Entwicklung eines Modells für Formgedächtnisaktoren im geregelten dynamischen Betrieb

Autor: Florian Schiedeck

ISBN: 978-3-941416-23-9

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2009

Herausgeber der Reihe: Jörg Wallaschek

Band-Nr.: IDS 03/2009

Umfang: 130 Seiten, 112 Abbildungen

Schlagworte: Aktoren mit Formgedächtnislegierungen, Modellierung, Regelung, Zuverlässigkeitsanalyse

Kurzfassung: Aktoren aus Formgedächtnislegierungen weisen mit über 1 kJ/kg die mit Abstand höchste Energiedichte aller Aktorprinzipien auf. Das macht sie für diejenigen Antriebsaufgaben interessant, bei denen auf kleinem Bauraum eine hohe mechanische Arbeit aufgebracht werden muss. Zur Erzeugung begrenzter Stellbewegungen mit unidirektionaler Kraftwirkung werden Formgedächtnislegierungen in Drahtform eingesetzt. Der Formgedächtnisef- fekt tritt bei Legierungen mit reversibler martensitischer Phasenumwandlung auf. Nickel- Titan – oft auch als NiTiNOL, Flexinol oder MuscleWire bezeichnet – ist wegen der hohen Effektstabilität die am häufigsten eingesetzte Formgedächtnislegierung. Diese Arbeit behandelt die Einsatzmöglichkeiten von Formgedächtnislegierungen als Stellantriebe. Nach der Beschreibung des Stands der Technik werden im Hauptteil die Forschungsergebnisse vorgestellt. Dieser gliedert sich in folgende Teile: experimentelle Untersuchung und Modellierung von Formgedächtnislegierungen sowie Regelung und Applikation von Formgedächtnisaktoren. Zunächst wird das thermomechanische Dehnungs- und Widerstandsverhalten von NiTi-Formgedächtnislegierungen auch unter dem Aspekt Alterung experimentell untersucht. Weitere Messungen hinsichtlich dynamischer Eigenschaften runden das Systemverständnis ab. Ausgehend von der thermodynamischen Energiebilanz erfolgt die Modellierung von Formgedächtnislegierungen mit extrinsischem Zweiwegverhalten. Das domänenübergreifende Simulationsmodell besteht aus thermischen, elektrischen und mechanischen Teilmodellen für die Temperaturhysterese, für das Widerstands- und für das Dehnungsverhalten. Damit wird das makroskopische Verhalten von Aktoren aus Formgedächtnislegierungen im dynamischen Betrieb beschrieben. Unter Verwendung der daraus gewonnenen Erkenntnisse wird ein systemspezifischer Ansteuerungs- und Regelungsentwurf für Formgedächtnisaktoren als Positionier- und Stellantriebe durchgeführt. Dabei wird insbesondere das Potential von Self-Sensing, d. h. die Nutzung inhärenter sensorischer Eigenschaften, untersucht, um eine Positionsregelung auf Basis einer Widerstandsmessung zu realisieren. Des Weiteren können Nichtlinearitäten gezielt für eine selbstsensierende Ansteuerung genutzt werden. Abschließend werden die Möglichkeiten der Applikation von Aktoren mit Formgedächtnislegierungen betrachtet. Dafür wird eine Methode zur verlässlichkeitsorientierten Technologiebewertung entwickelt und für die Analyse existierender Lösungen eingesetzt. Die Ergebnisse fließen in den Entwurf eines Aktorprototyps ein.