Labor Aktorik, Sensorik und Systemdynamik

Was sind Formgedächtnislegierungen?

Formgedächtnislegierungen (engl. Shape Memory Alloys, SMA) zählen zur Gruppe der intelligenten Werkstoffe (Smart Materials). Sie werden in verschiedenen Formen - z.B. als haarfeine Drähte, Federn oder Bleche - hergestellt. Formgedächtnislegierungen zeichnen sich durch einen besonderen Effekt aus: Während sie im kalten Zustand weich und leicht verformbar sind, "erinnern" sie sich an ihre ursprüngliche Form, sobald sie (z.B. durch einen elektrischen Strom) erhitzt werden. Beim Erhitzen wird das Material hart und kann hohe Kräfte erzeugen.

Wie funktioniert das?

Der Formgedächtnis-Effekt kommt durch eine spezielle Strukturdes Kristallgitters zustande: Die Legierung weist zwei unterschiedliche Kristallstrukturen auf. Neben der Hochtemperaturphase (Austenit) existiert eine Niedertemperaturphase (Martensit). Im martensitischen Zustand ist das Material weich und gut verformbar. Im austenitischen Zustand ist es hingegen steif und versucht, wieder seine ursprüngliche Form anzunehmen. Die benötigte Temperatur für die Phasenumwandlung hängt von der Zusammensetzung der Legierung ab. Am weitesten verbreitet sind Nickel-Titan-Legierungen. Neben der Temperatur hat auch die mechanische Spannung im Material einen wesentlichen Einfluss.

Wo werden diese Legierungen eingesetzt?

Häufig werden Formgedächtnislegierungen in Aktoren eingesetzt. Dort bieten sie viele Vorteile: Formgedächtnislegierungen sind wahre Kraftpakete, sie haben die höchste Leistungsdichte aller Aktorwerkstoffe. Außerdem sind sie leicht, arbeiten geräuschlos und eignen sich ausgezeichnet für eine Miniaturisierung. Die Anwendungen werden immer zahlreicher: Pneumatikventile für den Automobil-Sitzkomfort, aktive Optiken in Smartphone-Kameras oder Stents in der Medizintechnik sind nur einige Beispiele.

Formgedächtnislegierungen weisen ein komplexes und nichtlineares Verhalten auf. Um das Design von Aktoren bereits in einer frühen Entwicklungsphase optimieren zu können, werden Modelle benötigt, die dieses Verhalten möglichst genau abbilden. Hinzu kommt, dass Modelle ein besseres Verständnis der Zusammenhänge ermöglichen.

Auch für den Reglerentwurf für Aktoren, die auf Formgedächtnislegierungen basieren, sind Modelle sinnvoll und notwendig. Sie können bei der Auslegung des Regelkreises helfen - oder Teil des Reglers selbst sein ("modellbasierte Regelung"). Außerdem leisten sie wertvolle Dienste bei der Diagnose von aufgebauten Prototypen und Funktionsmustern.

Die Modellentwicklung ist daher eine Kernaktivität der Forschungsarbeit in unserem Labor. Sie ist für uns Mittel zum Zweck und bildet die Grundlage für eine systematische und zielgerichtete Entwicklungsarbeit.

Anforderungen

• Möglichst genaue Abbildung des experimentellen Verhaltens
• Mathematisch möglichst einfach
• Beschreibung durch eine überschaubare Zahl von Parametern
• Invertierbar (d.h. Ein- und Ausgänge vertauschbar)
• Einfache Nutzung, ohne über Expertenwissen verfügen zu müssen

Modellierungsansatz

Es gibt verschiedenste Ansätze, Formgedächtnislegierungen zu modellieren. Unser Labor verfolgt verfolgt einen makroskopischen und phänomenologischen Ansatz. "Makroskopisch" heißt dabei, dass wir den Formgedächtnisdraht als Ganzes betrachten (und nicht einzelne Körner oder Kristalle). "Phänomenologisch" bedeutet, dass wir versuchen, das Eingangs-Ausgangs-Verhalten möglichst genau wiederzugeben (und nicht so sehr die physikalischen Vorgänge im Material).

Das Modell ist modular aufgebaut und unterscheidet strikt zwischen der Materialebene und der Aktorebene. Der Anwender modelliert den Aktor auf der Aktorebene und muss sich mit den Details der Materialmodellierung nicht auseinandersetzen. Ein Kernelement des Materialmodells ist eine im Labor entwickelte neuartige Übergangsfunktion. Diese ermöglicht es, das komplexe Verhalten des realen SMA-Materials besonders exakt abzubilden. Dies zeigt auch die folgende Grafik, die die Auslenkung eines SMA-Drahts bei variierender Heizleistung im Experiment und im Modell vergleicht.

Eindraht-Teststand

Im Eindraht-Teststand arbeitet der Formgedächtnis-Draht gegen einen Präzisions-Linearaktuator.

Zweidraht-Teststand

Im Zweidraht-Teststand arbeiten zwei antagonistisch angeordnete Formgedächtnis-Drähte gegeneinander.

Wir unterscheiden zwischen Prototypen in der angestreben Zielgröße und Funktionsmuster in einem vergrößerten Maßstab. Prototypen von miniaturisierten Formgedächtnis-Aktoren sind häufig sehr klein - zu klein, um interessante Zwischengrößen (z.B. Drahtkräfte) zu messen oder Justagemöglichkeiten einzubauen. In einem größeren Maßstab realisierte Funktionsmuster eignen sich deutlich besser dazu, die Funktionsweise eines neuen Aktorkonzepts zu überprüfen - zumal sich Kräfte und Bewegungen einfach skalieren lassen.

Die folgenden Abschnitte zeigen beispielhaft einige Prototypen und Funktionsmuster, die in letzter Zeit bei uns im Labor entstanden sind. Weitere Aktorentwicklungen laufen aktuell.

Optische Bildstabilisierung für Smartphones

Prototyp eines Formgedächtnis-Aktors mit zwei Kippfreiheitsgraden

• Miniaturisierte Bauform (8 x 8 x 5 mm³)
• Monolithisches Spritzgussteil
• ‚Sensorlose‘ Regelung auf Basis des elektrischen Widerstands
• Vorsteuerung für ein verzögerungsfreies Tracking bis 6 Hz
• Kooperation mit Industriepartner Actuator Solutions GmbH
  (dt. Innovationspreis 2014)

Schwerkraftkompensation für Magnetschwebeantriebe

Prototyp eines linearen antagonistischen Formgedächtnis-Aktuators

• Magnetisch nicht leitend
• Hohe Stellkräfte (±10 N)
• Großer Stellweg (±0,45 mm)
• Kompaktes Design (17 x 23 x 6 mm³)
• Kooperation mit der Universität Stuttgart (IKFF)

Optischer Zoom für Smartphones

Funktionsmodell (4:1) eines selbstverriegelnden Zoom-Aktors

• Kleiner Bauraum (in Zielgröße 9 x 18 x 4 mm³)
• Großer Bewegungshub (in Zielgröße 1 mm)
• Stromloses Halten der Position
• Integrierte Verriegelung ohne zusätzliche Aktorik
• Kooperation mit Industriepartner Actuator Solutions GmbH

Im Modul "Sensorik" werden die physikalischen Grundprinzipien und der prinzipielle Aufbau von Sensoren betrachtet, die häufig für die Messung mechatronischer Größen herangezogen werden. Auch auf mechanische Umsetzer und die erforderliche Sensorelekronik wird eingegangen. Die freiwillige Laborveranstaltung legt ihren Fokus speziell auf Dehnungsmessstreifen und Hall-Sensoren: In kleinen Gruppen werden die Wirkungsweise der Sensoren analysiert, Schwächen und Probleme, die mit der Verwendung der Sensoren einhergehen können, ermittelt und Optimierungsmöglichkeiten erarbeitet. Der Zeitaufwand pro Laborversuch beträgt ca. 90 min.

Über die freiwillige Laborveranstaltung hinaus besteht die Möglichkeit, weitere vertiefende Laborversuche zu

• DMS-Sensoren,
• induktiven Sensoren und
• kapazitiven Sensoren

zu absolvieren. In diesen Versuchen werden die in der Vorlesung erlernten Berechnungen direkt auf die Laboraufbauten angewendet und die Theorie mit der Praxis verglichen. Der Zeitaufwand ist hier entsprechend höher (jeweils ca. 180 Minuten), wobei auch die Möglichkeit zu einer individuellen Ausgestaltung der Versuche besteht.

Im Modul "Antriebstechnik" werden elektromagnetische Aktoren und Motoren vom physikalischen Effekt bis hin zur konstruktiven Gestaltung betrachtet. Die Laborübung zur Vorlesung zeigt, wie man mit Hilfe von wenigen einfachen Messungen die Betriebskennlinien eines unbekannten Gleichstrommotors ermitteln kann. Im diesem Rahmen kommt ein im Labor entwickelter Elektromotor-Prüfstand zum Einsatz, mit dem man zusätzlich auch Kleinmotoren unter einer definierten Momentenbelastung charakterisieren kann.

Über die Laborübung zur Vorlesung hinaus ermöglicht ein weiterer Versuchsaufbau, die verschiedenen in der Vorlesung behandelten (Lorentz- bzw. Reluktanz-) Aktoren in der Praxis zu erproben und auch hier die Berechnungen mit der Theorie zu vergleichen.

Im Modul "Mechatronische Systeme" werden mechatronische Systeme als Gesamtsystem betrachtet. Insbesondere wird analysiert, wie sich aus dem Zusammenspiel der Komponenten und Teilsysteme die Performance des Gesamtsystems ergibt. Das dynamische Verhalten des Reglers und der verschiedenen Bestandteile der mechatronischen Regelstrecke (Leistungselektronik, Antrieb, Mechanik, Sensorik) werden im Frequenzbereich betrachtet und die Ergebnisse ggf. in den Zeitbereich übertragen. 

Begleitend zur Vorlesung wird ein freiwilliger Laborversuch angeboten, in der ein mechatronischer Antriebsstrang an einem dSpace Rapid Control Prototyping-System betrieben wird. Das dSpace-System ermöglicht es quasi, die Analysemöglichkeiten von MATLAB auf die reale Welt anzuwenden. Im Laborversuch wird das Verhalten der Regelstrecke im Frequenzbereich identifiziert und anschließend verschiedene Regler in ihrer Wirkung untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der Regelstrecke können durch einfache Umbauten modifiziert werden. 

In dem Laborversuch werden die in der Vorlesung vermittelten Kompetenzen durch Experimentieren mit moderner praxisnaher Austattung vertieft und in einer Beispielanwendung umgesetzt. Auch hier bestehen wieder viele Freiräume für eine individuelle Ausgestaltung.

Während sich die "Antriebstechnik" den elektromagnetischen Aktoren und Motoren widmet, stehen im englischsprachigen Modul "Advanced Actuators" unkonventionelle Aktoren auf Basis intelligenter Materialien im Vordergrund. Auch diese werden wieder vom physikalischen Effekt bis hin zum fertigen Aktor dargestellt. Insbesondere geht die Vorlesung auf Piezo- und Formgedächtnis-Aktoren ein, da diese aktuell den breitesten industriellen Einsatz sehen. Im Zuge eines Rechner-Labors werden Formgedächtnis-Aktuatoren am Rechner modelliert und ausgelegt. Die Vorlesung bietet somit einen guten Einstieg in eine Abschlussarbeit oder die Forschung im Bereich der Formgedächtnis-Aktoren.