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Formgedächtnislegierung Smarter Aktor ersetzt Motor

| Redakteur: Dorothee Quitter

Das Fraunhofer IWU zeigte auf der diesjährigen Intec einen smarten Aktor für Klein- und Mikroantriebe. Auf der Grundlage des Memoryeffekts ersetzen dabei Formgedächtnislegierungen das Wirkprinzip eines konventionellen und sehr leistungsfähigen Motors.

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Am Fraunhofer IWU entwickelter Rotationsaktor, links: Konzept, rechts: Realbauteil.
Am Fraunhofer IWU entwickelter Rotationsaktor, links: Konzept, rechts: Realbauteil.
(Bild: Fraunhofer IWU)

Moderne Klein- und Mikroantriebe, wie sie beispielsweise zum Stellen von Lüftungsklappen in KFZ-Klimageräten oder als Vorschubachse in kleinen Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen, stellen zumeist herunterskalierte Versionen konventioneller Antriebe dar. Diese Miniaturisierung ist jedoch aufgrund der physikalischen Wirkprinzipien begrenzt. Die Magnetkräfte in einem Elektromotor werden ab einer bestimmten Skalierung so schwach, dass sie nicht mehr ausreichen, um die Funktionalität des Motors zu gewährleisten. Dadurch ist es bisher nicht möglich, Antriebe proportional zum Bauraum zu verkleinern. Aktoren, die im Motor für die Umwandlung von elektrischen Signalen in mechanische Bewegung zuständig sind, benötigen zudem Führungselemente, um Querkräfte aufnehmen zu können.

Formgedächtnislegierungen sind durch ihre hohe Energiedichte prädestiniert für miniaturisierte Aktoren

Formgedächtnislegierungen (FGL) unterliegen derartigen Skalierungseffekten nicht und sind durch ihre hohe Energiedichte prädestiniert für miniaturisierte Aktoren. Diese intelligenten Materialen nehmen nach einer plastischen Verformung durch Einfluss von Wärme, Licht oder einem Magnetfeld wieder ihre ursprüngliche Form an. Ein Draht, der so zielgerichtet verkürzt wird, setzt dabei z. B. einen gewünschten Mechanismus in Gang. Auf der Grundlage dieser auch als Memoryeffekt bezeichneten Eigenschaften können Formgedächtnislegierungen das Wirkprinzip eines konventionellen und sehr leistungsfähigen Motors ersetzen. Ein Formgedächtnisdraht mit einem Durchmesser von nur 0,3 mm ist in der Lage, ein Gewicht von ca. 6 kg zu heben. Ein möglicher Ansatz Gewicht einzusparen ist, Formgedächtnisdrähte derart anzuordnen, dass auf zusätzliche Führungselemente verzichtet werden kann.

Konzept für Festkörperaktoren basierend auf FGL-Drähten

Am Fraunhofer IWU ist hierzu ein Konzept für Festkörperaktoren basierend auf FGL-Drähten entstanden, die Antrieb und Führung in einem einfachen Draht zusammenfassen. Hierzu wurde ein Winkelversatz zwischen Draht und Bewegungsrichtung des Aktors genutzt. Die damit einhergehende Aufteilung der Drahtkraft in eine Längs- und eine Querkomponente verleiht dem System die benötigte Steifigkeit in alle Raumrichtungen. Die räumliche Drahtanordnung ermöglicht es, auf Führungselemente zu verzichten und zusätzlich verschiedene Bewegungsgeometrien zu realisieren. So können sowohl rotatorische als auch lineare Aktoren gestaltet werden. Die auf dieser Grundlage gefertigten Aktoren zeichnen sich durch sehr geringes Gewicht und hohe Energiedichten aus. So kann ein Linearaktor bei nur 42 g Eigengewicht eine Masse von 5 kg anheben. Mögliche Einsatzszenarien sind überall dort, wo auf engstem Raum präzise und mit hohen Kräften mechanisch geregelt werden muss. (qui)

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