Werkstoffe

Der Formgedächtniseffekt beruht auf einer diffusionslosen und damit sehr schnellen Phasenumwandlung zwischen Kristallstrukturen, die mit einer makroskopischen Formänderung einhergeht. Die reversibel erreichbare Formänderung kann bei ausgewählten Legierungen bei über 10 % und damit um mehrere Größenordnungen über der von Stahl liegen.

Je nach Legierung und Spannungszustand findet Formänderung bei einer bestimmten Aktivierungstemperatur statt. Das Erreichen dieser Temperatur kann bei der Anwendung von Formgedächtnisaktoren durch ein Umgebungsmedium oder durch die Zuführung elektrischer (joulescher) Wärme erreicht werden. Formgedächtniselemente können auch in umgekehrter Weise genutzt werden, um als Dämpfungselemente mechanische Energie in Wärme umzuwandeln. Bei der Umwandlung findet eine messbare Veränderung des elektrischen Widerstands statt, sodass Formgedächtniselemente auch als Sensoren für mechanische Größen genutzt werden.

Typische Halbzeuge für die Nutzung von aktorischen und sensorischen Formgedächtniselementen sind Drähte und Flachmaterial, die auch als Helices bzw. Schraubenfedern verwendet werden sowie Zylinder. Halbzeuge für die Anwendung als Dämpfer sind u.a. Scheiben und Bleche. Typisch Materialstärken sind hier wenige Millimetern oder kleiner.

Kommerziell eingesetzte Formgedächtnislegierungen basieren heutzutage hauptsächlich auf Nickel-Titan-Werkstoffen, die seit den 1960er-Jahren u. a. für Luftfahrt- und Medizinanwendungen hergestellt werden.

Abseits des am Markt etablierten Legierungssystems NiTi und NiTix werden von uns weitere Legierungssysteme erschmolzen und untersucht. Dazu gehören u. a. Legierungssysteme trinäre und quartäre Legierungssysteme auf Basis von Kupfer und Magnesium. Zusätzlich untersuchen wir auch die Herstellung von neuen Geometrien für Formgedächtniselementen.

Für unsere Forschung nutzen wir neben einem leistungsstarken Induktionsschmelzofen mit Vakuum und Schutzgas auch die Möglichkeit, mittels 3D-Druck komplexe Feingussformen herzustellen.

Die Prüfung und Charakterisierung der Eigenschaften sind die Grundlage für alle Entwicklungen von Anwendungen mit Formgedächtnislegierungen. Insbesondere reproduzierbare Eigenschaften werden für die Anwendung vorausgesetzt.

Die von uns entwickelten und eingesetzten Formgedächtnislegierungen werden metallographisch erfasst und die mechanischen wie elektrischen Eigenschaften untersucht. Wir nutzen dafür unsere umfangreich ausgestattete Metallographie und Werkstoffprüfung.

In Forschungsvorhaben und für Partner entwickeln und bauen wir auch spezialisierte Prüfstände.

Erst die thermomechanische Behandlung ermöglicht die gezielte Nutzung der Formgedächtnistechnik, denn sie sorgt dafür, dass aus ihr entwickelte Aktoren zuverlässig ihre Bewegungen durchführen, Sensoren Daten erfassen und Dämpfungselemente Stöße und Schwingungen aufnehmen.

Durch lokale thermomechanische Konfiguration können Teile von Formgedächtniselementen unterschiedliche Eigenschaften annehmen und so komplexe Funktionen umsetzen.

Für die thermomechanische Behandlung ist die FGW u. a. mit mehreren hochpräzisen Wärmebehandlungsöfen (auch für den Betrieb mit Schutzgas und Vakuum) ausgestattet.

Wir bringen Formgedächtnislegierungen in den unterschiedlichsten Branchen zum Einsatz. Sie können unter Berücksichtigung der thermischen Bedingungen sowohl in Produkten und Systemen im Haushalt aber auch im Maschinenbau bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik Anwendung finden. Gegenüber etablierten Kleinantrieben liegen z. B. die Stärken von Formgedächtnisaktoren in einer hohen spezifischen Arbeitsdichte, einem hohen Formgestaltungspotential, einer geringen Anzahl an notwendigen mechanischen Elementen, kurzer Auslösezeit und weitgehend geräuschfreier Arbeitsweise.

Unternehmen können sich sowohl für geförderte Forschungsvorhaben als auch Auftragsentwicklungen an uns wenden.