Reaktionsfähiger! Gedruckte Formgedächtnislegierungen machen Aktoren dynamischer

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Viele Anwendungen – etwa im Werkzeug- und Maschinenbau – benötigen Aktoren, um elektrische Signale in mechanische Bewegungen umzusetzen. Fraunhofer-Experten schaffen das jetzt einfacher ...

Um elektrische Signale in Bewegungen zu verwandeln haben sogenannte Aktoren aus thermischen Formgedächtnislegierungen (FGL) vor allem dann die Nase vorn, wenn es um große Kräfte und kleine Bauräume geht, wie Forscher vom Fraunhofer-Institut für für Physikalische Messtechnik (IPM) erklären.Das einzige Problem ist jedoch, dass sich solche Aktoren schlecht abkühlen, was die Dynamik bei solchen Verwandlungsvorgängen ausbremst. Um das Problem aus der Welt zu schaffen, hat ein Team von Fraunhofer IPM, dem Fraunhofer IWU und dem Fraunhofer IFAM kompakte, hochdynamische Hochlastaktoren auf Basis thermischer Formgedächtnislegierungen (FGL) entwickelt, was im jetzt abgeschlossenen Projekt „HochPerForm“ geschah, wie es weiter heißt.

Innovativer Aktor hebt eine halbe Tonne an

Diese neuartigen Aktoren seien bei einem Durchmesser von nur 15 Millimetern und einer Länge von 16 Millimetern in der Lage, eine Masse von 500 Kilogramm um bis zu 200 Mikrometer anzuheben. Aufgrund eines, wie betont wird, innovativen Peltier-Temperiersystems können die Aktoren mit einer Frequenz von über 0,3 Hertz geschaltet werden. Zur Ansteuerung werden lediglich zwei Kabel benötigt, die mit einer dezentralen und relativ günstigen Regelelektronik verbunden sind. Um das zu erreichen, wurden zunächst einzelne Teilfunktionsmuster entwickelt, um die drei zentralen Fragen des Projektes zu beantworten.

• Wie kann der Bauraum eines FGL-Hochlastaktors minimiert werden?

• Wie gelingt die schnelle Temperierung des entwickelten Aktors?

• Können die benötigten FGL-Komponenten additiv gefertigt werden?

Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen entwickelte das Team einen FGL-Hochlastaktor, der mithilfe einer additiv gefertigten FGL-Komponente und einer leistungsfähigen Temperierung ein deutlich verbessertes Eigenschaftsprofil aufweist. Anhand eines Funktionsdemonstrators konnte gezeigt werden, dass sich die neuen Hochlastaktoren zum Beispiel sehr gut für die Feinpositionierung von Bauteilen in Produktionsmaschinen eignen und für Anwendungen prädestiniert sind, die große Halte- respektive Spannkräfte erfordern.

Zur schnellen Kühlung eines FGL-Hochlastaktors hat ein Team von Fraunhofer IPM zwei Ansätze verfolgt. Zum untersuchte man dafür schaltbare Heatpipes, zum anderen runde thermoelektrische Module. Insbesondere mit dem zweiten System ist es nach Aussage der Forscher möglich, hohe Dynamiken bei geringer Systemgröße zu erreichen. Das eröffne im Hinblick auf Kompaktheit, Regelbarkeit und Einfachheit völlig neue Einsatzmöglichkeiten für FGL-Aktoren. Der Basis-FGL-Hochlastaktor wurde dann am Fraunhofer IWU entwickelt. Er besteht aus der FGL-Komponente, die als Energiewandler fungiert, und aus einem ausgeklügelten Vorspannsystem. Bei der Entwicklung wurde ein Baukastenprinzip aus der Taufe gehoben, das es erlaubt, FGL-Hochlastaktoren kundenspezifisch auf die jeweiligen Anforderungen anzupassen. Fehlende Geometriefreiheit und Verfügbarkeit von Formgedächtniskomponenten war bisher ein Manko der FGL-Hochlastaktorik. Am Fraunhofer IFAM ist es aber nun gelungen, dieses Problem durch die additive Fertigung maßgeschneiderter FGL-Bauteile zu lösen. Möglich wurde das durch die große Erfahrung des IFAM-Teams, womit auch die Funktionseigenschaften wie Hysterese und Degradation durch pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (L-PBF) deutlich verbessert wurden.

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