Die Formgedächtnislegierung als Technologie – was steckt dahinter?
Unsere Produkte finden Ihre Anwendung in vielen unterschiedlichen Bereichen. Von Hausgeräten, über Medizintechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Hinter allen Produkten steckt die gleiche smarte Technologie: Die Formgedächtnislegierung. Formgedächtnislegierungen sind Funktionswerkstoffe,
die durch ihre besonderen Effekte Schlüsselfunktionen in modernen technologischen Anwendungen übernehmen können. So können sie bestehende Technologien vorteilhaft substituieren oder Funktionen ermöglichen, die mit konventionellen Lösungen bei gegebenen Randbedingungen nicht
umgesetzt werden können. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich nach einer scheinbar plastischen Verformung in eine definierte Form zurückbewegen können. Dabei wird anhand der physikalischen Größen, die einen Formgedächtniseffekt hervorrufen, unterschieden:
• Mechanisch: Superelastizität/ Pseudoelastizität
• Thermisch: Zweiwegeffekt
• Thermomechanisch: Einwegeffekt
Allen Formgedächtniseffekten liegt eine Festkörperphasenumwandlung, genauer beschrieben, die martensitische Phasenumwandlung, zugrunde. Eine martensitische Phasenumwandlung verläuft diffusionslos bei einer Scherung des Kristallgitters. Basierend auf der Art der Phasenumwandlung, wird die Tieftemperaturphase bei Formgedächtnislegierungen,
ebenso wie bei Stählen bekannt, Martensit genannt. Die Hochtemperaturphase wird als Austenit bezeichnet. Die unterschiedlichen Effekte, die sich durch die Festkörperphasenumwandlung ergeben, ermöglichen diese für technische Systeme auf intelligente und an das jeweilige Bedürfnis angepasste Weise zu nutzen. Bei Ingpuls werden vornehmlich
Nickel-Titan-Basis Formgedächtnislegierungen, auch Nitinol genannt, hergestellt und angewendet. NiTi-FGL zeichnen sich besonders durch ihre hohen möglichen Effektwege/-Kräfte, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität im Vergleich zu anderen FGL aus.
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
Formgedächtnislegierung
Legierungen auf Basis der Formgedächtnistechnik sind metallische Werkstoffe, die sich nach einer scheinbar plastischen Verformung wieder an ihre Ursprungsgestalt zurückerinnern können. Weit verbreitet sind…
Nitinol
Die erste Beobachtung eines Formgedächtniseffekts machte A. Ölander in den frühen 1930er Jahren an einer AuCd-Legierung, welche zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht erklärt werden konnte. Erst im Jahr 1963…
FGL Akademie
Bereits im Jahre 1932 wurden Formgedächtnislegierungen (FGL) von A. Ölander entdeckt. 1963 erfolgte dann der Durchbruch mit Nickel-Titan-FGL am Naval Ordnance Labarotory in den USA. Seitdem verlief die …
Anwendung
Dank der außerordentlichen Eigenschaften sind technische Anwendungen von FGL in vielen Bereichen zu finden. Während das thermische Formgedächtnis für Aktoren u.a. in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz…
Webinare
In einer eintägigen Kompaktveranstaltung vermitteln unsere FGL-Experten die wichtigsten Grundlagen, um Anwender oder potentielle Anwender mit dem hierfür erforderlichen Hintergrundwissen …
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