Kennwertbasierte Auslegungssystematik von Formgedächtnisfedern

Formgedächtnislegierungen (FGL) sind thermosensitive Werkstoffe, die ihre Geometrie bei Erreichen definierter Temperaturen verändern und in bestimmten Temperaturbereichen elastische Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften machen FGL-Federn besonders interessant: Sie ermöglichen große Kräfte und Hübe bei präzise einstellbaren Schalttemperaturen sowie hohe reversible Dehnungen.

Ein besonderer Vorteil liegt in der energieautarken Aktivierung durch das Umgebungsmedium, wodurch sich FGL-Federn ideal für selbstregulierende Anwendungen, zum Beispiel im Bereich Thermomanagement, eignen.

Die Entwicklung von FGL-Federn ist jedoch komplex: Es existieren bislang aufgrund des komplexen Werkstoffverhaltens weder ein geeignetes Auslegungssystem noch standardisierte Methoden zur Bestimmung der erforderlichen Materialeigenschaften. Daraus resultieren hohe Entwicklungszeiten und -kosten, was den breiten industriellen Einsatz – insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) – bislang einschränkt.

Industrietaugliche Auslegungssystematik

Um KMU den Zugang zu dieser Technologie zu erleichtern, wurde eine industrietaugliche Auslegungssystematik entwickelt. Die Grundlage bilden Finite-Elemente-Modelle (FEM) von FGL-Schraubenfedern, deren Stellverhalten in Abhängigkeit von Geometrie- und Legierungsparametern simuliert und anschließend an gefertigten Federn validiert wurde. Die so erzeugten zahlreichen Kraft-Stellweg-Kurven für FGL-Federn entsprechend den Legierungs- und Geometrieparametern fließen in ein Design-of-Experiment-Modell ein, das diese Zusammenhänge in mathematischen Gleichungen abbildet. Die Gleichungen sind in eine grafische Benutzeroberfläche integriert, die es Anwendern ermöglicht, FGL-Federn ähnlich wie konventionelle Stahlfedern intuitiv zu dimensionieren – ganz ohne tiefgehende Kenntnisse in der Simulation.