Smart Materials

Form und Funktion verbinden

Durch die Strukturintegration aktiver Werkstoffe, sogenannter Smart Materials wie Piezokeramiken, Formgedächtnislegierungen oder rheologische Fluide, werden völlig neue Lösungen für die Produktionstechnik und die Fahrzeugtechnik möglich. Das Fraunhofer IWU bietet ganzheitliche Lösungen an - von Machbarkeitsbetrachtungen über Funktionsmuster bis hin zu Fertigungstechnologien für adaptronische Lösungen.

Piezokeramische Werkstoffe

Piezokeramiken sind Werkstoffe, die schon über einen hohen Reifegrad verfügen und z. B. als Injektoren für verbrauchsarme Diesel- und Ottomotoren oder als Ultraschallsensoren in der Medizintechnik Anwendung finden. Piezokeramische Werkstoffe zeigen unter Einwirkung einer Verformung durch eine äußere Kraft eine Ladungstrennung. Verformt sich das Material, bilden sich elektrisch geladene Bereiche entweder an der Ober- bzw. Unterseite oder an den gegenüberliegenden Mantelflächen. Die Reaktionszeiten sind extrem kurz und erlauben über den quasistatischen Betrieb hinausgehend auch das Anregen und Empfangen hochfrequenter Schwingungen bis in den GHz-Bereich. Daraus leiten sich z. B. Anwendungen als Ultraschallumwandler und elektromechanische Transformatoren ab.

 

Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL)

Thermische FGL ermöglichen elegante Lösungen, um auftretende Wärmeenergie zum energieautarken Auslösen des Formgedächtniseffektes zu nutzen. So können Stellantriebe, wie sie z. B. im Automobilbau häufig verwendet werden, stark vereinfacht und sogar um temperaturgesteuerte Zusatzfunktionen in Antrieben erweitert werden. Thermische FGL besitzen darüber hinaus einen unschlagbaren Vorteil gegenüber herkömmlichen Lösungen: Sie weisen in Relation zur Leistungsdichte ein äußerst geringes Gewicht auf.

Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM)

MSM können ihre Form unter Einfluss eines Magnetfeldes bis zu 12 % ändern. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen als Aktoren, für das Gewinnen kleiner Mengen elektrischer Energie sowie als Sensoren. Signifikante Vorteile der MSM-Aktoren liegen in der Arbeitsabgabe im Verhältnis zur Betriebsfrequenz, Energieeffizienz und Lebensdauer.

 

Elektro- und magnetorheologische Flüssigkeiten

Als Teilbereich der elektroaktiven Polymere (EAP) können Dielektrische Elastomeraktoren (DEA) in den Bereichen Aktorik, Sensorik und Energieumwandlung Anwendung finden. DEA sind überdies leicht und weisen eine sehr kompakte Bauform auf, sie schalten schnell und geräuschlos. Aus DEA-Materialien gefertigte Energy-Harvesting-Module zur Gewinnung elektrischer Energie aus Quellen wie Vibrationen oder Schwingungen werden Wirkungsgrade von über 80 % prognostiziert und sind damit konventionellen Techniken und Solarmodulen deutlich überlegen.

 

Optische Formgedächtnislegierungen

Optische Formgedächtnismaterialien sind gegenwärtig in Form lichtintensiver Formgedächtnispolymere verfügbar. Wie bei den thermischen Formgedächtnispolymeren kann der Werkstoff aus einem amorphen Zustand (flexibel und elastisch) in einen kristallinen Zustand (steif) überführt werden. Auslösende Indikatorgröße ist dabei das Licht. Die Lichteinwirkung beeinflusst die Vernetzungsdichte und somit die elastischen Eigenschaften des Materials. Mit einer gezielten Erhöhung der Vernetzungspunkte im Herstellungsprozess wird die aktuelle Form des Materials fixiert. Bei der späteren Auflösung der Fixierung »erinnert« sich das Material wieder an seinen geometrischen Grundzustand.

  • Produkte mit struktureller Einfachheit, aber komplexer Funktionalität
  • rund 70 % aller technischen Innovationen beruhen auf neuen Werkstoffen
  • Paradigmenwechsel im Produkt
  • neuer Integrationsgrad durch sensorische und aktorische Aufgaben der Werkstoffgruppe
  • extreme Funktionsverdichtung möglich

  • Studien zur Machbarkeit von Anwendungen mit Smart Materials
  • Werkstoffauswahl und Werkstoffkonditionierung entsprechend den Anforderungen
  • Simulation der Werkstoffeffekte sowie der gesamten adaptronischen Komponente 
  • Charakterisierung und Kennwertermittlung für Smart Materials
  • Entwicklung von Regelungsalgorithmen für Smart Materials
  • Erarbeitung von Fertigungs- und Integrationstechniken für Smart Materials