Die Technologie hinter Formgedächtnislegierungen

Die Formgedächtnislegierung als Technologie – was steckt dahinter?

• Mechanisch: Superelastizität/ Pseudoelastizität

• Thermisch: Zweiwegeffekt

• Thermomechanisch: Einwegeffekt

Pseudoelastizität / Superelastizität

Die Pseudoelastizität, auch Superelastizität genannt, beschreibt die Möglichkeit eines metallischen Werkstoffs mit elastisch/reversible Dehnungen beaufschlagt werden zu können, die um Größenordnungen oberhalb der elastischen Dehnungen liegen, die ein konventioneller Stahl annehmen kann. Bei der Pseudoelastizität liegt das Material bei der Anwendungstemperatur in seiner Hochtemperaturphase, Austenit vor. Die Komponente hat somit ihre definierte Form bereits angenommen. Wird diese mit mechanischen Spannungen beaufschlagt, wandelt das Material, ab einem kritischen Punkt, spannungsinduziert in den Martensit um. Dabei bilden sich Martensitvarianten, die günstig der Spannungsrichtung orientiert sind. Der sich gebildete „entzwillingte Martensit“ stellt den Effektweg bereit, der sich makroskopisch in einer großen Dehnung äußert. Bei Entlastung des Materials wandelt dies wieder in den Austenit um. Da der Austenit nur eine Gittermodifikation zulässt, formt sich das Material im Zuge der Entlastung und damit verbundenen Umwandlung, in die Ursprungsgestalt zurück. Es zeigt sich ein Verhalten, das vergleichbar mit dem von Gummi ist.

Die Pseudoelastizität findet vor allem im der Medizintechnik Anwendung. Zum Beispiel können Stents aus pseudoelastischen FGL, aufgrund ihrer großen elastischen Dehnungsfähigkeit, durch Mikrokatheter geführt werden. Bei Erreichen des zu stützenden Gefäßes, wird der Katheter zurückgezogen, der Stent kann sich vollständig entfalten und die Gefäßwand stützen. Hier übersteht er auch noch nach vielen Jahren die zyklische Beanspruchung bei jedem Herzschlag.

Einwegeffekt

Beim Einwegeffekt wird ein Material in seiner Tieftemperaturphase scheinbar plastisch verformt und formt sich daraufhin im Zuge einer Erwärmung in die Ursprungsgestalt zurück. Die Tieftemperaturphase Martensit zeichnet sich bei FGL dadurch aus, das bestimmte kristallographische Bereiche innerhalb der Martensit Körner, sogenannte Zwillinge, vorliegen. Wird eine Komponente als martensitische Phase mit einer Spannung beaufschlagt, wachsen ab einer kritischen Spannung Zwillingsvarianten, die der Spannungsrichtung günstig gelegen sind, zu Lasten von anderen Varianten. Dabei lässt sich das Material auf einem niedrigen Spannungsniveau verformen. In der Hochtemperaturphase Austenit gibt es nur eine Möglichkeit, wie sich Atome im Gitter anordnen können. Somit formt sich das Material beim Erwärmen oberhalb einer kritischen Temperatur in die Ursprungsgestalt zurück und bleibt ohne Einwirkung einer mechanischen Spannung auch nach dem Abkühlen in die Tieftemperaturphase in dieser Form bestehen. Um diesen Effekt in zyklischen Anwendungen nutzen zu können, wird daher eine externe mechanische Spannung benötigt, die die Komponente im kalten Zustand in eine andere Geometrie verformt. Dies wird als extrinsischer Zweiwegeffekt bezeichnet.

Zweiwegeffekt

Der extrinsische Zweiwegeffekt wird Beispielsweise bei Thermostatventilen angewendet. Hier arbeitet eine FGL-Druckfeder gegen eine Feder aus einem konventionellen Stahl. Im kalten Zustand bringt die Stahlfeder eine Kraft auf, die hoch genug ist, die FGL Druckfeder zusammenzudrücken. Im warmen Zustand „erinnert“ sich die FGL Feder an ihre längere Form und bringt somit eine Kraft auf, die die Stahlfeder komprimieren kann. So lässt sich dieser Effekt bei entsprechender Auslegung über viele 100.000 Zyklen anwenden. Die Temperaturen, die den Effekt hervorrufen sind durch Legierungszusammensetzung, Mikrostruktur und die konstruktive Auslegung einstellbar.

Die wichtigsten Einsatzgebiete für Formgedächtnislegierungen