Multistabiler Formgedächtnisaktor – Stufenlose und leistungslose Positionierung in kompakter, reinraumgeeigneter Form

Die Erfindung bietet ein stufenloses Stellelement aus Formgedächtnislegierungen, das beliebige Positionen leistungslos halten kann. Zudem ist es überaus kompakt und z. B. für den Betrieb in Reinräumen geeignet.

Die gezielte Positionierung und Bewegung von Objekten – ob in Fertigungsprozessen oder technischen Systemen – sollte zum einen möglichst exakt, zum anderen stufenlos möglich sein, um eine maximale Flexibilität zu erreichen. Des Weiteren ist ein leistungsloses Halten von Positionen in vielen Fällen wünschenswert. Formgedächtnismaterialien bzw. -legierungen wie MSM-Elemente (Magnetic Shape Memory Elemente) oder SMA (Shape Memory Alloy) bieten neue Spielräume für technische Anwendungen.
Hier wird eine Kombination dieser Materialien zur Realisierung einer Positioniereinrichtung, bzw. von Aktoren vorgeschlagen, die sich für Anwendungen im Reinraum oder bei kleinem Bauraum ideal eignet.

Formgedächtnislegierungen werden bereits erfolgreich für Aktoren bzw. zum Positionieren verwendet. Dies bietet sich insbesondere für Lösungen im Reinraum an, da während der Bewegung – im Gegensatz zu anderen mechanischen Komponenten – praktisch kein Abrieb entsteht. Mit den thermisch manipulierbaren SMAs lassen sich leistungslos haltende bistabile Systeme wie schaltende Ventile realisieren. Alternativ können auch komplexe Systeme wie Bildstabilisatoren in Miniaturkameras im geregelten Betrieb betrieben werden. Auch besteht die Möglichkeit durch Kombination mit Membranelementen Aktuatoren mit stabilen Endlagen bzw. mit definierten Rastpunkten zu konstruieren.
MSM-Elemente werden magnetisch aktuiert und bieten neben einem schnellen Schaltvermögen vor allem eine leistungslose Positionshaltung sowie ein leistungsloses Halten von Positionen. Nachteilig sind hier vor allem die großen Spulen zum Erzeugen von Magnetfeldern. Ob MSM oder SMA – beide Materialgruppen besitzen interessante Eigenschaften – aber auch Grenzen. Eine leistungslose Positionshaltung kombiniert mit einer stufenlosen Positionierung war bisher nicht realisierbar.

Durch die Kombination von MSM- und SMA-Materialien lässt sich ein multistabiler Formgedächtnisaktor realisieren. Durch die Haltekraft des MSM-Materials ist es möglich, verschiedene Positionen leistungslos zu halten; die Aktuierung hingegen wird stufenlos durch eine SMA realisiert.
Der Aktor arbeitet praktisch ohne mechanischen Abrieb und generiert eine passive Haltekraft an beliebiger Position, d.h. arbeitet sehr energieeffizient. Durch die Nutzung rein intrinsischer Materialeigenschaften ist das System sehr kompakt ausführbar.
Ein Aktor besteht idealerweise aus 2 SMA-Drähten und einem MSM-Element (Bild 1). Das letztere ist für die passive Positionshaltung zuständig und die SMA-Elemente arbeiten antagonistisch um Zug- oder Druckkräfte zu erzeugen. Um eine Bewegung zu realisieren, müssen die SMA die intrinsische Haltekraft des MSM überwinden. Sobald diese wieder unterschritten wird, wirkt das MSM-Element weiterhin zuverlässig als Feststell-Bremse – und das an beliebiger Position. Ein weiterer Vorteil: Bei unzulässiger Überschreitung der internen Haltekraft des MSM-Elementes durch eine externe Kraft ändert diese seine Dehnung und wirkt damit als Überlastungsschutz. Sollen größere Kräfte in einer Hauptbelastungsrichtung aufgenommen werden, kann der Aktor durch weitere Komponenten wie Federn oder ein Magnetfeld (wie einen Permanentmagnet) zusätzlich ergänzt werden (Bild 2).
Alternativ kann ein Aktor aus lediglich je einem SMA- und MSM-Element bestehen – dann wird neben der Temperaturregelung auch ein steuerbares Magnetfeld zur Aktuierung benötigt, um das MSM als aktive Komponente, bzw. Rückstellelement zu betreiben.

• Positionshaltung ohne Energieaufwand
• Multistabil und stufenlos
• Geringe Verlustleistung bzw. ohne parasitäre Verluste
• Verschleißarm, geringer Abrieb (Nutzung von Festkörpereffekten)
• Robust, kompakt und langlebig

• Aktoren im Reinraum
• Klemmvorrichtungen
• Greifer
• Ventile
• Überlastungsschutz
• Linearbewegungen in der Vertikalen und weitere

Raab, Markus, 2019, Dissertation, Universität Stuttgart, IKFF,  Gewichtskraftkompensierte feinwerktechnische Magnetschwebeantriebe bei variierenden Lasten

Hutter, Marco; Raab, Markus; Kazi, Arif; Wolf, Fabian; Gundelsweiler Bernd; Magnetic Flux Control through Magnetic Shape Memory Alloys in Reluctance Actuators, IKMT Conference; 2019, 10.– 11.09.2019; Würzburg

Eingereicht: Raab, Markus; Hutter, Marco; Kazi, Arif; Schinkoethe, Wolfgang; Gundelsweiler Bernd; Magnetically Levitated Linear Drive Using an Active Gravity Compensation based on Hybrid Shape Memory Actuators; IEEE Transaction on mechatronics