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Mit smarten Antriebsmaterialien

Elektrischer Aktuator mal ganz anders

18. Mai 2021, 11:31 Uhr   |  Andreas Knoll

Elektrischer Aktuator mal ganz anders
© Kunststoffverarbeitung Hoffmann

Bild 1: Das Prinzip des Formgedächtnismaterials als Aktuator.

Für feinmechanische Positionier- und Entriegelungsaufgabenbieten sich Aktuatoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen an. Gegenüber Elektromotoren oder Elektromagneten haben sie beträchtliche Vorteile. Doch wie funktionieren sie?

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 Bau- größe – 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 Entriegelungs- und 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 Positions- und 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 Automatisierungs-technik 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.«

Der standardisierte FG-ONE-Aktuator: nur 14 g schwer, verstellt er Lasten von bis zu 1500 g
© Kunststoffverarbeitung Hoffmann

Bild 2: Der standardisierte FG-ONE-Aktuator: Nur 14 g schwer, verstellt er Lasten von bis zu 1500 g.

Eine Lösung für dieses Problem sind daher standardisierte Formgedächtnisaktoren, die in Serie verfügbar sind. Bild 2 zeigt den »ONE-easy«-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 ONE-easy bleibt den Anwendern eine eigenständige Entwicklung eines Antriebs auf Basis von FG-Drähten erspart«, sagt Czechowicz. »Stattdessen können sie per Datenblatt die Anforderungen schnell mit ihrer Anwendung abgleichen und in der Produktentwicklung ihres Systems eine Validierungsphase frühzeitig einleiten. Das spart Kosten und Zeit in der Produktentwicklung bei neuen technischen Produktvorteilen wie etwa Verringerung von Gewicht und Bauraum.«

Der gelbe FG-ONE-Aktuator für Sicherheitsentriegelungen ist so flach, dass er sich in einer Geräteklappe einbauen lässt
© Kunststoffverarbeitung Hoffmann

Bild 3: Der gelbe FG-ONE-Aktuator für Sicherheitsentriegelungen ist so flach, dass er sich in einer Geräteklappe einbauen lässt.

Ob zur Positionierung von Feinoptiken oder zum Betreiben von Pneumatikventilen – das Einsatzspektrum ist branchenübergreifend vielfältig. Ein Beispiel ist die Entriegelungstechnik. Die gezeigte Klappe ist so flach, dass kaum ein elektromechanischer Antrieb eingesetzt werden könnte. Der standardisierte Aktuator auf FG-Draht-Basis passt wegen seiner flachen Bauweise (nur 6 mm dick) in die Klappe hinein, übersteht Witterungseinflüsse und entriegelt mit relativ hoher Kraft auch bei sehr tiefen Temperaturen.

Weil der Aktuator wenig wiegt, aber vergleichsweise hohe Stellkräfte geräuschfrei erzeugt, lässt er sich in unterschiedlichen Zukunftsbranchen einsetzen. So sind beispielsweise Aktuatoren in der Bekleidung denkbar, die einen per Druckstupser auf Gefahren im Straßenverkehr hinweisen, auch wenn der Blick und das Gehör auf andere Geschehnisse gerichtet sind. Durch die große Bauraumersparnis können aber auch Smart-Home-Systeme wie etwa schaltbare Kleinstluftdurchlässe in Fenstern realisiert werden.

»Die Zahl der möglichen Anwendungen ist enorm«, führt Czechowicz aus. »Unser größtes Problem ist, sich nicht in zu viele Entwicklungsprojekte zu verzetteln.« Weil die Technologie in unterschiedlichen Branchen einsetzbar ist, empfehlen die Ingenieure des Unternehmens, zunächst die technischen Vorteile des Einsatzes von NiTinol-Aktuatoren abzuwägen. »Eine neue Technologie bringt nicht nur Vorteile mit sich – da sind reine 1-zu-1-Substitutionen von anderen Antriebsprinzipien nicht immer möglich«, erklärt Czechowicz. »Allerdings beginnen immer mehr Anfragen bei uns mit der Forderung nach einer Wende in bisherigen Aktuatoren, weil hier kaum grundlegende Neuerungen möglich scheinen.«

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