Miniaturisierte FGL-Kurzhubaktoren für Hochlastanwendungen

Aktoren sind Schlüsselelemente in fast jeder Produktionsanlage und Maschine. Neben den funktionalen Eigenschaften, wie Hub, Kraft und Dynamik, sind Bauraum und Gewicht relevante Anforderungen. Formgedächtnislegierungen (FGL) weisen im Vergleich die höchste Energiedichte (10⁶ J*m^-3) aller Festkörper-Aktorprinzipien auf. Dadurch eignen sich FGL besonders gut zur Realisierung sehr kleiner Aktoren. Darüber hinaus lassen sie sich mit hoher Präzision bei relativ geringem Aufwand allein über die Temperatur steuern und regeln. Diese Technologie stellt damit eine potentielle Alternative zu konventionellen Aktorik-Technologien dar. Drahtbasierte FGL-Aktoren sind bereits in industriellen Anwendungen etabliert, sind aber auf geringe Kräfte (N-Bereich) bei kleinen Hüben (mm-Bereich) beschränkt. Es gibt jedoch auch Anwendungen und Anforderungen für kompakte FGL-Aktoren mit höheren Kräften (kN-Bereich) bei kleinen Hüben (mm-Bereich). Daher werden im Projekt HochPerForm die Technologien erforscht, die schnellschaltende FGL-Aktoren im Hochlast-Bereich (kN) ermöglichen.

Bei den miniaturisierten FGL-Kurzhubaktoren ist es gelungen, die hohe Energiedichte konsequent zu nutzen, um Aktoren mit wesentlich größeren Kräften als bisher zu entwickeln. Die Technologie ermöglicht es, Aktoren mit Stellkräften über 1 kN und Stellwegen bis 1 mm in sehr kleine Bauräume zu integrieren. Hübe und Kräfte sind in einem weiten Bereich skalierbar. Weiterhin eignen sich die sensorischen Eigenschaften der FGL für eine direkte Kraftmessung. 

Formgedächtnisaktoren werden bereits in zahlreichen Bereichen angewendet (Automobil, Luft-/Raumfahrt, Werkzeugmaschinen). Sie kommen dort zum Einsatz, wo minimales Gewicht und Bauraum bei hohen Kräften (kN-Bereich) und kleinen Hüben (mm-Bereich) gefordert sind. Gleichzeitig können die Aktoren im Kleinspannungsbereich betrieben werden, was sich positiv auf die notwendige Ansteuerperipherie, die elektromagnetische Verträglichkeit und die erforderlichen Schutzmaßnahmen auswirkt.

Eine Herausforderung der heutigen Formgedächtnis-(FG)-Aktoren ist ihre Schaltgeschwindigkeit da sie aufgrund ihrer thermischen Trägheit nur relativ langsam temperiert werden können. Während der Heizvorgang meist elektrisch realisiert wird und damit hohe Heizraten möglich sind, geschieht das Abkühlen meist durch freie Konvektion. Die so am Aktorkörper erreichte Wärmestromdichte ist der limitierende Faktor. Aufgrund der ungünstigen Wärmeübertragung führt dies zu hohen Abkühlzeiten, was den Einsatz der Technologie bisher auf Aktoren mit sehr dünnen Drähten und nur geringen Kräften (<100 N) beschränkt.

Das Fraunhofer IWU erforscht verschiedene Methoden, um die Dynamik von massiveren FG-Aktoren zu erhöhen. Durch eine Optimierung des thermischen Verhaltens von FGL-Aktoren soll die Abkühlzeit drastisch reduziert und so eine deutliche Steigerung der Aktordynamik insbesondere bei FG-Aktoren für hohe Kräfte (>1 kN) erzielt werden.