„The Heart of Motion“ beschreibt den Kern dessen, was wir tun und wofür wir arbeiten. Deswegen liegt es nahe, das „Herz“ von Bewegung zu hinterfragen und grundsätzlich neu zu denken. Der Anker eines Elektromagneten oder der Läufer des Elektromotors sind vielleicht die gebräuchlichsten, aber nicht immer die optimalen Lösungen für eine Aufgabe.
Magnetfelder führen in magnetischen Formgedächtniswerkstoffen zu Dehnungen. Damit lassen sich Antriebe realisieren, bei denen Bewegung im Inneren des Werkstoffs entsteht und tribologische Schnittstellen entfallen. Unter der Bezeichnung MAGNETOSHAPE® erarbeiten wir auf Basis dieses Effektes innovative Antriebskonzepte vom Werkstoff über den Aktor bis zum mechatronischen System – immer mit dem Ziel der technologisch besten Lösung im Sinne unserer Kunden.
Die Magnetic-Shape-Memory-Technologie, kurz erklärt
Magnetic-Shape-Memory-Legierungen sind ferromagnetische Materialien, die Kraft und Bewegung unter moderaten Magnetfeldern erzeugen. Die typischerweise einkristallinen Legierungen aus Nickel, Mangan und Gallium sind in der Lage, unter externen Lasten 6 % Dehnung zu erzeugen. Und das bei Frequenzen bis in den niedrigen Kilohertz-Bereich.
Entdeckt wurde der Magnetic-Shape-Memory-Effekt Mitte der 90er Jahre. In den letzten Jahren hat ETO intensiv im Bereich des Magnetic-Shape-Memory-Effektes geforscht, das Material entscheidend weiterentwickelt und darauf basierende Aktoren aufgebaut. Heute steht ETOs neue MAGNETOSHAPE®-Technologie für den Einsatz in ersten Serienanwendungen bereit. Durch ihre einzigartigen technischen Vorteile besitzt die Technologie das Potenzial, künftig elektromagnetische und andere Aktortechnologien zu ersetzen.
Herstellung des einkristallinen MAGNETOSHAPE®-Materials
· Die Rohmaterialien werden bei etwa 1.400 °C induktiv geschmolzen und legiert
· Mit einem modifizierten Bridgman-Prozess werden große Einkristalle gezogen
· Die Kristalle werden zur chemischen Homogenisierung und Einstellung der Mikrostruktur wärmebehandelt
· Die Kristallorientierung wird mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt
· Die Kristalle werden typischerweise in quaderförmige Elemente geschnitten
· Die Elemente werden für die Anwendung konfiguriert
Technische Daten des MAGNETOSHAPE®-Materials
| MAGNETOSHAPE ® | |
| Legierung | NiMnGa |
| Feldinduzierte Spannung | 6 % unter bis zu 2 N/mm² |
| Blockierspannung | Bis zu 3,5 N/mm² |
| Schaltfeld | 0,6 T |
| Temperaturbereich | -40 °C – 60 °C |
| Hohe Lebensdauer | 2x109 (Material) |
| Typische Elementgröße | 1 x 3 x 10 mm³ bis 6 x 6 x 30 mm³ |
| Magnetische Permeabilität | 2 (harte Achse); 50 (leichte Achse) |
| Frequenz | DC bis 1 kHz |
| Schaltgeschwindigkeit | <1 ms (anhängig vom Aktor) |
Die Designprinzipien der MAGNETOSHAPE®-Aktoren
MAGNETOSHAPE®-Feder-Aktor
· Rückstellfeder dem MAGNETOSHAPE®-Element entgegengesetzt
· Extrem kurze Schaltzeiten (~ 1 ms)
· Bistabile Variante mit Permanentmagnet möglich
· Verschiedene Magnetkreise abhängig von der nötigen Funktionalität (Kraft, Weg, Frequenz) möglich
MAGNETOSHAPE®-Push-Push-Aktor
· Zwei MAGNETOSHAPE®-Aktor-Einheiten arbeiten antagonistisch
· Energieeffiziente Multistabilität
· Zwischenpositionen sind stabil ohne Stromverbrauch
· Ermöglicht schnelle und präzise Positionsregelung (< 5 µm)
Vorteile von MAGNETOSHAPE®-Aktoren
· Arbeiten energieeffizient
· Bieten eine hohe Arbeitsabgabe bei hohen Frequenzen
· Ermöglichen ein verbessertes Design des Aktors mit geringem tribologischem Verschleiß
· Zeigen extrem schnelles Schaltverhalten
· Erlauben Hochlebensdauer-Anwendungen
· Können als bi- oder multistabile Aktoren sowie als monostabile Aktoren mit Fail-safe-Funktionalität ausgelegt werden
· Können simultan thermisch aktiviert werden
· Bieten Self-sensing-Fähigkeit
Nicht-Aktor-Anwendungen
MAGNETOSHAPE®-Smart-Materials können auch für Nicht-Aktor-Anwendungen eingesetzt werden. Dies ermöglicht der inverse magnetische und thermische Formgedächtniseffekt.
· Messung von Position, Geschwindigkeit, Kraft, Druck etc.
· Energy Harvesting für drahtlose Energieversorgung
· Passive und aktive Dämpfung
· Verwendung spezifischer Legierungen als Hochtemperatur-Formgedächtnismaterial (FGL)
· Gedünntes einkristallines Material (< 30 µm) für mikrosystemtechnische Anwendungen (Aktor, Sensor, Harvesting)
· Dünnschichtmaterialien sind im akademischen Bereich in Entwicklung
Veröffentlichungen
2015
· MSM-Greifer mit stationärer Aktuierung
2014
· Over 7% magnetic field-induced strain in a Ni-Mn-Ga five-layered martensite
· Magnetomechanical properties of a high-temperature Ni–Mn–Ga magnetic shape memory actuator material
· High-temperature magnetic shape memory actuation in a Ni–Mn–Ga single crystal
· FEM-Simulation of Magnetic Shape Memory Actuators
· Recent developments in magnetic shape memory actuation
· A modular energy efficient actuator based on magnetic shape memory alloys
· Magnetic Shape Memory Actuators for Fluidic Applications
2013
· Failure mechanisms and high-cycle fatigue of MSM actuators
2012
· Progress in developing smart magnetic materials for advanced actuator solutions
2011
· A Novel Concept for Strain Sensing Based on the Ferromagnetic Shape Memory Alloy NiMnGa
2010
Nützliche Links