FG-One Aktuator

Der standardisierte FG-One Aktuator: nur 14 g leicht, verstellt Lasten von bis zu 1500 g. Wird der elektrische Strom aktiviert, bewegt sich der gelbe Stößel um 4,2 mm nach oben und wirkt damit gleichzeitig ziehend und drückend. Kunststoffverarbeitung Hoffmann

Bei den Aktuatoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen handelt es sich um zumeist dünne Drähte aus einer Nickel-Titan Legierung, auch NiTinol genannt. Erwärmt sich dieser Draht – etwa durch einen elektrischen Strom – verkürzt er sich und erzeugt damit eine, für seine Baugröße, enorme Kraft: So entwickelt ein sogenannter „FG-Draht“ von nur 0,3 mm Durchmesser eine Zugkraft von 3 kg Zugkraft. Dabei wiegt der Draht selbst weniger als 1 g. Aufgrund dieser Werte lassen sich auf Basis dieser ‚schlauen‘ Materialien elektrische Kleinantriebe für feinmechanische Entriegelungs- und Positionieraufgaben realisieren, die zudem mit geringen elektrischen Betriebsspannungen arbeiten und gegebenenfalls auch direkt auf Elektronikplatinen mit integriert werden können.

Bemerkenswert ist zudem die eingebaute sensorische Eigenschaft der Formgedächtnislegierung: Der elektrische Widerstand des FG-Drahtes ändert sich annähernd linear zum erzeugten Stellweg. Damit ist es möglich, den elektrischen Widerstand als Sensorkennlinie für proportionale Positions- und Kraftregelung zu verwenden. Somit braucht es keine sensorischen Elemente zur Positionsregelung von Aktuatoren auf Basis von FG-Drähten.

Im Video: So funktioniert der Formgedächtnis-Aktor (Animation und Realer AKtor)

Standardisierte Formgedächtnis-Aktoren für die Serie

Der gelbe FG-One-Aktuator für Sicherheitsentriegelungen

Der gelbe FG-One-Aktuator für Sicherheitsentriegelungen – so flach, dass er in einer Geräteklappe eingebaut werden kann. Kunststoffverarbeitung Hoffmann

Seit der Entdeckung des sogenannten Formgedächtniseffektes vor über 50 Jahren wurden zahlreiche Entwicklungen für den Maschinenbau in der Automatisierungstechnik erprobt. Das Problem in der Serienumsetzung liegt eindeutig in der komplexen Produktentwicklung mit FG-Drähten. Was wie ein einfacher Draht aussieht, ist ein komplexes Wirkungsgeflecht aus werkstoffwissenschaftlichen, thermodynamischen und konstruktiven Parametern. Oft fehlt in der Produktentwicklung eines gesamten Systems die Zeit, einen eigenen Stellantrieb zu entwickeln und hier noch entsprechende Produktionsprozesse zu etablieren.

Eine Lösung für dieses Problem sind daher standardisierte Formgedächtnisaktoren, die in Serie verfügbar sind. Beispielsweise erzeugt der One-easy Aktuator der Marke Hoffmann Kunststofftechnik + Mechatronik – mit einem Eigengewicht von lediglich 14 g – eine Stellkraft von bis zu 1,5 kg konstant über den Stellweg. Wird der elektrische Strom aktiviert, bewegt sich der gelbe Stößel um 4,2 mm nach oben und wirkt damit gleichzeitig ziehend und drückend. Die Stellbewegung ist zudem mit einer entsprechenden Proportionalelektronik bis auf 0,5 µm genau linear regelbar.

Durch Nutzung des One-easy bleibt dem Anwender eine eigenständige Entwicklung eines Antriebs auf Basis von FG-Drähten erspart. Stattdessen kann er per Datenblatt die Anforderungen mit seiner Anwendung abgleichen und in der Produktentwicklung seines Systems eine Validierungsphase frühzeitig einleiten. Das spart Kosten und Zeit in der Produktentwicklung bei neuen technischen Produktvorteilen wie maximaler Gewichts- und Bauraumersparnis.

Wie funktioniert ein FG-Draht?

Wirkprinzip des Formgedächtnismaterials als Aktuator

Das Wirkprinzip des Formgedächtnismaterials als Aktuator: Während bei „A“ der FG-Draht inaktiv ist, wird er von der Zugfeder gestreckt. Bei Schaltung des elektrischen Stromkreises („B“) wird der FG-Draht elektrisch erwärmt, sodass er sich verkürzt und durch die entstehende Kraft die Zugfeder längt. Nach Deaktivierung des Stroms, kehrt das System in den Zustand „A“ zurück. Kunststoffverarbeitung Hoffmann

Formgedächtnislegierungen nutzen eine Temperaturänderung zur Gefügeumwandlung, die sich als eine volumenkonstante Gestaltänderung für Stellaufgaben nutzen lässt. Der thermische Effekt kommt in der Aktorik zum Einsatz und ist dadurch gekennzeichnet, dass beispielsweise ein FG-Draht im kalten Zustand durch eine Last verformt wird. Die verwendeten Formen von FG-Elementen im Bereich der Aktorik reichen von einfachen Zugdrähten, über Zug- und Druckfedern bis hin zu komplexen Strukturen.

Die Verformung dieser Elemente bleibt solange erhalten, bis das FG-Element über eine bestimmte Schalttemperatur erwärmt wird und wieder seine Ausgangsform annimmt. Ab dieser Austenit-Start-Temperatur (As) beginnt das Material mit einer annähernd zur Temperatur proportionalen Umwandlung von der kalten und relativ weichen Phase (Martensit) in die Warmphase (Austenit). Die Umwandlung ist nach Erreichen der Austenit-Finish-Temperatur (Af) abgeschlossen. Die Umwandlung ist zudem hysteresebehaftet. Die entsprechenden Martensit-Start und -Finish Temperaturen (Ms, Mf) liegen deshalb tiefer als die austenitischen Temperaturen. Die Materialumwandlung zeigt sich zudem in der Änderung des elektrischen Widerstandswertes des Materials, welcher als eingebauter Sensor für Stellwege, Temperaturen oder auch Kräfte (auch „Self-Sensing“ genannt) im FG-Draht genutzt werden kann.

Nur 5 Prozent des Gewichts bei gleicher Stellkraft

Vergleich der Eigengewichte von Hubmagneten zu Formgedächtnisaktoren in Bezug auf die Ausgangsstellkraft bei 4,2 mm Stellweg.

Vergleich der Eigengewichte von Hubmagneten zu Formgedächtnisaktoren in Bezug auf die Ausgangsstellkraft bei 4,2 mm Stellweg. Kunststoffverarbeitung Hoffmann

Da ein Formgedächtnisaktor hauptsächlich aus einem Kunststoffgehäuse, elektrischen Leitungskomponenten und den NiTinol-Drähten besteht, können immense Leichtbaupotenziale erreicht werden. Ein „plug & play“ Formgedächtnisaktor mit 8 kg Stellkraft wiegt gerade mal 5 % dessen, was ein Elektromagnet bei gleichem Stellweg und Stellkraft leistet. Zwar zeigen Formgedächtnisaktoren bedingt durch den thermischen Abkühlvorgang eine geringere Schaltfrequenz als Elektromagneten, jedoch wird gerade deswegen auch nur ein Bruchteil energetischer Halteleistung zur Fail save Daueraktivierung benötigt: Um einen Elektromagneten von 10 N Stellkraft dauerhaft zu aktivieren, wird eine elektrische Halteleistung im Bereich von 2 bis 4 W benötigt. Diese beträgt bei einer Anwendung mit einem Formgedächtnisaktor lediglich 0,5 bis 1 W.

Ob zur Positionierung von Feinoptiken oder zum Betreiben von Pneumatikventilen, das Einsatzspektrum ist branchenübergreifend vielfältig: So zum Beispiel auch der Einsatz in der Entriegelungstechnik. Die Klappe in der Sicherheitsentriegelungen ist so flach, dass kaum ein üblicher elektromechanischer Antrieb passt. Der standardisierte FG-Draht basierte Aktuator eignet sich hierfür aufgrund seiner flachen Bauweise von nur 6 mm Dicke und entriegelt mit relativ hoher Kraft auch bei Tiefsttemperaturen. Zudem zeigen die Formgedächtnismetalle keinerlei Korrosion oder Alterungserscheinungen durch Wittterung.

Neue Einsatzspektren durch Formgedächtnislegierungen

Da der Aktuator sehr wenig wiegt, aber vergleichsweise hohe Stellkräfte geräuschfrei erzeugt, eignet er sich für unterschiedliche Branchen – auch futuristische. So sind beispielsweise Aktuatoren in der Bekleidung denkbar, die einen per Drucksignal auf Gefahren im Straßenverkehr hinweisen, auch wenn der Blick und das Gehör auf andere Geschehen gerichtet sind. Durch die enorme Bauraumersparnis können aber auch intelligente Smart-Home-Systeme wie schaltbare Kleinst-Luftdurchlässe in Fenstern realisiert werden. Auch leichte und geräuschfrei arbeitenden Antriebe für das Interieur im Auto sind denkbar. Ein Projekt bei Kunststoffverarbeitung Hoffmann ist die Entwicklung haptischer Mensch-Maschine-Geräte auf Basis der Aktoren.

Da die Technologie in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden kann, empfehlen die Ingenieure bei der Fa. Hoffmann zunächst die technologischen Vorteile des Einsatzes von NiTinol-Aktuatoren abzuwägen. „Eine neue Technologie bringt nicht nur Vorteile mit sich – da sind reine 1 zu 1 Substitutionen von anderen Antriebsprinzipien nicht immer möglich,“ so Alfred Pawelczyk, Entwicklungsleiter bei Hoffmann. „Allerdings beginnen immer mehr Anfragen bei uns mit der Forderung nach einer Wende in bisherigen Aktuatoren – da hier kaum grundlegende Neuerungen möglich scheinen“.