoren auch bei hohen Kräften (Bild: Jade Hochschule)

Ein durch fortschreitende Miniaturisierung vergrößertes Oberflächen-Volumenverhältnis zur Steigerung der Abkühlrate und damit der maximalen Aktorfrequenz sowie die konkurrenzlos hohe Energiedichte machen Formgedächtnislegierungen (FGL) für feinwerk- wie mikroaktorische Anwendungen außerordentlich interessant. Im Vergleich zum menschlichen Muskel bestehend aus vielen gebündelten Muskelfasern erbringt ein FG-Aktor in Form eines gestreckten Drahtes (muscle-wire) eine um den Faktor 600 größere mechanische Spannung und verfügt über eine zwölffach höhere Energiedichte im Vergleich zu seinem natürlichen Pendant [1]. Außer der hohen Energiedichte und den großen erzielbaren Stellwegen sind die im Vergleich zu konventionellen Antrieben einfachen Aktorbauformen (Drähte, Federn, Biegebalken, und so weiter) zentrale Alleinstellungsmerkmale von FG-Werkstoffen. Dennoch findet die Überführung der Formgedächtnistechnik in die praktische Anwendung nur zögerlich statt, was unter anderem durch das komplexe, analytisch bislang nur unzureichend beschreibbare FG-Werkstoffverhalten begründet ist. Insbesondere das dynamische Verhalten eines FG-Aktors, charakterisiert durch die Geschwindigkeit der Heiz- und Kühlvorgänge, ist nur schwer zu quantifizieren. Dessen Kenntnis ist jedoch, wie bei konventionellen Stellgliedern auch, wesentliche Voraussetzung für die zielgerichtete Entwicklung von Bewegungskinematiken.