Werkstoffe Formgedächtnis-Mikroventile in 3D-Drucktechnik

Ein Startup-Unternehmen hat Mikroventile entwickelt, die eine Folie aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) als Aktorelement für die Ventilbetätigung verwenden.

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CADFEM Germany GmbH

SMActuators Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT)

Formgedächtnislegierungen (FGL) eignen sich zur Realisierung von Ventilen beispielsweise für Lab-on-Chip-Anwendungen oder pneumatisch verstellbare Autositze. Ventile für pneumatisch verstellbare Autositze werden bereits in Großserie produziert, auf Grund ihrer Dimensionen sind sie im Bereich der Kleinstventile angesiedelt. Für Lab-on-Chip-Anwendungen werden dagegen Mikroventile benötigt, die aktuell noch nicht kommerziell erhältlich sind. Den Bedarf an Mikroventilen sehen Forscher nicht zuletzt in mobilen Analysegeräten für die Bereiche Bio-Analytik, Lebensmittel-Analytik und bei der medizintechnischen In-Vitro-Diagnose.

Mikroventile in mikrofluidische Systeme integriert

Dr. Christof Megnin vom Freiburger Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) ist zusammen mit seinen Ausgründungspartnern Dipl.-Ing. Hinnerk Oßmer und Dipl.-Ing. Marcel Gültig – beide vom Karlsruher KIT am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) – gelungen, mit ihrem Startup-Unternehmen SMActuators monostabile und bistabile Mikroventile zu entwickeln, die sich in mikrofluidische Systeme integrieren lassen.

Um bei ihren Mikroventilen einen kompakten Aufbau bei möglichst großer fluidischer Leistung zu erzielen, verwenden die Forscher eine strukturierte Folie aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) als Aktorelement für die Ventilbetätigung. Um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren und eine kostengünstige sowie schnelle Fertigung zu erreichen, werden die monostabilen Mikroventile mithilfe eines modularen Baukastens realisiert. Im Ruhezustand geöffnete oder geschlossene Mikroventile lassen sich damit schnell an geforderte Drücke und Durchflüsse anpassen.

Geringer Leistungsbedarf

Doch das ist nur einer der Vorteile der neuen Mikroventile. Der zweite betrifft die Tatsache, dass sich die Ventile optimal in fluidische und elektrische Anschlussplatten integrieren lassen – nicht zuletzt wegen ihres geringen Leistungsbedarfs von ca. 100 mW bei einer maximalen Spannung von 5 VDC. In Kombination mit Durchfluss- oder Drucksensoren können somit hochintegrierte fluidische Systeme realisiert werden.

Das Arbeitsprinzip der FGL-Aktoren ist einfach: Eine hauchdünne FGL-Folie sitzt bei der Normal-Offen-Version über einer kleinen Kugel. Wird der Aktor betätigt, erinnert er sich an seine zuvor eingeprägte Form und drückt innerhalb weniger Millisekunden die Kugel gegen eine Dichtungsmembran, die den Medienraum gegen den Aktor abdichtet und zugleich den Ventilsitz verschließt. Wird die Spannungsversorgung unterbrochen, kühlt der Aktor durch sein großes Oberflächen:Volumen-Verhältnis sehr schnell unter eine spezifische Umwandlungstemperatur und kann dabei leicht durch eine äußere Kraft verformt werden. In diesem Zustand kann der anliegende Systemdruck die Kugel anheben und das Medium frei durch das Ventil fließen lassen.

Bei der Normal-Geschlossen-Version drückt eine Spiralfeder im stromlosen Zustand den FGL-Aktor mitsamt der Kugel gegen die Dichtungsmembran. Unter elektrischer Spannung überwindet der FGL-Aktor die Federkraft, wodurch sich die Dichtungsmembran aus dem Ventilsitz hebt und das Medium durch das Ventil fließen lässt.

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