Als Formgedächtnislegierungen (FGL) beschreibt man metallische Werkstoffe, welche sich an ihre Ursprungsgestalt „erinnern“ können, indem diese nach einer scheinbar plastischen Verformung über eine kritische Temperatur erwärmt werden. Im Englischen heißen Formgedächtnislegierungen (FGL) shape memory alloys (kurz: SMA), im Deutschen werden außerdem die Namen Memory-Metall oder auch Formgedächtnismetall und selten Formgedächtnismetall-Legierung genutzt. Formgedächtnislegierungen (FGL), die auf Nickel und Titan (NiTi, Nitinol) basieren, bieten für die meisten Anwendungen, im Vergleich zu anderen FGL, die besten Eigenschaften. Aus diesem Grund kommen nur selten FGL auf Basis anderer Elemente zum Einsatz.
Wie werden Formgedächtnislegierungen charakterisiert?
Die Umgebungs- bzw. Betriebstemperatur spielt eine wesentliche Rolle für den Formgedächtniseffekt. Denn je nachdem, wie diese sich im Vergleich zu den Eigenschaften der Legierung des FG-Elements verhält, sind hauptsächlich zwei verschiedene Effekte zu beobachten:
Diese Effekte sind zum einen der extrinsische Zweiwegeffekt und zum anderen die so genannte Superelastizität. Bei beiden Effekten handelt es sich physikalisch betrachtet um eine Phasenumwandlung innerhalb des Materials. Diese ist reversibel und durch eine diffusionslose Scherung des Kristallgitters
gekennzeichnet. Die Umwandlung findet zwischen einer Tieftemperaturphase und einer Hochtemperaturphase statt. Die Tieftemperaturphase wird als Martensit, die Hochtemperaturphase als Austenit bezeichnet.
Anwendungsgebiete von Formgedächtnislegierungen (FGL)
Durch die Eigenschaft in Folge einer Erwärmung (z.B. elektrisch erzeugt) eine Arbeit zu verrichten sind Formgedächtnislegierungen (FGL) für Anwendungen in der Aktorik geeignet. Darüber hinaus bewährt sich die Anwendung von Formgedächtnislegierungen (FGL) auch für Bauteile, die eine große reversible Verformung aufweisen müssen. Dies betrifft beispielsweise Zahnfeilen oder auch Führungsdrähte für Katheter in der Medizintechnik. Formgedächtnislegierungen (FGL) eigenen sich durch die flexible und individuelle Anpassung für vielerlei Branchen. Dazu gehören neben der bereits genannten Medizintechnik auch die Luft- und Raumfahrt, Automotive, Hausgeräte, Gebäudetechnik und Konsumelektronik sowie Industrie im Allgemeinen.
Welche Eigenschaften haben Formgedächtnislegierungen?
Legierungen auf Basis der Formgedächtnistechnik sind metallische Werkstoffe, die sich nach einer scheinbar plastischen Verformung wieder an ihre Ursprungsgestalt zurückerinnern können. Weit verbreitet sind auch die Begriffe Memory-Metall, Formgedächtnismetall oder sogar Formgedächtnismetall-Legierung. Diese sind strenggenommen, aber nicht richtig, da es sich bei den Formgedächtniswerkstoffen um Legierungen und nicht um reine Metalle handelt. Aufgrund der funktionellen Eigenschaften eignen sich Formgedächtnislegierungen hervorragend für Anwendungen in der Aktorik, aber auch für Bauteile, die eine große reversible Verformung aufweisen müssen (z.B. Führungsdrähte oder Katheter in der Medizintechnik). Hier können reversible Dehnungen zwischen 6-8% erreicht werden.
Formgedächtnislegierungen (FGL) basieren auf den Legierungsbestandteilen Nickel (Ni) und Titan (Ti). Diese werden als binäre NiTi-FGL bezeichnet. Die Bezeichnung binär rührt daher, dass sich die Legierung aus diesen beiden (binär = zwei) Bestandteilen zusammensetzt. Auf diese binäre FGL beziehen sich die folgenden Materialparameter.
Pseudoplastische FGL: Pseudoplastische (thermisch aktivierbare) FGL erreichen im Zugversuch Festigkeiten von über 1200 MPa [N/mm²] und Bruchdehnungen von mehr als 10%.
Pseudoelastische FGL: Die materialtechnischen Parameter von FGL gehen über die des normalen Zugversuchs hinaus. Im Zugversuch bei Raumtemperatur weisen pseudoelastische FGL eine mechanische Hysterese auf. Dabei ist eine obere Plateauspannung zu erkennen. Diese liegt oberhalb von 380 MPa [N/mm²]. Bei FGL sind die Umwandlungstemperaturen entscheidend. Dies sind die Temperaturen, an denen eine Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit beginnt oder endet.
Die Technologie hinter Formgedächtnislegierungen (FGL)
An dieser Stelle sollten wir einmal die Technologie hinter der Formgedächtnislegierung betrachten; Was genau steckt dahinter? Die Ursache für dieses Verhalten ist eine Festkörperphasenumwandlung im Metall zwischen zwei Kristallstrukturen, die mit Martensit (Tieftemperaturphase) und Austenit (Hochtemperaturphase) bezeichnet werden. Je nach Legierungszusammensetzung, Umgebungstemperatur und Beanspruchungszustand können unterschiedliche Effekte auftreten, die für technische Systeme auf unterschiedliche Weise intelligent genutzt werden können. FGL-Federn können beispielsweise Ventile automatisch öffnen oder schließen, wenn die Temperatur des Umgebungsmediums (Luft, Wasser, Öl) einen bestimmten Wert, die Austenit-Start-Temperatur, überschreitet. Zugdrähte können moderate Stellwege bei sehr großen Stellkräften realisieren. Sie eignen sich unter bestimmten Umständen (Drahtdurchmesser < 1,2-1,4mm) dafür, dass die Erwärmung mit speziellen Ansteuerungselektroniken direkt über den Ohmschen Widerstand des Drahtes erfolgt.
Was sind die mechanischen & physikalischen Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen (FGL)?
Formgedächtnislegierungen auf Basis von NiTi zeichnen sich durch eine extrem große reversible Verformbarkeit (100x größer als bei Stahl), ausgezeichnete strukturelle und funktionelle Eigenschaften, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine gute Biokompatibilität aus. Eine weitere Besonderheit liegt in dem hohen Dämpfungsvermögen pseudoplastischer Legierungen. Diese zeigen ein ähnliches mechanisches Verhalten, wie Materialien im menschlichen Körper.
Wenn Ihre FGL-Komponente aus zwei Legierungselementen besteht, so bezeichnen Sie diese als binäre FGL. Im Zugversuch von binären Ni-Ti-FGL aus Nickel und Titan werden Festigkeiten von über 1200 MPa [N/mm²] und Bruchdehnungen von mehr als 10% erreicht (pseudoplastische Variante). Pseudoelastische FGL weisen hingegen eine mechanische Hysterese auf. Es bildet sich eine obere Plateauspannung, die oberhalb von 380 MPa [N/mm²] liegt.
