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Aktuatoren finden überall Anwendung und erzeugen kontrollierte Bewegungen durch die Anwendung der richtigen Anregungskraft oder des richtigen Drehmoments, um verschiedene Vorgänge in der Fertigung und industriellen Automatisierung durchzuführen. Der Bedarf an schnelleren, kleineren und effizienteren Antrieben treibt Innovationen im Antriebsdesign voran. Antriebe auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL) bieten gegenüber konventionellen Antrieben eine Reihe von Vorteilen, darunter ein hohes Leistungsgewicht. In dieser Dissertation wurde ein zweifach gefiederter FGL-basierter Aktor entwickelt, der die Vorteile der federartigen Muskeln biologischer Systeme mit den einzigartigen Eigenschaften von FGL kombiniert. Die Studie untersucht und erweitert bestehende FGL-Aktuatoren durch die Entwicklung eines mathematischen Modells des neuen Aktors basierend auf der bimodalen FGL-Drahtanordnung und dessen experimentelle Erprobung. Verglichen mit bekannten FGL-basierten Antrieben ist die Betätigungskraft des neuen Antriebs mindestens fünfmal höher (bis zu 150 N). Die entsprechende Gewichtsreduzierung beträgt etwa 67 %. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse der mathematischen Modelle sind hilfreich für die Optimierung von Designparametern und das Verständnis wichtiger Parameter. Darüber hinaus präsentiert die Studie einen mehrstufigen Antrieb mit N Stufen, der zur weiteren Verbesserung der Dynamik eingesetzt werden kann. Auf SMA basierende Divalerat-Muskelaktoren haben ein breites Anwendungsspektrum, von der Gebäudeautomation bis hin zu präzisen Arzneimittelverabreichungssystemen.
Biologische Systeme, wie beispielsweise die Muskelstrukturen von Säugetieren, können zahlreiche subtile Aktuatoren aktivieren¹. Säugetiere besitzen unterschiedliche Muskelstrukturen, die jeweils einer spezifischen Funktion dienen. Die Struktur des Säugetiermuskelgewebes lässt sich jedoch im Wesentlichen in zwei Kategorien einteilen: parallele und gefiederte Muskeln. In der hinteren Oberschenkelmuskulatur und anderen Beugemuskeln verlaufen die Muskelfasern, wie der Name schon sagt, parallel zur zentralen Sehne. Die Muskelfasern sind in einer Kette angeordnet und durch das umgebende Bindegewebe funktionell verbunden. Obwohl diese Muskeln eine große Dehnbarkeit (prozentuale Verkürzung) aufweisen, ist ihre Gesamtkraft sehr begrenzt. Im Gegensatz dazu findet sich im Trizeps (Wadenmuskel² (lateraler Gastrocnemius (GL)³, medialer Gastrocnemius (GM)⁴ und Soleus (SOL))) und im Quadrizeps (Extensor femoris)^5,6 jeweils gefiedertes Muskelgewebe⁷. Bei gefiederten Muskeln verlaufen die Muskelfasern der bipennaten Muskulatur beidseitig der zentralen Sehne in schrägen Winkeln (Fiederwinkel). Der Begriff „gefiedert“ leitet sich vom lateinischen Wort „penna“ (Feder) ab und beschreibt, wie in Abb. 1 dargestellt, ein federartiges Aussehen. Die Fasern gefiederter Muskeln sind kürzer und verlaufen schräg zur Längsachse des Muskels. Aufgrund dieser Struktur ist die Gesamtbeweglichkeit dieser Muskeln eingeschränkt, was zu transversalen und longitudinalen Verkürzungskomponenten führt. Andererseits führt die Aktivierung dieser Muskeln aufgrund der physiologischen Querschnittsmessung zu einer höheren Gesamtkraft. Daher sind gefiederte Muskeln bei gleicher Querschnittsfläche stärker und erzeugen höhere Kräfte als Muskeln mit parallelen Fasern. Die von den einzelnen Fasern erzeugten Kräfte wirken sich makroskopisch auf das Muskelgewebe aus. Darüber hinaus besitzt diese Muskelstruktur einzigartige Eigenschaften wie schnelle Kontraktion, Schutz vor Zugschäden und Dämpfung. Es verändert die Beziehung zwischen Faserinput und Muskelkraftabgabe, indem es die einzigartigen Merkmale und die geometrische Komplexität der Faseranordnung entlang der Wirkungslinien des Muskels ausnutzt.
Abbildungen zeigen schematische Darstellungen bestehender SMA-basierter Aktuatorkonstruktionen in Bezug auf eine bimodale Muskelarchitektur. Beispiel (a): Darstellung der Interaktion einer taktilen Kraft, bei der ein handförmiges, mittels SMA-Drähten betätigtes Gerät an einem zweirädrigen autonomen mobilen Roboter montiert ist^9,10. (b): Robotische Orbitalprothese mit antagonistisch angeordneter, federbelasteter SMA-Orbitalprothese. Die Position des künstlichen Auges wird durch ein Signal des Augenmuskels gesteuert¹¹. (c): SMA-Aktuatoren eignen sich aufgrund ihrer hohen Frequenzantwort und geringen Bandbreite ideal für Unterwasseranwendungen. In dieser Konfiguration werden SMA-Aktuatoren verwendet, um durch die Simulation der Bewegung von Fischen eine Wellenbewegung zu erzeugen. (d) SMA-Aktuatoren werden verwendet, um einen Mikrorohrinspektionsroboter zu erstellen, der das Prinzip der Raupenbewegung nutzen kann, gesteuert durch die Bewegung von SMA-Drähten im Kanal 10. (e) zeigt die Richtung der Kontraktion der Muskelfasern und die Erzeugung der Kontraktionskraft im Wadenmuskelgewebe. (f) zeigt SMA-Drähte, die in Form von Muskelfasern in der gefiederten Muskelstruktur angeordnet sind.
Aktuatoren sind aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zu einem wichtigen Bestandteil mechanischer Systeme geworden. Daher ist der Bedarf an kleineren, schnelleren und effizienteren Antrieben von entscheidender Bedeutung. Trotz ihrer Vorteile haben sich herkömmliche Antriebe als wartungsintensiv und zeitaufwändig erwiesen. Hydraulische und pneumatische Aktuatoren sind komplex und kostspielig und unterliegen Verschleiß, Schmierproblemen und Komponentenausfällen. Um der Nachfrage gerecht zu werden, konzentriert man sich auf die Entwicklung kostengünstiger, größenoptimierter und fortschrittlicher Aktuatoren auf Basis intelligenter Materialien. Aktuelle Forschungsarbeiten untersuchen geschichtete Aktuatoren aus Formgedächtnislegierungen (FGL), um diesem Bedarf zu begegnen. Hierarchische Aktuatoren sind insofern einzigartig, als sie viele diskrete Aktuatoren zu geometrisch komplexen Subsystemen im Makromaßstab kombinieren, um eine erweiterte Funktionalität zu ermöglichen. Das oben beschriebene menschliche Muskelgewebe bietet hierfür ein hervorragendes Beispiel. Die vorliegende Studie beschreibt einen mehrstufigen FGL-Antrieb mit mehreren einzelnen Antriebselementen (FGL-Drähten), die an der Faserorientierung bimodaler Muskeln ausgerichtet sind, wodurch die Gesamtleistung des Antriebs verbessert wird.
Die Hauptaufgabe eines Aktuators besteht darin, durch Umwandlung elektrischer Energie mechanische Leistung wie Kraft und Verschiebung zu erzeugen. Formgedächtnislegierungen (FGL) sind eine Klasse „intelligenter“ Materialien, die bei hohen Temperaturen ihre Form wiederherstellen können. Unter hoher Belastung führt ein Temperaturanstieg des FGL-Drahtes zur Formrückstellung, was im Vergleich zu verschiedenen direkt verbundenen intelligenten Materialien eine höhere Aktuierungsenergiedichte zur Folge hat. Gleichzeitig werden FGL unter mechanischer Belastung spröde. Unter bestimmten Bedingungen kann eine zyklische Belastung mechanische Energie absorbieren und freisetzen und dabei reversible, hysteretische Formänderungen aufweisen. Diese einzigartigen Eigenschaften machen FGL ideal für Sensoren, Schwingungsdämpfung und insbesondere Aktuatoren¹². Vor diesem Hintergrund wurde viel Forschung im Bereich FGL-basierter Antriebe betrieben. FGL-basierte Aktuatoren sind für translatorische und rotatorische Bewegungen in einer Vielzahl von Anwendungen ausgelegt^13,14,15. Obwohl bereits einige Drehantriebe entwickelt wurden, liegt das besondere Interesse der Forschung auf Linearantrieben. Diese Linearantriebe lassen sich in drei Typen unterteilen: eindimensionale, Weg- und Differenzialantriebe¹⁶. Anfänglich wurden Hybridantriebe in Kombination mit SMA-Antrieben und anderen konventionellen Antrieben entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist ein SMA-basierter hybrider Linearantrieb, der einen SMA-Draht mit einem Gleichstrommotor verwendet, um eine Ausgangskraft von etwa 100 N und einen signifikanten Hub zu erzielen.¹⁷
Eine der ersten Entwicklungen im Bereich von Antrieben, die vollständig auf Formgedächtnislegierungen (FGL) basieren, war der FGL-Parallelantrieb. Dieser nutzt mehrere FGL-Drähte und ist darauf ausgelegt, die Leistungsfähigkeit des Antriebs durch Parallelschaltung aller SMA18-Drähte zu erhöhen. Die Parallelschaltung von Aktuatoren erfordert nicht nur mehr Leistung, sondern begrenzt auch die Ausgangsleistung eines einzelnen Drahtes. Ein weiterer Nachteil von FGL-basierten Aktuatoren ist ihr begrenzter Verfahrweg. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein FGL-Seilbalken mit einem flexiblen, ausgelenkten Träger entwickelt, der den Verfahrweg vergrößert und eine lineare Bewegung ermöglicht, jedoch keine höheren Kräfte erzeugt.¹⁹ Weiche, verformbare Strukturen und Gewebe für Roboter auf Basis von Formgedächtnislegierungen wurden primär zur Stoßverstärkung entwickelt.^20,21,22 Für Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten erfordern, wurden kompakte angetriebene Pumpen mit Dünnschicht-FGL für Mikropumpenanwendungen vorgestellt.²³ Die Ansteuerfrequenz der Dünnschicht-FGL-Membran ist ein Schlüsselfaktor für die Drehzahlregelung des Antriebs. Daher weisen lineare FGL-Motoren ein besseres dynamisches Ansprechverhalten auf als Feder- oder Stangenmotoren aus FGL. Softrobotik und Greiftechnik sind zwei weitere Anwendungsgebiete für Aktuatoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Beispielsweise wurde zur Ersetzung des Standardaktuators einer 25-N-Raumklemme ein paralleler FGL-Aktuator entwickelt. In einem anderen Fall wurde ein weicher FGL-Aktuator auf Basis eines Drahtes mit eingebetteter Matrix gefertigt, der eine maximale Zugkraft von 30 N erzeugen kann. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften werden FGL auch zur Herstellung von Aktuatoren verwendet, die biologische Phänomene nachahmen. Eine solche Entwicklung ist ein 12-Zellen-Roboter, der ein regenwurmähnliches Organismus biomimetisch nachbildet und mithilfe von FGL eine sinusförmige Bewegung zur Auslösung von Feuer erzeugt.
Wie bereits erwähnt, ist die maximale Kraft, die mit bestehenden SMA-basierten Aktuatoren erzielt werden kann, begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, präsentiert diese Studie eine biomimetische, bimodale Muskelstruktur, die durch Formgedächtnislegierungsdraht angetrieben wird. Sie bietet ein Klassifizierungssystem, das verschiedene Formgedächtnislegierungsdrähte umfasst. Bisher wurden in der Literatur keine SMA-basierten Aktuatoren mit einer ähnlichen Architektur beschrieben. Dieses einzigartige und neuartige System auf SMA-Basis wurde entwickelt, um das Verhalten von SMA während der bimodalen Muskelausrichtung zu untersuchen. Im Vergleich zu bestehenden SMA-basierten Aktuatoren war das Ziel dieser Studie die Entwicklung eines biomimetischen Divalerat-Aktuators, der deutlich höhere Kräfte in einem kleinen Volumen erzeugt. Verglichen mit herkömmlichen Schrittmotorantrieben, die in der Gebäudeautomation und -steuerung von HLK-Anlagen eingesetzt werden, reduziert der vorgeschlagene SMA-basierte bimodale Antriebsentwurf das Gewicht des Antriebsmechanismus um 67 %. Im Folgenden werden die Begriffe „Muskel“ und „Antrieb“ synonym verwendet. Diese Studie untersucht die multiphysikalische Simulation eines solchen Antriebs. Das mechanische Verhalten solcher Systeme wurde mit experimentellen und analytischen Methoden untersucht. Die Kraft- und Temperaturverteilung wurde bei einer Eingangsspannung von 7 V weiter untersucht. Anschließend wurde eine parametrische Analyse durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Schlüsselparametern und der Ausgangskraft besser zu verstehen. Abschließend wurden hierarchische Aktuatoren konzipiert und die Effekte der Hierarchieebene als potenzielles zukünftiges Anwendungsgebiet für nichtmagnetische Aktuatoren in der Prothetik vorgeschlagen. Den Ergebnissen der genannten Studien zufolge erzeugt eine einstufige Architektur Kräfte, die mindestens vier- bis fünfmal höher sind als bei bisher beschriebenen Aktuatoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen (SMA). Darüber hinaus zeigte sich, dass die gleiche Antriebskraft, die von einem mehrstufigen Antrieb erzeugt wird, mehr als zehnmal so hoch ist wie die von herkömmlichen SMA-basierten Antrieben. Die Studie beschreibt anschließend die Schlüsselparameter anhand einer Sensitivitätsanalyse zwischen verschiedenen Designs und Eingangsvariablen. Die Anfangslänge des SMA-Drahtes (l₀), der Fiederungswinkel (α) und die Anzahl der Einzeldrähte (n) in jedem einzelnen Draht haben einen stark negativen Einfluss auf die Größe der Antriebskraft, während die Eingangsspannung (Energie) positiv korreliert ist.
SMA-Drähte weisen den Formgedächtniseffekt (FGE) auf, der in Nickel-Titan-Legierungen (Ni-Ti) zu beobachten ist. Typischerweise zeigen SMAs zwei temperaturabhängige Phasen: eine Tieftemperatur- und eine Hochtemperaturphase. Beide Phasen besitzen aufgrund unterschiedlicher Kristallstrukturen einzigartige Eigenschaften. In der Austenitphase (Hochtemperaturphase), die oberhalb der Umwandlungstemperatur vorliegt, weist das Material eine hohe Festigkeit auf und ist unter Last nur geringfügig verformbar. Die Legierung verhält sich wie Edelstahl und kann daher höheren Betätigungsdrücken standhalten. Diese Eigenschaft von Ni-Ti-Legierungen wird genutzt, um SMA-Drähte zu einem Aktor zu formen. Es wurden geeignete analytische Modelle entwickelt, um die grundlegenden Mechanismen des thermischen Verhaltens von SMA unter dem Einfluss verschiedener Parameter und Geometrien zu verstehen. Die experimentellen und analytischen Ergebnisse stimmten gut überein.
An dem in Abb. 9a dargestellten Prototyp wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit eines bimodalen Antriebs auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL) zu evaluieren. Zwei dieser Eigenschaften, die vom Antrieb erzeugte Kraft (Muskelkraft) und die Temperatur des FGL-Drahtes (FGL-Temperatur), wurden experimentell gemessen. Mit zunehmender Spannungsdifferenz entlang der gesamten Drahtlänge im Antrieb steigt die Drahttemperatur aufgrund des Joule-Effekts. Die Eingangsspannung wurde in zwei 10-Sekunden-Zyklen angelegt (dargestellt als rote Punkte in Abb. 2a, b) mit einer 15-sekündigen Abkühlphase zwischen den Zyklen. Die Blockierkraft wurde mit einem piezoelektrischen Dehnungsmessstreifen gemessen, und die Temperaturverteilung des FGL-Drahtes wurde in Echtzeit mit einer hochauflösenden wissenschaftlichen LWIR-Kamera überwacht (siehe die Merkmale der verwendeten Geräte in Tabelle 2). Die Abbildung zeigt, dass die Drahttemperatur während der Hochspannungsphase monoton ansteigt, aber im stromlosen Zustand kontinuierlich abfällt. Im aktuellen Versuchsaufbau sank die Temperatur des SMA-Drahtes während der Abkühlphase, lag aber weiterhin über der Umgebungstemperatur. Abbildung 2e zeigt eine Momentaufnahme der Temperatur am SMA-Draht, aufgenommen mit der LWIR-Kamera. Abbildung 2a zeigt hingegen die vom Antriebssystem erzeugte Blockierkraft. Sobald die Muskelkraft die Rückstellkraft der Feder übersteigt, beginnt sich der bewegliche Arm (siehe Abbildung 9a) zu bewegen. Unmittelbar nach Beginn der Betätigung berührt der bewegliche Arm den Sensor und erzeugt eine Volumenkraft (siehe Abbildung 2c, d). Bei einer maximalen Temperatur nahe 84 °C beträgt die maximal gemessene Kraft 105 N.
Die Grafik zeigt die experimentellen Ergebnisse der Temperatur des SMA-Drahtes und der vom SMA-basierten bimodalen Aktor erzeugten Kraft über zwei Zyklen. Die Eingangsspannung wurde in zwei 10-Sekunden-Zyklen (rote Punkte) mit einer 15-sekündigen Abkühlphase zwischen den Zyklen angelegt. Der für die Experimente verwendete SMA-Draht war ein Flexinol-Draht mit 0,51 mm Durchmesser von Dynalloy, Inc. (a) Die Grafik zeigt die experimentell ermittelte Kraft über zwei Zyklen. (c, d) zeigen zwei unabhängige Beispiele der Wirkung von beweglichen Armaktoren auf einen piezoelektrischen Kraftaufnehmer PACEline CFT/5kN. (b) Die Grafik zeigt die maximale Temperatur des gesamten SMA-Drahtes während der zwei Zyklen. (e) zeigt eine Momentaufnahme der Temperatur des SMA-Drahtes, aufgenommen mit der FLIR ResearchIR Software LWIR-Kamera. Die in den Experimenten berücksichtigten geometrischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Die Simulationsergebnisse des mathematischen Modells und die experimentellen Ergebnisse werden bei einer Eingangsspannung von 7 V verglichen (siehe Abb. 5). Um eine Überhitzung des SMA-Drahts zu vermeiden, wurde dem Aktor gemäß der parametrischen Analyse eine Leistung von 11,2 W zugeführt. Die Eingangsspannung von 7 V wurde über ein programmierbares Gleichstromnetzteil bereitgestellt, und es wurde ein Strom von 1,6 A durch den Draht gemessen. Die vom Antrieb erzeugte Kraft und die Temperatur des SDR steigen mit zunehmender Stromzufuhr. Bei einer Eingangsspannung von 7 V beträgt die maximale Ausgangskraft im ersten Zyklus laut Simulation 78 N und laut Experiment 96 N. Im zweiten Zyklus beträgt die maximale Ausgangskraft laut Simulation 150 N und laut Experiment 105 N. Die Abweichung zwischen den gemessenen und den experimentellen Daten der Okklusionskraft könnte auf die unterschiedliche Messmethode zurückzuführen sein. Die experimentellen Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. 5a entspricht der Messung der Verriegelungskraft, die wiederum gemessen wurde, als die Antriebswelle in Kontakt mit dem piezoelektrischen Kraftaufnehmer PACEline CFT/5kN stand (siehe Abb. 2s). Sobald die Antriebswelle zu Beginn der Kühlzone keinen Kontakt zum Kraftsensor hat, wird die Kraft sofort null (siehe Abb. 2d). Weitere Parameter, die die Kraftentwicklung in den nachfolgenden Zyklen beeinflussen, sind die Kühlzeit und der Wärmeübergangskoeffizient des vorherigen Zyklus. Aus Abb. 2b ist ersichtlich, dass der SMA-Draht nach einer 15-sekündigen Kühlphase die Raumtemperatur nicht erreicht hatte und daher im zweiten Fahrzyklus eine höhere Anfangstemperatur (40 °C) aufwies als im ersten Zyklus (25 °C). Im Vergleich zum ersten Zyklus erreicht die Temperatur des SMA-Drahtes im zweiten Heizzyklus die anfängliche Austenittemperatur (\(A_s\)) früher und verbleibt länger in der Übergangsphase, was zu Spannungen und Kräften führt. Die experimentell und simuliert ermittelten Temperaturverteilungen während der Heiz- und Kühlzyklen weisen hingegen eine hohe qualitative Ähnlichkeit mit thermografischen Analysen auf. Der Vergleich der thermischen Daten des SMA-Drahtes aus Experimenten und Simulationen zeigte eine Übereinstimmung während der Heiz- und Kühlzyklen innerhalb akzeptabler Toleranzen für die experimentellen Daten. Die maximale Temperatur des SMA-Drahtes, ermittelt aus Simulations- und Experimentalergebnissen des ersten Zyklus, beträgt 89 °C bzw. 75 °C, im zweiten Zyklus 94 °C bzw. 83 °C. Das entwickelte Modell bestätigt den Formgedächtniseffekt. Die Rolle von Ermüdung und Überhitzung wurde in dieser Untersuchung nicht berücksichtigt. Zukünftig soll das Modell um die Spannungsgeschichte des SMA-Drahtes erweitert werden, um es besser für technische Anwendungen geeignet zu machen. Die aus dem Simulink-Block gewonnenen Kurven für Antriebskraft und SMA-Temperatur liegen innerhalb der zulässigen Toleranzen der experimentellen Daten bei einem Eingangsspannungsimpuls von 7 V. Dies bestätigt die Korrektheit und Zuverlässigkeit des entwickelten mathematischen Modells.
Das mathematische Modell wurde in der MathWorks Simulink R2020b-Umgebung unter Verwendung der im Abschnitt „Methoden“ beschriebenen Grundgleichungen entwickelt. Abbildung 3b zeigt ein Blockdiagramm des Simulink-Modells. Das Modell wurde für einen Eingangsspannungsimpuls von 7 V simuliert (siehe Abb. 2a, b). Die Werte der in der Simulation verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Ergebnisse der Simulation transienter Prozesse sind in den Abbildungen 1 und 3a sowie 4 dargestellt. Abbildung 4a,b zeigt die induzierte Spannung im SMA-Draht und die vom Aktor erzeugte Kraft als Funktion der Zeit. Bei der Rückumwandlung (Erwärmung) ist die Änderungsrate des Martensitvolumenanteils (\(\dot{\xi }\)) null, wenn die SMA-Drahttemperatur \(T < A_s^{\prime}\) (Starttemperatur der spannungsmodifizierten Austenitphase) beträgt. Bei der Rückumwandlung (Erwärmung) ist die Änderungsrate des Martensitvolumenanteils (\(\dot{\ xi }\)) null, wenn die SMA-Drahttemperatur \(T < A_s^{\prime}\) (Starttemperatur der spannungsmodifizierten Austenitphase) beträgt. Im Laufe der Zeit wurde die Temperatur auf SMA eingestellt, \(T < A_s^{\prime}\) (die Temperatur wurde auf neue Bilder eingestellt und geändert напряжением), Die Suche nach einem bestimmten Datum (\(\dot{\ xi }\)) ist völlig neu. Bei der Rückumwandlung (Erwärmung), wenn die Temperatur des SMA-Drahtes \(T < A_s^{\prime}\) (Temperatur des Beginns der spannungsmodifizierten Austenitbildung) beträgt, ist die Änderungsrate des Martensitvolumenanteils (\(\dot{\ xi }\ )) null.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时,马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中, 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при temperatur проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (TEMPERATUR зарождения аустенитной фазы с поправкой на пряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Bei der Rückumwandlung (Erwärmung) bei der Temperatur des SMA-Drahtes \(T < A_s^{\prime}\) (der Temperatur der Keimbildung der Austenitphase, korrigiert um die Spannung) ist die Änderungsrate des Volumenanteils von Martensit (\( \dot{\ xi }\)) gleich Null.Daher hängt die Spannungsänderungsrate (\(\dot{\sigma}\)) gemäß Gleichung (1) ausschließlich von der Dehnungsrate (\(\dot{\epsilon}\)) und dem Temperaturgradienten (\(\dot{T}\)) ab. Steigt die Temperatur des SMA-Drahtes jedoch an und überschreitet er den Punkt (\(A_s^{\prime}\)), beginnt sich die Austenitphase zu bilden, und (\(\dot{\xi}\)) wird als der in Gleichung (3) angegebene Wert angenommen. Folglich wird die Spannungsänderungsrate (\(\dot{\sigma}\)) gemeinsam durch \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) und \(\dot{\xi}\) bestimmt und entspricht dem Wert in Formel (1). Dies erklärt die Gradientenänderungen, die in den zeitlichen Spannungs- und Kraftverteilungskarten während des Heizzyklus beobachtet werden (siehe Abb. 4a, b).
(a) Simulationsergebnis zur Darstellung der Temperaturverteilung und der spannungsinduzierten Übergangstemperatur in einem SMA-basierten Divalerat-Aktor. Sobald die Drahttemperatur in der Aufheizphase die Austenit-Umwandlungstemperatur überschreitet, beginnt die modifizierte Austenit-Umwandlungstemperatur anzusteigen. Analog dazu sinkt die Martensit-Umwandlungstemperatur, sobald die Drahtstabtemperatur in der Abkühlphase die Martensit-Umwandlungstemperatur überschreitet. SMA wird zur analytischen Modellierung des Aktuierungsprozesses verwendet. (Eine detaillierte Ansicht der einzelnen Teilsysteme eines Simulink-Modells finden Sie im Anhang der ergänzenden Datei.)
Die Ergebnisse der Analyse verschiedener Parameterverteilungen werden für zwei Zyklen der Eingangsspannung von 7 V (10 Sekunden Aufwärm- und 15 Sekunden Abkühlphase) dargestellt. Während (ac) und (e) die zeitliche Verteilung zeigen, veranschaulichen (d) und (f) die Temperaturabhängigkeit. Unter den jeweiligen Eingangsbedingungen beträgt die maximal beobachtete Spannung 106 MPa (unter 345 MPa, Streckgrenze des Drahtes), die Kraft 150 N, die maximale Auslenkung 270 µm und der minimale Martensitvolumenanteil 0,91. Die Änderung der Spannung und des Martensitvolumenanteils mit der Temperatur ähnelt einer Hysteresekurve.
Die gleiche Erklärung gilt für die direkte Umwandlung (Abkühlung) von der Austenit- in die Martensitphase, wobei die Temperatur (T) des SMA-Drahtes und die Endtemperatur der spannungsmodifizierten Martensitphase (\(M_f^{\prime}\ )) ausgezeichnet sind. Abb. 4d,f zeigt die Änderung der induzierten Spannung (\(\sigma\)) und des Volumenanteils von Martensit (\(\xi\)) im SMA-Draht in Abhängigkeit von der Temperaturänderung (T) des SMA-Drahtes für beide Ansteuerzyklen. Abb. 3a zeigt die zeitliche Änderung der SMA-Drahttemperatur in Abhängigkeit vom Eingangsspannungsimpuls. Wie aus der Abbildung ersichtlich, steigt die Drahttemperatur durch die Wärmezufuhr bei Nullspannung und die anschließende konvektive Kühlung weiter an. Beim Erhitzen beginnt die Rückumwandlung von Martensit in Austenit, sobald die Temperatur (T) des SMA-Drahtes die spannungskorrigierte Austenit-Keimbildungstemperatur (\(A_s^{\prime}\)) überschreitet. Während dieser Phase wird der SMA-Draht komprimiert und der Aktor erzeugt eine Kraft. Auch beim Abkühlen findet ein Phasenübergang von Austenit zu Martensit statt, sobald die Temperatur (T) des SMA-Drahtes die Keimbildungstemperatur der spannungsmodifizierten Martensitphase (\(M_s^{\prime}\)) überschreitet. Die Antriebskraft nimmt dabei ab.
Die wichtigsten qualitativen Aspekte des bimodalen Antriebs auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL) lassen sich aus den Simulationsergebnissen ableiten. Bei Anlegen eines Spannungsimpulses steigt die Temperatur des FGL-Drahtes aufgrund des Joule-Effekts. Der Anfangswert des Martensitvolumenanteils (\(\xi\)) ist auf 1 gesetzt, da sich das Material anfänglich in der vollständig martensitischen Phase befindet. Mit zunehmender Erwärmung des Drahtes überschreitet dessen Temperatur die spannungskorrigierte Austenitkeimbildungstemperatur \(A_s^{\prime}\), was zu einer Abnahme des Martensitvolumenanteils führt (siehe Abb. 4c). Abb. 4e zeigt die zeitliche Verteilung der Aktuatorhübe und Abb. 5 die Antriebskraft in Abhängigkeit von der Zeit. Ein zugehöriges Gleichungssystem berücksichtigt Temperatur, Martensitvolumenanteil und die im Draht entstehende Spannung, die zur Schrumpfung des FGL-Drahtes und zur vom Aktuator erzeugten Kraft führt. 4d,f, Spannungsänderung mit der Temperatur und Änderung des Martensitvolumenanteils mit der Temperatur entsprechen den Hystereseeigenschaften des SMA im simulierten Fall bei 7 V.
Die Ansteuerparameter wurden experimentell und analytisch verglichen. Die Drähte wurden in zwei Zyklen jeweils 10 Sekunden lang mit einer gepulsten Eingangsspannung von 7 V beaufschlagt und anschließend 15 Sekunden lang abgekühlt (Kühlphase). Der Fiederungswinkel betrug 40° und die Anfangslänge des SMA-Drahts in jedem einzelnen Schenkel 83 mm. (a) Messung der Ansteuerkraft mit einer Kraftmessdose. (b) Überwachung der Drahttemperatur mit einer Wärmebildkamera.
Um den Einfluss physikalischer Parameter auf die vom Antrieb erzeugte Kraft zu verstehen, wurde eine Sensitivitätsanalyse des mathematischen Modells hinsichtlich ausgewählter physikalischer Parameter durchgeführt und die Parameter entsprechend ihrem Einfluss geordnet. Zunächst erfolgte die Stichprobenziehung der Modellparameter nach den Prinzipien der Versuchsplanung, wobei eine Gleichverteilung angenommen wurde (siehe Ergänzender Abschnitt zur Sensitivitätsanalyse). Die Modellparameter umfassen in diesem Fall die Eingangsspannung (V_in), die anfängliche SMA-Drahtlänge (l₀), den Dreieckswinkel (α), die Vorspannungsfederkonstante (K_x), den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten (h_T) und die Anzahl der unimodalen Zweige (n). Im nächsten Schritt wurde die maximale Muskelkraft als Studienkriterium gewählt und die parametrischen Effekte jedes Variablensatzes auf die Kraft ermittelt. Die Tornado-Plots für die Sensitivitätsanalyse wurden aus den Korrelationskoeffizienten für jeden Parameter abgeleitet (siehe Abb. 6a).
(a) Die Korrelationskoeffizienten der Modellparameter und deren Einfluss auf die maximale Ausgangskraft von 2500 verschiedenen Parametergruppen sind im Tornado-Diagramm dargestellt. Das Diagramm zeigt die Rangkorrelation mehrerer Indikatoren. Es ist deutlich erkennbar, dass \(V_{in}\) der einzige Parameter mit einer positiven Korrelation ist, während \(l_0\) die höchste negative Korrelation aufweist. Der Einfluss verschiedener Parameter in unterschiedlichen Kombinationen auf die maximale Muskelkraft ist in (b, c) dargestellt. \(K_x\) variiert zwischen 400 und 800 N/m und n zwischen 4 und 24. Die Spannung (\(V_{in}\)) wurde von 4 V auf 10 V, die Drahtlänge (\(l_{0 } \)) von 40 bis 100 mm und der Winkel des Drahtendes (\ (\alpha \)) von 20° bis 60° variiert.
Abbildung 6a zeigt ein Tornado-Diagramm der verschiedenen Korrelationskoeffizienten für jeden Parameter in Bezug auf die Auslegungsanforderungen an die maximale Antriebskraft. Aus Abbildung 6a ist ersichtlich, dass der Spannungsparameter (\(V_{in}\)) direkt mit der maximalen Ausgangskraft korreliert. Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient (\(h_T\)), der Flammenwinkel (\( \alpha\)), die Verschiebungsfederkonstante (\(K_x\)) und die Anfangslänge (\(l_0\)) des SMA-Drahts korrelieren negativ mit der Ausgangskraft. Die Anzahl der unimodalen Zweige (n) zeigt eine starke inverse Korrelation. Im Falle einer direkten Korrelation deutet ein höherer Wert des Spannungskorrelationskoeffizienten (\(V_{in}\)) darauf hin, dass dieser Parameter den größten Einfluss auf die Ausgangsleistung hat. Eine weitere ähnliche Analyse misst die maximale Kraft, indem der Einfluss verschiedener Parameter in unterschiedlichen Kombinationen der beiden Berechnungsräume bewertet wird (siehe Abb. 6b, c). Die Größen \(V_{in}\) und \(l_0\) sowie \(\alpha\) und \(l_0\) weisen ähnliche Verläufe auf. Kleinere Werte von \(l_0\) führen zu höheren Spitzenkräften. Die beiden anderen Diagramme stimmen mit Abbildung 6a überein, in der n und \(K_x\) negativ und \(V_{in}\) positiv korreliert sind. Diese Analyse hilft, die Einflussfaktoren zu definieren und anzupassen, mit denen die Ausgangskraft, der Hub und der Wirkungsgrad des Antriebssystems an die Anforderungen und die Anwendung angepasst werden können.
Aktuelle Forschungsarbeiten stellen hierarchische Antriebe mit N Ebenen vor und untersuchen diese. In einer zweistufigen Hierarchie (Abb. 7a) wird anstelle jedes SMA-Drahtes des Aktuators der ersten Ebene eine bimodale Anordnung realisiert (Abb. 9e). Abb. 7c zeigt, wie der SMA-Draht um einen beweglichen Arm (Hilfsarm) gewickelt ist, der sich nur in Längsrichtung bewegt. Der primäre bewegliche Arm bewegt sich jedoch weiterhin analog zum beweglichen Arm des mehrstufigen Aktuators der ersten Stufe. Typischerweise wird ein N-stufiger Antrieb erzeugt, indem der SMA-Draht der (N-1)-ten Stufe durch einen Antrieb der ersten Stufe ersetzt wird. Dadurch imitiert jeder Zweig den Antrieb der ersten Stufe, mit Ausnahme des Zweiges, der den Draht selbst trägt. Auf diese Weise lassen sich verschachtelte Strukturen bilden, die Kräfte erzeugen, die um ein Vielfaches größer sind als die Kräfte der primären Antriebe. In dieser Studie wurde für jede Ebene eine effektive SMA-Drahtlänge von 1 m berücksichtigt (siehe Tabelle in Abb. 7d). Der Stromfluss durch jeden Draht in jedem unimodalen Design sowie die resultierende Vorspannung und Spannung in jedem SMA-Drahtsegment sind auf jeder Ebene gleich. Unserem analytischen Modell zufolge korreliert die Ausgangskraft positiv mit der Ebene, die Auslenkung hingegen negativ. Gleichzeitig besteht ein Zielkonflikt zwischen Auslenkung und Muskelkraft. Wie in Abb. 7b zu sehen ist, wird die maximale Kraft zwar bei der größten Anzahl an Schichten erreicht, die größte Auslenkung jedoch in der untersten Schicht beobachtet. Bei einer Hierarchieebene von \(N=5\) wurde eine maximale Muskelkraft von 2,58 kN bei zwei beobachteten Hüben \(\upmu\)m festgestellt. Die erste Antriebsstufe erzeugt hingegen eine Kraft von 150 N bei einem Hub von 277 \(\upmu\)m. Mehrstufige Aktuatoren können echte biologische Muskeln nachahmen, wobei künstliche Muskeln auf Basis von Formgedächtnislegierungen deutlich höhere Kräfte mit präzisen und feineren Bewegungen erzeugen können. Die Nachteile dieser miniaturisierten Bauweise liegen darin, dass mit zunehmender Hierarchie die Bewegung stark reduziert wird und die Komplexität des Antriebsherstellungsprozesses zunimmt.
(a) Ein zweistufiges (\(N=2\)) lineares Aktuatorsystem aus Formgedächtnislegierung (SMA) in bimodaler Konfiguration ist dargestellt. Das vorgeschlagene Modell wird durch Ersetzen des SMA-Drahtes im einstufigen Aktuator durch einen weiteren einstufigen Aktuator realisiert. (c) Deformierte Konfiguration des mehrschichtigen Aktuators der zweiten Stufe. (b) Die Verteilung von Kräften und Verschiebungen in Abhängigkeit von der Anzahl der Stufen wird beschrieben. Es wurde festgestellt, dass die maximale Kraft des Aktuators positiv mit der Skalenstufe im Diagramm korreliert, während der Hub negativ mit der Skalenstufe korreliert. Strom und Vorspannung in jedem Draht bleiben auf allen Stufen konstant. (d) Die Tabelle zeigt die Anzahl der Abgriffe und die Länge des SMA-Drahtes (Faser) auf jeder Stufe. Die Eigenschaften der Drähte sind durch den Index 1 gekennzeichnet, und die Anzahl der sekundären Zweige (einer davon mit dem primären Zweig verbunden) wird durch die größte Zahl im Index angegeben. Beispielsweise bezeichnet \(n_1\) auf Ebene 5 die Anzahl der SMA-Drähte in jeder bimodalen Struktur und \(n_5\) die Anzahl der Hilfsschenkel (einer davon ist mit dem Hauptschenkel verbunden).
Zahlreiche Forscher haben verschiedene Methoden zur Modellierung des Verhaltens von Formgedächtnislegierungen (FGL) vorgeschlagen, die auf den thermomechanischen Eigenschaften basieren, welche die makroskopischen Änderungen der Kristallstruktur im Zusammenhang mit dem Phasenübergang beeinflussen. Die Formulierung konstitutiver Methoden ist naturgemäß komplex. Das am häufigsten verwendete phänomenologische Modell stammt von Tanaka [28] und findet breite Anwendung in technischen Bereichen. Dieses Modell geht davon aus, dass der Volumenanteil von Martensit eine Exponentialfunktion von Temperatur und Spannung ist. Später schlugen Liang und Rogers [29] sowie Brinson [30] ein Modell vor, in dem die Phasenübergangsdynamik als Kosinusfunktion von Spannung und Temperatur angenommen wird, wobei das Modell leicht modifiziert wurde. Becker und Brinson entwickelten ein auf Phasendiagrammen basierendes kinetisches Modell zur Modellierung des Verhaltens von FGL unter beliebigen Belastungsbedingungen sowie bei partiellen Phasenübergängen. Banerjee [32] nutzt die Phasendiagrammdynamik-Methode von Becker und Brinson [31] zur Simulation eines von Elahinia und Ahmadian [33] entwickelten Einmassenschwingers. Kinetische Methoden, die auf Phasendiagrammen basieren und die nichtmonotone Spannungsänderung mit der Temperatur berücksichtigen, sind in technischen Anwendungen schwer umzusetzen. Elakhinia und Ahmadian weisen auf diese Schwächen bestehender phänomenologischer Modelle hin und schlagen ein erweitertes phänomenologisches Modell vor, um das Formgedächtnisverhalten unter beliebigen komplexen Belastungsbedingungen zu analysieren und zu definieren.
Das Strukturmodell für SMA-Drähte liefert die Spannung (σ), die Dehnung (ε), die Temperatur (T) und den Martensitvolumenanteil (ξ) des SMA-Drahtes. Das phänomenologische Materialmodell wurde erstmals von Tanaka²⁸ vorgeschlagen und später von Liang²⁹ und Brinson³⁰ übernommen. Die Ableitung der Gleichung hat die Form:
Dabei ist E der phasenabhängige Elastizitätsmodul des Formgedächtnislegierungsdrahtes (FGL), berechnet nach der Formel \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\). \(E_A\) und \(E_M\) repräsentieren die Elastizitätsmodule der austenitischen bzw. martensitischen Phase, und der thermische Ausdehnungskoeffizient wird durch \(\theta _T\) dargestellt. Der Beitragsfaktor für den Phasenübergang ist \(\Omega = -E \epsilon _L\), wobei \(\epsilon _L\) die maximale rückstellbare Dehnung im FGL-Draht ist.
Die Phasendynamikgleichung entspricht der von Liang²⁹ entwickelten und später von Brinson³⁰ übernommenen Kosinusfunktion anstelle der von Tanaka²⁸ vorgeschlagenen Exponentialfunktion. Das Phasenübergangsmodell ist eine Erweiterung des von Elakhinia und Ahmadian³⁴ vorgeschlagenen und auf Basis der von Liang²⁹ und Brinson³⁰ angegebenen Phasenübergangsbedingungen modifizierten Modells. Die für dieses Phasenübergangsmodell verwendeten Bedingungen gelten unter komplexen thermomechanischen Belastungen. Bei der Modellierung der Materialgleichung wird zu jedem Zeitpunkt der Volumenanteil des Martensits berechnet.
Die maßgebliche Rückumwandlungsgleichung, die die Umwandlung von Martensit in Austenit unter Erwärmungsbedingungen beschreibt, lautet wie folgt:
wobei \(\xi\) der Volumenanteil des Martensits ist, \(\xi _M\) der Volumenanteil des Martensits vor dem Erhitzen ist, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) und \(C_A\) – Kurvenapproximationsparameter, T – SMA-Drahttemperatur, \(A_s\) und \(A_f\) – Anfangs- bzw. Endtemperatur der Austenitphase.
Die direkte Transformationskontrollgleichung, die durch die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit unter Abkühlungsbedingungen dargestellt wird, lautet:
wobei \(\xi _A\) der Volumenanteil des vor der Abkühlung erhaltenen Martensits ist, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) und \ ( C_M \) – Kurvenanpassungsparameter, T – SMA-Drahttemperatur, \(M_s\) und \(M_f\) – Anfangs- bzw. Endtemperatur des Martensits.
Nach dem Differenzieren der Gleichungen (3) und (4) vereinfachen sich die inversen und direkten Transformationsgleichungen zu folgender Form:
Bei der Vorwärts- und Rückwärtstransformation nehmen \(\eta _{\sigma}\) und \(\eta _{T}\) unterschiedliche Werte an. Die zugehörigen Grundgleichungen für \(\eta _{\sigma}\) und \(\eta _{T}\) wurden in einem separaten Abschnitt hergeleitet und ausführlich erläutert.
Die zur Erwärmung des SMA-Drahtes benötigte thermische Energie stammt aus dem Joule-Effekt. Die vom SMA-Draht aufgenommene oder abgegebene thermische Energie wird durch die Umwandlungswärme dargestellt. Der Wärmeverlust im SMA-Draht ist auf erzwungene Konvektion zurückzuführen, und unter Vernachlässigung der Strahlungswirkung lautet die Wärmebilanzgleichung wie folgt:
Dabei ist \(m_{wire}\) die Gesamtmasse des SMA-Drahtes, \(c_{p}\) die spezifische Wärmekapazität des SMA, \(V_{in}\) die an den Draht angelegte Spannung, \(R_{ohm} \ ) der phasenabhängige Widerstand des SMA, definiert als: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ), wobei \(r_M\ ) und \(r_A\) die spezifischen Widerstände der SMA-Phase in Martensit bzw. Austenit sind, \(A_{c}\) die Oberfläche des SMA-Drahtes, \(\Delta H \) die Formgedächtnislegierung, die latente Übergangswärme des Drahtes, T und \(T_{\infty}\) die Temperaturen des SMA-Drahtes bzw. der Umgebung.
Wird ein Formgedächtnislegierungsdraht betätigt, komprimiert er sich und erzeugt in jedem Zweig des bimodalen Aufbaus eine Kraft, die als Faserkraft bezeichnet wird. Die Kräfte der Fasern in jedem Strang des SMA-Drahtes erzeugen zusammen die für die Betätigung notwendige Kraft (siehe Abb. 9e). Aufgrund der Vorspannfeder beträgt die gesamte Kraft des N-ten Mehrschichtaktuators:
Durch Einsetzen von \(N = 1\) in Gleichung (7) ergibt sich die Muskelkraft des ersten bimodalen Antriebsprototyps wie folgt:
Dabei ist n die Anzahl der unimodalen Schenkel, \(F_m\) die vom Antrieb erzeugte Muskelkraft, \(F_f\) die Faserfestigkeit im SMA-Draht, \(K_x\) die Vorspannsteifigkeit der Feder, \(\alpha\) der Winkel des Dreiecks, \(x_0\) der anfängliche Versatz der Vorspannfeder, um das SMA-Kabel in der vorgespannten Position zu halten, und \(\Delta x\) der Aktuatorweg.
Die Gesamtverschiebung oder -bewegung des Antriebs (\(\Delta x\)) in Abhängigkeit von der Spannung (\(\sigma\)) und der Dehnung (\(\epsilon\)) am SMA-Draht der N-ten Stufe, auf die der Antrieb eingestellt ist (siehe Abb. zusätzlicher Teil des Ausgangssignals):
Die kinematischen Gleichungen beschreiben den Zusammenhang zwischen der Antriebsverformung (\(\epsilon\)) und der Verschiebung (\(\Delta x\)). Die Verformung des Arb-Drahts als Funktion der anfänglichen Arb-Drahtlänge (\(l_0\)) und der Drahtlänge (l) zum Zeitpunkt t in einem unimodalen Zweig ist wie folgt:
wobei \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) durch Anwendung der Kosinusformel in \(\Delta\)ABB ' erhalten wird, wie in Abbildung 8 dargestellt. Für die erste Antriebsstufe (\(N = 1\)) ist \(\Delta x_1\) gleich \(\Delta x\) und \(\alpha _1\) gleich \(\alpha \), wie in Abbildung 8 gezeigt. Durch Differenzieren der Zeit aus Gleichung (11) und Einsetzen des Wertes von l lässt sich die Dehnungsrate wie folgt schreiben:
wobei \(l_0\) die Anfangslänge des SMA-Drahtes ist, l die Länge des Drahtes zu einem beliebigen Zeitpunkt t in einem unimodalen Zweig ist, \(\epsilon\) die im SMA-Draht entwickelte Deformation ist und \(\alpha\) der Winkel des Dreiecks ist, \(\Delta x\) ist der Antriebsversatz (wie in Abbildung 8 dargestellt).
Alle n Einzelspitzenstrukturen (\(n=6\) in dieser Abbildung) sind in Reihe mit \(V_{in}\) als Eingangsspannung geschaltet. Stufe I: Schematische Darstellung des SMA-Drahts in einer bimodalen Konfiguration unter Nullspannungsbedingungen. Stufe II: Eine gesteuerte Struktur ist dargestellt, bei der der SMA-Draht aufgrund der inversen Konvertierung komprimiert wird (rote Linie).
Als Machbarkeitsnachweis wurde ein bimodaler Antrieb auf Basis einer Formgedächtnislegierung (SMA) entwickelt, um die simulierte Herleitung der zugrundeliegenden Gleichungen mit experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Das CAD-Modell des bimodalen Linearantriebs ist in Abb. 9a dargestellt. Abb. 9c zeigt hingegen einen neuen Entwurf für eine drehbare prismatische Verbindung mit einem zweiflächigen, SMA-basierten Aktor mit bimodaler Struktur. Die Antriebskomponenten wurden mittels additiver Fertigung auf einem Ultimaker 3 Extended 3D-Drucker hergestellt. Als Material für den 3D-Druck der Komponenten wurde Polycarbonat verwendet, das sich aufgrund seiner Festigkeit, Langlebigkeit und hohen Glasübergangstemperatur (110–113 °C) als hitzebeständiges Werkstoff eignet. In den Experimenten wurde zudem Flexinol-Formgedächtnisdraht der Firma Dynalloy, Inc. eingesetzt, und die entsprechenden Materialeigenschaften wurden in den Simulationen verwendet. Mehrere SMA-Drähte sind als Fasern angeordnet, die in einer bimodalen Anordnung von Muskeln vorhanden sind, um die hohen Kräfte zu erzielen, die von mehrschichtigen Aktuatoren erzeugt werden, wie in Abb. 9b, d gezeigt.
Wie in Abbildung 9a dargestellt, wird der spitze Winkel, der vom beweglichen SMA-Draht gebildet wird, als Winkel (α) bezeichnet. Mithilfe von Klemmen an den linken und rechten Klemmen wird der SMA-Draht im gewünschten bimodalen Winkel gehalten. Die am Federverbinder befestigte Vorspannfeder dient zur Anpassung der verschiedenen Vorspannfedergruppen an die Anzahl (n) der SMA-Fasern. Die Position der beweglichen Teile ist so gewählt, dass der SMA-Draht zur erzwungenen Konvektionskühlung der Umgebung ausgesetzt ist. Die oberen und unteren Platten der abnehmbaren Baugruppe tragen mit ihren gewichtsreduzierenden Aussparungen zur Kühlung des SMA-Drahts bei. Beide Enden des CMA-Drahts sind mittels Crimpverbindung an den linken bzw. rechten Klemmen befestigt. Ein Stößel an einem Ende der beweglichen Baugruppe hält den Abstand zwischen den oberen und unteren Platten aufrecht. Der Stößel dient außerdem dazu, über einen Kontakt eine Blockierkraft auf den Sensor auszuüben, um diese Blockierkraft beim Betätigen des SMA-Drahts zu messen.
Die bimodale SMA-Struktur ist elektrisch in Reihe geschaltet und wird durch eine Eingangsimpulsspannung versorgt. Während des Spannungsimpulszyklus, wenn Spannung angelegt wird und der SMA-Draht über die Anfangstemperatur des Austenits erhitzt wird, verkürzt sich die Drahtlänge in jedem Strang. Diese Verkürzung aktiviert die bewegliche Armbaugruppe. Beim Abschalten der Spannung im selben Zyklus kühlt der erhitzte SMA-Draht unter die Temperatur der Martensitoberfläche ab und kehrt in seine Ausgangsposition zurück. Im spannungsfreien Zustand wird der SMA-Draht zunächst passiv durch eine Vorspannfeder gedehnt, bis er den entzwillingten martensitischen Zustand erreicht. Die Schraube, durch die der SMA-Draht geführt wird, bewegt sich aufgrund der durch den Spannungsimpuls erzeugten Kompression (der SMA-Draht erreicht die Austenitphase), wodurch der bewegliche Hebel betätigt wird. Beim Zurückziehen des SMA-Drahts erzeugt die Vorspannfeder durch weiteres Dehnen eine Gegenkraft. Wenn die Spannung im Impuls auf null sinkt, verlängert sich der SMA-Draht und verändert seine Form aufgrund der erzwungenen Konvektionskühlung, wobei er eine doppelt martensitische Phase erreicht.
Das vorgeschlagene SMA-basierte Linearantriebssystem besitzt eine bimodale Konfiguration mit abgewinkelten SMA-Drähten. (a) zeigt ein CAD-Modell des Prototyps mit Erläuterungen zu einigen Komponenten und deren Funktion. (b, d) stellen den entwickelten experimentellen Prototyp³⁵ dar. (b) zeigt eine Draufsicht des Prototyps mit elektrischen Anschlüssen, Vorspannfedern und Dehnungsmessstreifen, während (d) eine perspektivische Ansicht des Aufbaus zeigt. (e) Schema eines Linearantriebssystems mit bimodal angeordneten SMA-Drähten zu jedem Zeitpunkt t, das die Faserrichtung und -richtung sowie die Muskelkraft darstellt. (c) Für den Einsatz eines zweidimensionalen SMA-basierten Aktuators wurde eine 2-DOF-Rotationsprismenverbindung vorgeschlagen. Wie dargestellt, überträgt die Verbindung die lineare Bewegung vom unteren Antrieb auf den oberen Arm und erzeugt so eine Rotationsverbindung. Die Bewegung des Prismenpaares entspricht der Bewegung des mehrschichtigen Antriebs der ersten Stufe.
An dem in Abb. 9b dargestellten Prototyp wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit eines bimodalen Antriebs auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL) zu evaluieren. Wie in Abb. 10a dargestellt, bestand der Versuchsaufbau aus einem programmierbaren Gleichstromnetzteil zur Versorgung der FGL-Drähte mit Eingangsspannung. Abb. 10b zeigt, dass ein piezoelektrischer Dehnungsmessstreifen (PACEline CFT/5 kN) zur Messung der Blockierkraft mithilfe eines Graphtec GL-2000 Datenloggers verwendet wurde. Die Daten wurden vom Host-System zur weiteren Auswertung aufgezeichnet. Dehnungsmessstreifen und Ladungsverstärker benötigen eine konstante Stromversorgung zur Erzeugung eines Spannungssignals. Die entsprechenden Signale werden gemäß der Empfindlichkeit des piezoelektrischen Kraftsensors und weiterer Parameter (siehe Tabelle 2) in Leistungssignale umgewandelt. Beim Anlegen eines Spannungsimpulses steigt die Temperatur des FGL-Drahtes, wodurch dieser komprimiert wird und der Aktor eine Kraft erzeugt. Die experimentellen Ergebnisse der Muskelkraftausgabe bei einem Eingangsspannungsimpuls von 7 V sind in Abb. 2a dargestellt.
(a) Im Experiment wurde ein lineares Aktuatorsystem auf Basis von SMA-Leitern aufgebaut, um die vom Aktor erzeugte Kraft zu messen. Die Kraftmessdose erfasst die Blockierkraft und wird von einem 24-V-Gleichstromnetzteil versorgt. Mithilfe eines programmierbaren Gleichstromnetzteils von GW Instek wurde ein Spannungsabfall von 7 V über die gesamte Kabellänge angelegt. Der SMA-Leiter schrumpft aufgrund von Wärme, wodurch der bewegliche Arm die Kraftmessdose berührt und eine Blockierkraft ausübt. Die Kraftmessdose ist mit dem Datenlogger GL-2000 verbunden, und die Daten werden zur weiteren Verarbeitung auf dem Host gespeichert. (b) Schematische Darstellung der Komponentenkette des Versuchsaufbaus zur Messung der Muskelkraft.
Formgedächtnislegierungen werden durch thermische Energie angeregt, daher ist die Temperatur ein wichtiger Parameter für die Untersuchung des Formgedächtnisphänomens. Experimentell wurden, wie in Abb. 11a dargestellt, Wärmebildaufnahmen und Temperaturmessungen an einem Prototyp eines auf Formgedächtnislegierungen basierenden Divalerat-Aktuators durchgeführt. Eine programmierbare Gleichstromquelle legte die Eingangsspannung an die Formgedächtnisdrähte im Versuchsaufbau an (Abb. 11b). Die Temperaturänderung des Formgedächtnisdrahtes wurde in Echtzeit mit einer hochauflösenden LWIR-Kamera (FLIR A655sc) gemessen. Die Daten wurden mit der Software ResearchIR für die weitere Nachbearbeitung aufgezeichnet. Beim Anlegen eines Spannungsimpulses steigt die Temperatur des Formgedächtnisdrahtes, wodurch dieser schrumpft. Abb. 2b zeigt die experimentellen Ergebnisse des Temperaturverlaufs des Formgedächtnisdrahtes über die Zeit bei einem Eingangsspannungsimpuls von 7 V.