Formgedächtnislegierungen (engl.: Shape Memory Alloys)

sind metallische Werkstoffe, die sich nach einer scheinbar plastischen Verformung wieder an ihre Ursprungsgestalt zurückerinnern können. Dabei können reversible Dehnung zwischen 6-8% erreicht werden. 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.
In der FGL-Akademie können Sie die technischen Details und Hintergründe vertiefen.

FGL-Akademie

 Was sind Formgedächtnislegierungen?

Formgedächtnislegierungen (FGL) sind spezielle metallische Werkstoffe, welche die Fähigkeit besitzen, nach einer großen Verformung ihre ursprüngliche Gestalt wieder herzustellen; sich also daran zu „erinnern“. 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.
Relevanz in der Formgedächtnistechnik weisen insbesondere Legierungen auf Basis von Nickel und Titan (NiTi, Nitinol) auf. Aufgrund der funktionellen Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen eignen sich diese 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).

Eigenschaften von 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.

Anwendungen von FGL
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 kommt, werden pseudoelastische FGL hauptsächlich in der Medizintechnik verwendet. In der Medizintechnik kommen neben der oftmals benötigten hohen Flexibilität auch die gute Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität zum tragen. Neben der verbreiteten Anwendung als Stents werden FGL in der Medizintechnik u.a. als Führungsdrähte in der minimalinvasiven Chirurgie und als orthodontische Drähte zum Spannen von Zahnspangen eingesetzt. Weitere Anwendungen sind Brillengestelle, Vibrationsdämpfungselemente und Festkörpergelenke.

Formgedächtnis-Aktoren
Aktoren aus Formgedächtnislegierungen bieten das Potential alte Systeme zu ersetzen und neuartige Produkte mit verbesserten Eigenschaften zu produzieren. Diese Produkte können durch den Einsatz von FGL leichter, intelligenter, autonomer und sogar wirtschaftlicher sein.
Die FG-Technik bietet gegenüber den bisherigen Lösungen die Möglichkeit, einen teilweise erheblich reduzierten Bauraum für gleiche Wege oder Kräfte zu verwenden, so dass in Verbindung mit weniger benötigten Komponenten (unkompliziertere Mechanik und elektrische Ansteuerung) auch das Eigengewicht im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich reduziert werden kann. Darüber hinaus liegt der Energieverbrauch des FG-Aktors niedriger, da die elektrische Leistung wie z.B. bei angetriebenen Systemen nicht permanent benötigt wird.

Generell bieten formgedächtnisbasierte Aktorsysteme zahlreiche Vorteile:

  • große Stellwege und Kräfte
  • geringes Gewicht
  • hohes Verhältnis von Leistung zu Gewicht
  • hohes volumenspezifisches Arbeitsvermögen, hohe Energiedichte → kompakte, leistungsstarke Aktoren
  • intrinsischer Sensor (bei thermischer Aktivierung)
  • hohes Energieabsorptions- und Dämpfungsvermögen
  • geräuschlos