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12 Elektronik 10 2021 impulse Klein stark und leise elektrische Antriebsmaterialien Elektrischer Aktuator mal ganz anders Für feinmechanische Positionierund Entriegelungsaufgaben bieten sich Aktuatoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen an Gegenüber Elektromotoren oder Elektromagneten haben sie beträchtliche Vorteile Doch wie funktionieren sie? Von Andreas Knoll Ist in einer feinmechanischen Anwendung eine elektrisch generierte Bewegung nötig so werden heutzutage Elektromotoren oder Elektromagnete eingesetzt Eine neue Alternative die sich besonders durch Miniaturisierung bei hoher Kraft gute elektromagnetische Verträglichkeit und geräuschlose Arbeitsweise abzeichnet sind Aktuatoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen Dabei handelt es sich um meist dünne Drähte aus einer Nickel-Titan-Legierung auch kurz NiTinol genannt Wird dieser Draht über einen elektrischen Strom erwärmt verkürzt er sich und erzeugt damit eine für seine Baugröße enorme Kraft Ein sogenannter »FG-Draht« von nur 0 3 mm Durchmesser kann knapp 3 kg Zugkraft erzeugen Der Draht selbst wiegt weniger als 1 g Damit lassen sich auf Basis dieser Materialien elektrische Kleinantriebe für feinmechanische Entriegelungsund Positionieraufgaben realisieren die zudem mit geringen elektrischen Betriebsspannungen arbeiten und gegebenenfalls auch direkt auf Elektronikplatinen integriert werden können Bild 1 zeigt das Wirkprinzip dieser Materialien Während bei »A« der FG-Draht inaktiv ist wird er von der Zugfeder gestreckt Bei Schaltung des elektrischen Stromkreises »B« wird der FG-Draht elektrisch erwärmt sodass er sich verkürzt und durch die entstehende Kraft die Zugfeder längt Nach Deaktivierung des Stroms kehrt das System in den Zustand »A« zurück Bemerkenswert ist zudem die eingebaute sensorische Eigenschaft der Formgedächtnislegierung Der elektrische Widerstand des FG-Drahts ändert sich annähernd linear zum erzeugten Stellweg Damit ist es möglich den elektrischen Widerstand als Sensorkennlinie für eine proportionale Positionsund Kraftregelung zu verwenden Somit benötigt man keine sensorischen Elemente zur Positionsregelung von Aktuatoren auf Basis von FG-Drähten Seit der Entdeckung des sogenannten Formgedächtniseffekts vor über 50 Jahren wurden zahlreiche Entwicklungen für den Maschinenbau in der Automatisierungstechnik erprobt »Das Problem bei der Umsetzung in Serienprodukte liegt in der komplexen Produktentwicklung mit FG-Drähten« erläutert Dr Alexander Czechowicz Leiter Entwicklung beim Unternehmen Kunststoffverarbeitung Hoffmann »Was wie ein einfacher Draht aussieht ist ein komplexes Wirkungsgeflecht aus werkstoffwissenschaftlichen thermodynamischen und konstruktiven Parametern Oft fehlt in der Produktentwicklung eines Gesamtsystems die Zeit einen eigenen Stellantrieb zu entwickeln und dafür noch entsprechende Produktionsprozesse zu etablieren « Eine Lösung für dieses Problem sind daher standardisierte Formgedächtnisaktoren die in Serie verfügbar sind Bild 2 zeigt den »ONEeasy«-Aktuator von Kunststoffverarbeitung Hoffmann der mit einem Eigengewicht von 14 g eine Stellkraft von bis zu 1 5 kg konstant über den Stellweg erzeugen kann Wird der elektrische Strom aktiviert so bewegt sich der gelbe Stößel um 4 2 mm nach oben und wirkt damit gleichzeitig ziehend und drückend Die Stellbewegung ist zudem mit einer entsprechenden Proportionalelektronik linear regelbar »Durch Nutzung des ONEeasy bleibt den Anwendern eine eigenständige Bild 2 Der standardisierte FG-ONE-Aktuator nur 14 g schwer verstellt er Lasten von bis zu 1500 g Bild 3 Der gelbe FG-ONE-Aktuator für Sicherheitsentriegelungen ist so flach dass er sich in einer Geräteklappe einbauen lässt Bild 1 Das Prinzip des Formgedächtnismaterials als Aktuator alle Bilder Kunststoffverarbeitung Hoffmann