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VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (VDI-GPP)

11.07.2017
VDI 2248 Blatt 1 bis Blatt 5 jetzt komplett verfügbar
 

Produktentwicklung mit Formgedächtnislegierungen

Schematische Darstellung der Phasenumwandlung von Formgedächtnislegierungen (Bild: VDI e.V)

Schematische Darstellung der Phasenumwandlung von Formgedächtnislegierungen (Bild: VDI e.V)

Aktuatoren und Ventile auf Basis von sogenannten Memory-Metallen bieten neue technische Möglichkeiten, die herkömmlichen Lösungen bei Gewicht, Größe, Funktionalität und Leistungsdichte deutlich überlegen sind. Sie stellen schon heute in vielen Branchen eine Schlüsseltechnologie mit innovativen Anwendungsfeldern dar, wie z.B. in der Automobilindustrie, in der Medizin- und Umwelttechnik, oder bei neuartigen Mikrokameras für Smartphones.

 

Feinwerktechnische Systeme, ganz egal ob sie in der Medizintechnik, in der Fahrzeugtechnik oder in optischen bzw. messtechnischen Systemen eingesetzt werden, verlangen nach immer kleineren Antrieben. Die Miniaturisierbarkeit herkömmlicher Antriebe, wie beispielsweise Elektromotoren, hat jedoch ihre Grenzen erreicht. Nicht nur der fertigungstechnische Aufwand, sondern auch die Leistungsfähigkeit dieser Antriebe stellen in Bezug auf die Miniaturisierung enorme Probleme dar. Um den Anforderungen kleiner und leistungsstarker Antriebssysteme gerecht zu werden, ist daher der Einsatz neuer Aktorprinzipien oftmals die bessere Lösung.

 

Insbesondere die Einfachheit eines Antriebs auf der Basis von Multifunktionswerkstoffen kann sich positiv auf Kosten und Baugröße von feinmechanischen Antriebs- und Sensorsystemen auswirken. Eine Alternative zu herkömmlichen Antrieben stellen in diesem Sinne Formgedächtnislegierungen (FGL) dar. Neben der kleinen Baugröße und des einfachen Aufbaus bieten FGL noch den Vorteil des geringen Gewichts, der Reinraumtauglichkeit und der sehr guten elektromagnetischen Verträglichkeit. Für den Einsatz in der Feinwerktechnik bietet diese Antriebstechnologie deshalb optimale Voraussetzungen.

 

Was sind Formgedächtnislegierungen?
Formgedächtnislegierungen, kurz FGL, sind Materialien, die ein einzigartiges Verhalten zeigen. FGL können sich nach einer Verformung an ihre zuvor eingeprägte Ursprungsform erinnern. Die Ausgangsform wird dabei vorab durch einen Glühprozess eingeprägt. Der bekannteste Werkstoff ist eine Nickel-Titan-Legierung (NiTiNol) mit einem Nickelanteil zwischen 49,5–51,0 at%. Eine diffusionslose Phasenumwandlung von der Tieftemperaturphase (Martensit) in die Hochtemperaturphase (Austenit) bildet die Grundlage für das Verhalten von Formgedächtnislegierungen. Während dieser, in Analogie zur Stahlhärtung bezeichneten, martensitischen Transformation ändert sich weder die chemische Zusammensetzung der Legierung noch die Anordnung der Atome. Die Phasentransformation ist reversibel und zeitunabhängig, da lediglich eine Verzerrung des Atomgitters und keine Umordnung der Atome erfolgt. Die Transformation von Martensit in Austenit ist dabei eine Funktion der am Material anliegenden mechanischen Spannung und der Temperatur (siehe Bild).


Mit einigen Experimenten und an Hand des bekannten „Büroklammer-Tricks“ zeigte ProSieben in einer Galileo-Folge im August 2011, wie eine FGL funktioniert: http://www.prosieben.de/tv/galileo/videos/gedaechtnismetall-clip2

 

Was ist das Ziel der Richtlinienreihe VDI 2248?
Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik haben bereits im Frühjahr 2012 das ökonomische Potenzial der Formgedächtnistechnik erkannt und das FGL-Netzwerk gegründet. Mit einem noch nicht erschlossenem Marktvolumen von mehr als 1 Mrd. € pro Jahr bieten sich hier enorme Chancen für heimische Unternehmen. Der Standard des VDI soll helfen, diese Chancen zu nutzen. Mit den Experten des Netzwerks gelang es, zwischen den Jahren 2013 und 2016 ein umfassendes Regelwerk zur Unterstützung des Entwicklungs- und Prüfprozesses für  Formgedächtnis-Aktoren auszuarbeiten. Die Richtlinienreihe gliedert sich in 5 Blätter:

  • Blatt 1: Grundlagen und Anwendungsbeispiele
  • Blatt 2: Werkstoffauswahl und Nomenklatur
  • Blatt 3: Prüf- und Messmethoden
  • Blatt 4: Simulation und Modellentwicklung
  • Blatt 5: Entwicklungsprozess/Regeln und Beispiele für die Entwicklung von Aktoren

 

Herausgeber der Richtlinien VDI 2248 Blatt 1 bis Blatt 5 ist die VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (GPP). Die Richtlinie VDI 2248 Blatt 3 ist im Juni 2017 als Entwurf erschienen und vervollständigt damit die Richtlinienreihe. Sie kann zum Einzelpreis von EUR 90,80 beim Beuth Verlag in Berlin unter +49 30 2601-2260 bestellt werden. Onlinebestellungen sind unter www.beuth.de möglich. Die Möglichkeit zur Mitgestaltung der Richtlinie durch Stellungnahmen bestehen durch Nutzung des elektronischen Einspruchsportals oder durch schriftliche Mitteilung an die herausgebende Gesellschaft (gpp@vdi.de). Die Einspruchsfrist von Blatt 3 endet am 30.09.2017. Bis dahin können auch noch Hinweise zu den anderen Blättern eingebracht werden.

 

Ihr Ansprechpartner im VDI:
Dipl.-Ing. Dieter Moll MBM
VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung
Telefon: +49 211 6214-483

Telefax: +49 211 6214-97483
E-Mail: moll@vdi.de

 

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