Kompakte Aktoren schneller schalten
Aufgrund ihrer hohen Leistungen bei geringem Bauraum werden Formgedächtnislegierungen gerne als Aktoren eingesetzt. Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft haben diese nun verbessert.
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Eine Masse von 500 kg um bis zu 200 µm anzuheben, das gelingt mit neuartigen Aktoren, die selbst gerade einmal einen Durchmesser von 15 mm und eine Länge von 16 mm aufweisen. Zur Ansteuerung werden lediglich zwei Kabel benötigt, die mit einer dezentralen, kostengünstigen Regelelektronik verbunden sind.
Solche Höchstleistungen hinsichtlich großer Kräfte bei kleinem Bauraum sind beispielsweise für Anwendungen im Werkzeug- und Maschinenbau interessant, wenn schwere Bauteile präzise ausgerichtet werden sollen. Das Problem bisher: Die dazu eingesetzten thermischen Formgedächtnislegierungen haben ein schlechtes Abkühlverhalten und reagieren deshalb eher träge. Nun haben drei Fraunhofer-Institute eine neue Klasse von Hochlast-Formgedächtnis-Aktoren entwickelt, die erstmals hochdynamisch schalten können.
Die kompakten Aktoren aus Formgedächstnislegierungen schalten 0,3 Hz
Gemeinsam hat ein Team vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM), dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (Ifam) im kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt HochPerForm kompakte, hochdynamische Hochlastaktoren auf Basis thermischer Formgedächtnislegierungen (FGL) entwickelt. Dank des dafür entwickelten Peltier-Temperiersystems können die Aktoren nun mit Frequenzen von 0,3 Hz geschaltet werden. Das Prinzip ist einfach: Unter Krafteinwirkung verformt sich die FGL und hält diesen Zustand, bis sie erhitzt wird. Dann nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form an. Die Wärme wird in dem Fall durch elektrische Impulse erzeugt.
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Zunächst galt es aber drei zentralen Fragestellungen zu beantworten: 1. Wie kann der Bauraum eines FGL-Hochlastaktors minimiert werden? 2. Wie gelingt die schnelle Temperierung des entwickelten Aktors? 3. Können die benötigten FGL-Komponenten additiv gefertigt werden? Das geschah über Versuche mit verschiedenen Teilfunktionsmustern. Aufbauend auf den daraus gewonnenen Erkenntnissen entwickelte das Team einen ersten FGL-Hochlastaktor, der dank einer additiv gefertigten FGL-Komponente und einer leistungsfähigen Temperierung ein deutlich verbessertes Eigenschaftsprofil aufweist. Anhand eines Funktionsdemonstrators konnte das Team nach eigener Aussage zeigen, dass sich die neuen Hochlastaktoren beispielsweise ideal für die Feinpositionierung von Bauteilen in Produktionsmaschinen eignen. Ebenso könnten damit große Halte- bzw. Spannkräfte realisiert werden, heißt es.
Kühlung der Formgedächtnislegierung sorgt für Dynamik im Aktor
Schlüssel zur Verbesserung der Dynamik thermischer Formgedächtnislegierungen ist die richtige Kühlung. Dazu hat ein Team des Fraunhofer IPM zwei Ansätze verfolgt: schaltbare Heatpipes (Wärmerohre) und runde thermoelektrische Module. Insbesondere mit dem zweiten Ansatz konnten schließlich hohe Dynamiken bei geringer Systemgröße erreicht werden. Laut den Forschenden eröffnet das im Hinblick auf Kompaktheit, Regelbarkeit und Einfachheit völlig neue Einsatzmöglichkeiten für FGL-Aktoren.
Das Grundkonzept des Hochlastaktors wurde am Fraunhofer IWU entwickelt. Er besteht neben der FGL-Komponente, die als Energiewandler fungiert, aus einem ausgeklügelten Vorspannsystem. Der Aufbau wurde im Baukastenprinzip realisiert. Die FGL-Hochlastaktoren lassen sich somit kundenspezifisch auf die jeweiligen Anforderungen anpassen. Am Fraunhofer Ifam ist es zudem gelungen, durch die additive Fertigung maßgeschneiderte FGL-Bauteile zu fertigen. Bisher waren die verfügbaren Geometrien stark eingeschränkt. Dank der Erfahrung des Instituts konnten zudem die Funktionseigenschaften wie Hysterese und Degradation durch pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (L-PBF) deutlich verbessert werden.
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