Multifunktionaler Leichtbau Leichtbauansätze mittels Adaptronik

Welf-Guntram Drossel, Holger Kunze, André Bucht

© Fraunhofer IWU Prof. Neugebauer

Gliederung


Smart materials – aktive Werkstoffe
Formgedächtnisaktoren
Anwendungsbeispiele

LiMA-Symposium, Leichtbau, Chemnitz, 23.06.2010


Multimaterialsysteme

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Smart materials – aktive Werkstoffe
Formgedächtnisaktoren
Anwendungsbeispiele

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Multimaterialsysteme

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Smart materials - Überblick elektrisches Feld

Piezokeramiken Piezopolymere elektrostrikt. Keramiken elektrovisk. Keramiken

Magnetfeld

magnetostriktive Legierungen magnetoviskose Flüssigkeiten

Wärme

Gedächtnislegierungen Gedächtnispolymere hybride Werkstoffsyst. Polymergele

Licht

Polymergele elektrostritive photomechanische Materialien

mechanische Kraft, Deformation

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Piezokeramiken Piezopolymere elektrostrikt. Keramiken elektrovisk. Keramiken

Widerstand Kapazität Ladung

magnetostriktive Legierungen magnetoviskose Flüssigkeiten Widerstand Induktivität

Gedächtnislegierungen Gedächtnispolymere hybride Werkstoffsyst. Polymergele

Polymergele elektrostritive photomechanische Materialien

Widerstand

Lichtstärke

Aktive Werkstoffe zeichnen sich durch ihren multifunktionalen Charakter aus Sie sind sowohl aktorisch als auch sensorisch einsetzbar © Fraunhofer IWU Prof. Neugebauer 4

Smart materials - Klassifikation

7

100

W 10

Muscle

/kg

Ni2MnGa

10

/kg

5

W 10

/kg

Specific Energy in J/kg

/kg

TiNi

1000

3

PZT 1

1

/kg

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9

Hydraulics

W 10

Magnetische Formgedächtnislegierung (NiMnGa) - hohe Arbeitsfrequenz – kHz (Faktor 1000 zu FGL NiTi) - Hohe Dehnung - 10% (Faktor 100 zu PZT) - niedrige Kräfte

10000

W 10

Formgedächtnislegierungen (NiTi) -Niedrige Arbeitsfrequenz - Hz -Hohe Dehnungen – 8% -Sehr große Kräfte

100000 W 10

Piezokeramik (PZT) -Sehr hohe Arbeitsfrequenz - kHz -niedrige Dehnungen – 0,2% -große Kräfte

PVDF 0.1

1

100

10000

1000000

Frequency in Hz Quelle: S. Wax, SPIE Proc. 3669, 1999

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Smart materials – aktive Werkstoffe
Formgedächtnisaktoren
Anwendungsbeispiele

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Einführung in den Formgedächtniseffekt Mechanismen
spezielle Legierungen, können den martensitischen Gefügezustand verlassen und wieder annehmen  Änderung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens und der Geometrie z.B. Verkürzung eines Drahtes

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Grund ist eine reversible Phasenumwandlung durch Wirkung eines thermisches Feldes zwischen
Martensit: Tieftemperaturphase
Austenit: Hochtemperaturphase

Spannungs-Dehnungs-Verhalten


Umwandlung wird beschrieben durch
Ms, As...Start der Phasenumwandlung
Mf, Af...Abschluss der Phasenumwandlung


aufgrund unterschiedlicher Hysteresen relativ komplexes Materialverhalten thermische Hysterese © Fraunhofer IWU Prof. Neugebauer 7

Einführung in den Formgedächtniseffekt Eigenschaften
meist Einsatz von binären Nickel-Titan-Legierungen
kommerziell verfügbar als Draht, Stab, Rohr oder Blech

Verschiedene FGL-Aktorgeometrien


Umwandlungstemperaturen zwischen -200°C und +120°C abhängig von Legierungszusammensetzung

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Dehnung bis maximal 4% abhängig von der zu erreichenden Zyklenzahl
Blockierkräfte bis 220 N/mm2 (abhängig von Zyklenzahl)
bei entsprechender Auslegung Zyklenzahlen >100.000 möglich
sehr große spezifische Energiedichte  sehr kleine, leichte Aktoren möglich © Fraunhofer IWU Prof. Neugebauer 8


Smart materials – aktive Werkstoffe
Formgedächtnisaktoren
Anwendungsbeispiele

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Multimaterialsysteme

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Tankklappen-Entriegelungsmodul auf Basis von FGL Idee: Ersatz elektromechanische Antriebe durch FGL-Stellantriebe (geringe Wege und geringe Kräfte) Beispiel: Entriegelung einer Tankklappe

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 Antriebsparameter - Kraft: 10N  Weg: 5mm  Aktorlänge: 120mm  Aktorquerschnitt: 0,1mm  Integrierter FGL-Antrieb besteht aus nur 2

3 Teilen (Masse: 10g) anstatt 10 Teilen (Masse: 104g) mit konventioneller Lösung

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Kühlluftklappensteuerung mit FGL-Aktoren Idee: Ersatz elektromechanische Antriebe durch FGL-Stellantriebe (geringe Wege und geringe Kräfte) Beispiel: Kühlluftklappe BMW
Verschluss der Lamellen der Kühlluftöffnung LiMA-Symposium, Leichtbau, Chemnitz, 23.06.2010


Ersatz des Motors mit Drahtaktor (ca. 200mm/2x0,5mm)
Zusatzfunktionalität „thermische Aktivierung“  FailSafe-Funktion
schaltender Betrieb

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Luftverteilerkasten mit Elektromotor
steuert die Luftverteilung im Fahrzeuginnenraum

Antriebsmodul


Steuerung des Luftstromes durch bewegliche Lamellen mit stufenloser Winkeleinstellung
Lamellen sind über ein Koppelgetriebe an ein Antriebsmodul angekoppelt
Antriebsmodul besteht aus LiMA-Symposium, Leichtbau, Chemnitz, 23.06.2010


Schrittmotor
mehrstufigem Getriebe

Lüftungsklappen zur Seitenscheibe


kompakter, aber vergleichsweise komplexer Aufbau und somit:
vielteilig
schwer
teuer © Fraunhofer IWU Prof. Neugebauer 12

Fahreranströmer

Luftverteilerkasten mit Formgedächtnisaktorik Ansteuerung
stufenlose Einstellung des Öffnungswinkels erfordert eine Regelung des FG-Aktors

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Potentiometer


Potentiometer an der Klappenachse zur Erfassung des Öffnungswinkels  Rückführung des Signals und Vergleich mit Sollwinkel  Berechnung des notwendigen Heizstromes
Erzeugen des Heizstromes mittels Pulsweitenmodulation direkt aus dem Bordnetz
Umsetzung auf 8-Bit Mikrokontroller © Fraunhofer IWU Prof. Neugebauer 13

Platine zur Steuerung

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Vergleich Elektromotor vs. Formgedächtnisaktor Eigenschaft

Schrittmotor

Formgedächtnisaktor

Zyklendauer

3s

2-3 s

Preis

ca. 5,00 €*

ca. 2,50 €**

Bauraum

sehr kompakt

entlang des Bauteils

Geräuschemission

geringe Geräuschentwicklung

keine Geräuschentwicklung

Komplexität

hoch

gering

Gewicht

ca. 65 g

ca. 20 g

Anzahl Bauteile

> 20

< 10

Positioniergenauigkeit

±1,5°

±1,5°

*

Preis Elektromotor: Angabe Zulieferer

**

Preis Formgedächtnisaktor: FhG-IWU Einkaufspreis der Einzelkomponenten, enthält keine Entwicklungskosten

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Greifmechanismus auf Basis eines Self-Sensing FGLAktors Idee: Nutzung des Sensor- und Aktoreffektes von FGL als Ersatz hydraulischer oder pneumatischer Antriebe

Beispiel: Greifmechanismus Hand
sensorloses Antriebs- und Steuerungskonzept LiMA-Symposium, Leichtbau, Chemnitz, 23.06.2010


FGL  Nickel-Titan-Kupfer-Legierung
automatische Kalibrierfunktion
geregelter Betrieb
technische Greifer für Industrieroboter, Serviceroboter

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Smart materials – aktive Werkstoffe
Formgedächtnisaktoren
Anwendungsbeispiele

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Multimaterialsysteme

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Aktive Metallverbunde mit Formgedächtniseffekt Verbundprojekt :

Fraunhofer IWU und TU BA Freiberg (Institut für Metallformung)

Förderung durch das Sächsische Ministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) Zielstellung:

- Aufbau von Metall-Formgedächtnislegierung (FGL) -Verbunden durch Walzplattieren - Prägen von Heizleitern zur Ansteuerung - Aktivierung des FG-Effektes durch thermo-mechanisches Training

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Anwendungspotential: Medizin (Prothetik), Fahrzeugtechnik, Maschinenbau

Selektivplattierung

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Heißprägen von Heizleitern

Vision Exo-Skelett

Aktive Kunststoffverbunde mit Formgedächtniseffekt Verbundprojekt :

Fraunhofer IWU und TU DD (Institut für Leichtbau)

Förderung durch das Sächsische Ministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) Zielstellung:

- Aufbau von Kunststoff-Formgedächtnislegierung (FGL) -Verbunden - Entwicklung spezieller Verankerungselemente - Aktivierung des FG-Effektes durch thermo-mechanisches Training

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Anwendungspotential: Medizintechnik, Fahrzeugtechnik, Maschinenbau

Quelle: ILK

FE-Simulation eines FGL-FKV-Verbundes © Fraunhofer IWU Prof. Neugebauer 18

Hergestellte FGL-Kunststoff Verbunde Quelle: ILK

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontaktdaten:

Dipl.-Ing. Holger Kunze

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Fraunhofer IWU Abteilungsleiter Adaptronik und Akustik Tel. 0351 / 4772 – 2520 Fax 0351 / 4772 – 2303 Email [email protected]

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