Wichtigste Anwendungen von Formgedächtnislegierungen

Formgedächtnislegierungen (SMA) sind eine einzigartige Klasse intelligenter Werkstoffe, die in der Lage sind, in eine vordefinierte Form zurückzukehren, wenn sie einem bestimmten thermischen oder mechanischen Reiz ausgesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallen weisen SMAs einen Formgedächtniseffekt und Superelastizität auf, wodurch sie dynamisch auf ihre Umgebung reagieren können. Am weitesten verbreitet ist Nitinol (Nickel-Titan-Legierung), aber auch SMAs auf Kupfer- und Eisenbasis spielen in der Technik eine wichtige Rolle. Dank ihrer Fähigkeit, Sensor-, Antriebs- und Strukturfunktionen in einem einzigen Material zu vereinen, finden SMAs heute breite Anwendung in der Medizin, der Industrie, der Luft- und Raumfahrt, der Robotik und bei Verbraucheranwendungen.

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Medizinische Geräte - die ausgereifteste und hochwertigste Anwendung

Der Medizintechniksektor ist der am besten etablierte und regulierte Bereich für SMAs. Sie sind biokompatibel, flexibel und weisen eine hohe Ermüdungsbeständigkeit auf.

SMA werden auch häufig in Gefäßstents, Führungsdrähten, orthopädischen Implantaten, kieferorthopädischen Drähten und verschiedenen chirurgischen Geräten verwendet. Superelastische SMA sind in der Lage, großen Dehnungen standzuhalten, wenn sich das Gerät durch Komprimierung der Drähte in den Körper einfügt. Dadurch werden Gewebeschäden erheblich gemildert.

Darüber hinaus kann SMA auch für eine temperaturaktivierte Entfaltung genutzt werden, was bei selbstexpandierenden Stents und Fixierungsvorrichtungen äußerst wertvoll ist. Langlebigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kompatibilität mit bildgebenden Verfahren wie der MRT tragen ebenfalls zu der beispiellosen Verwendung und Überlegenheit von SMAs in diesem Bereich bei.

Weiterführende Lektüre: Die 6 wichtigsten medizinischen Anwendungen von Nitinol

Aktuatoren - kompakte Alternativen zu Motoren und Hydraulik

SMA-Antriebe werden überall dort eingesetzt, wo Platzmangel, Geräuschanforderungen und eine hohe Kraftdichte erfüllt werden müssen. Hier unterscheiden sich die SMA-Aktuatoren von anderen konventionellen Aktuatoren, da sie keine mechanischen Getriebe und Motoren zur Umwandlung der thermischen Energie benötigen.

Sie sind in der Regel in der Industrieautomation, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Unterhaltungselektronik und in verschiedenen Automobilteilen zu finden. Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Beispiele für thermische Ventile, adaptive Entlüftungen, Verriegelungssysteme und Mikropositionierungstechnologien. Da SMAs sowohl als Sensoren als auch als Aktoren eingesetzt werden können, wird die Komplexität auf ein Minimum reduziert.

Obwohl die Betriebsgeschwindigkeit von SMA-Aktuatoren im Vergleich zu elektromagnetischen Aktuatoren tendenziell langsamer ist, eignen sie sich aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit für Situationen, in denen mäßige Zyklen erforderlich sind.

Luft- und Raumfahrt - Gewichtsreduzierung und adaptive Strukturen

In der Luft- und Raumfahrttechnik zählt jedes Gramm, und dies ist ein Bereich, in dem SMAs mehr und mehr eingesetzt werden, um flexible, leichte und wartungsfreie Vorrichtungen zu schaffen, sei es in Flugzeugen oder Raumfahrzeugen.

Typische Anwendungen sind Tragflächenteile, Schwingungsdämpfung, Wärmeabgabe und Raumfahrtstrukturen. In diesen Anwendungen dienen sie als Ersatz für komplexe mechanische Systeme mit minimalen Teilen, insbesondere in Umgebungen mit extremen Temperaturen und Drücken.

Durch ihre Fähigkeit, im Vakuum zu funktionieren, unter Strahlungseinfluss zu arbeiten und über einen breiten Temperaturbereich hinweg zu funktionieren, eignen sich diese Geräte hervorragend für Satelliten- und Weltraumforschungstechnologien.

Robotik - Ermöglichung weicher und biomimetischer Bewegungen

SMAs eignen sich hervorragend für die Entwicklung von weichen Robotern und biomimetischen Geräten, da in solchen Systemen keine starren Aktoren verwendet werden können.

Mit ihrem muskelkontraktilen Verhalten ermöglichen die Drähte und Federn in SMA organische Bewegungen in Robotergreifern, künstlichen Gliedmaßen und tragbaren Exoskeletten. Aufgrund ihrer leisen Arbeitsweise und ihrer geringen Größe eignen sie sich für den Einsatz in Umgebungen, in denen der Mensch mit ihnen interagiert.

In medizinischen Roboter- und Rehabilitationssystemen erleichtern SMAs die sanfte Kraftanwendung und Reaktion. Dadurch wird nicht nur die Sicherheit und der Komfort verbessert, sondern auch die Robotik wächst durch den Einsatz dieser Materialien.

Automobilsysteme - Zuverlässigkeit und thermisches Ansprechverhalten

In der Automobilindustrie werden SMAs eingesetzt, um thermisch ansprechende und selbstregulierende Komponenten zu ermöglichen, die Zuverlässigkeit und mechanische Einfachheit gewährleisten.

Zu den häufigsten Anwendungen gehören thermische Steuerventile für Motoren, adaptiver Luftstrom, Sicherheit sowie Komfortfunktionen wie verstellbare Sitze und Belüftung. Die SMAs werden aufgrund ihrer Langlebigkeit während des Gebrauchs sowie ihrer Fähigkeit, in einigen Fällen ohne weitere Geräte wie Sensoren zu funktionieren, geschätzt.

Ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibrationen und widrigen Bedingungen gewährleistet, dass sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können, insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, bei denen die Energieeffizienz von großer Bedeutung ist.

Bauwesen - selbstanpassende und erdbebensichere Strukturen

In der zivilen Infrastruktur finden SMAs beispielsweise Anwendung, um die strukturelle Widerstandsfähigkeit in erdbebengefährdeten Gebieten zu verbessern.

Dämpfer, Verstärkungen und Verbindungselemente auf SMA-Basis sind in der Lage, seismische Kräfte bei Erdbeben zu absorbieren. Außerdem kehrt das Bauwerk nach einem Erdbeben in seine ursprüngliche Lage zurück. Daher fallen keine Kosten für den Wiederaufbau an.

Brücken, Hochhäuser und nachgerüstete historische Gebäude profitieren von den Vorteilen der SMA-Materialien, die eine ausreichende Festigkeit, Flexibilität und Langlebigkeit ohne Wartungsprobleme bieten.

Unterhaltungselektronik - Miniaturisierung und intelligente Funktionen

In kompakten Geräten der Unterhaltungselektronik bieten SMAs elegante Lösungen für miniaturisierte Bewegung und Präzisionssteuerung.

Diese Bauteile können auch Teil von Kamera-Autofokussystemen oder optischen Bildstabilisierungsmodulen, haptischen Feedbacksystemen und intelligenten Wearables sein. Die SMA-Bauteile bieten im Allgemeinen einen geräuschlosen und platzsparenden Vorteil im Vergleich zu konventionellen Motorbauteilen.

Da das Interesse an intelligenteren und reaktionsfreudigeren elektronischen Geräten zunimmt, werden SMAs auch in Zukunft die Weiterentwicklung ihrer Form und Funktion unterstützen.

Öl, Gas und Energie - Langlebigkeit in rauen Umgebungen

SMAs werden auch in Öl-, Gas- und Energiesystemen eingesetzt, wo Komponenten unter extremen Druck-, Temperatur- und Korrosionsbedingungen zuverlässig funktionieren müssen.

Zu den Anwendungen gehören selbsttätige Ventile, Pipeline-Kupplungen, Sicherheitsauslösemechanismen und Bohrlochwerkzeuge. Die Fähigkeit von SMAs, ohne externe Stromversorgung oder komplexe Steuersysteme zu funktionieren, ist besonders wertvoll in abgelegenen oder unzugänglichen Umgebungen.

Ihre Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungseigenschaften tragen zu einem geringeren Wartungsaufwand und einer höheren Betriebssicherheit bei.

Tabelle 1: Merkmale von Formgedächtnislegierungen für verschiedene Anwendungen

Fazit

Formgedächtnislegierungen schließen die Lücke zwischen Werkstoffen und Maschinen. Durch die Kombination von struktureller Integrität und intelligentem Verhalten ermöglichen sie einfachere Konstruktionen, höhere Zuverlässigkeit und neue funktionelle Möglichkeiten in verschiedenen Branchen. In dem Maße, wie sich die Materialverarbeitung, die Steuerungsstrategien und die Anwendungserfahrungen weiterentwickeln, werden SMAs eine noch größere Rolle bei der Gestaltung der Zukunft intelligenter technischer Systeme spielen. Weitere fortschrittliche Materialien finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] Raza, Syed & Khan, Imran & Ahmad, Mairaj & Tahir, Danish & Iltaf, Asim & Naqvi, Rida. (2021). Auswirkung der Nano-Silica-Volumenverstärkung auf die Mikrostruktur, die Mechanik, die Phasenverteilung und das elektrochemische Verhalten von vorlegiertem Titan-Nickel (Ti-Ni)-Pulver. Schlüsseltechnische Materialien. 875. 60-69.