RUBIN 2/06: Neue Wege in der Formgedächtnis-Technologie

Bei Brillen, Zahnspangen oder Gefäßstützen (Stents) sind die magischen Metalle heute nicht mehr wegzudenken. Doch den herkömmlichen Einsatz von Formgedächtnislegierungen stellen Maschinenbauingenieure um Prof. Dr.-Ing. Ewald Georg Welp (Lehrstuhl für Maschinenelemente und Konstruktionslehre) jetzt völlig auf den Kopf: Das universale, zunächst funktionslose Bauteil soll zukünftig ganz nach Verwendungszweck gezielt programmiert werden, etwa für eine intelligente Knieprothese, bei der lokale Formgedächtniseffekte die Muskelfunktionen des Kniegelenks übernehmen. Dafür entwickeln Ingenieure jetzt die Technik der funktionalen Programmierung.

Ausdehnen oder zusammenziehen

Wenn sich ein Stent im Blutgefäß wie von allein entfaltet und es offen hält, ist keine Magie im Spiel. Hier wird die Fähigkeit von Formgedächtnislegierungen genutzt, sich nach einer Verformung an ihre ursprüngliche Gestalt zu „erinnern“. Möglich macht das die Atomgitterstruktur dieser Legierungen, die beim Erwärmen, Abkühlen oder bei Krafteinwirkung zwischen einer Tieftemperaturphase (Martensit) und einer Hochtemperaturphase (Austenit) pendelt, wodurch sich ein Werkstoff um bis zu acht Prozent ausdehnen oder auch – ähnlich einem Muskelstrang – kontrahieren kann. Dabei kommen drei unterschiedliche FG-Effekte zum Tragen: der Einweg-Effekt (Beispiel: Stent), der Zweiweg-Effekt (Beispiel: Federn, Flugzeugtragflächen) und die Pseudoelastizität (Beispiel: Brillengestelle).

Alles in einem Bauteil – und das ganz nach Bedarf

Die Technik der funktionalen Programmierung soll nun alle drei Effekte – und diese ganz nach Wunsch, etwa bei einer Knieprothese je nach individuellem Bedürfnis – in einem Bauteil zur Wirkung bringen. Das heißt für die Ingenieure zunächst, den Formgedächtnis-Effekt im gesamten Bauteil zu deaktivieren, um ihn dann wieder gezielt durch eine lokale Wärmebehandlung zu programmieren. Dipl.-Ing. Sven Langbein setzt derzeit die Lasertechnik ein, doch weitere Versuche mit anderen Wärmequellen (z.B. induktive Erwärmung, Heizelemente) sind vorgesehen. Im sog. Dreipunkt-Biegeversuch ließen sich die lokal konfigurierten Formgedächtnis-Effekte bestätigen und anhand einer Versuchsreihe im Wärmebehandlungsofen fanden die Forscher heraus, bei welchen Temperaturen welche Formgedächtnis-Effekte auftreten und wie sich der Effekt über den gesamten Temperaturbereich hinweg verschiebt.

Informationen ertasten

Große Perspektiven räumen die Bochumer Maschinenbauer auch der neuen Formgedächtnistechnik bei haptischen Displays ein. Sie sollen dem Benutzer visuelle Informationen unabhängig von einem Bildschirm vermitteln, sodass etwa der Autofahrer den Blick auf die Straße gerichtet lassen kann. Die Ingenieure testen derzeit in einem Demonstrator lokal beschichtete Dünnschichtaktuatoren für einen möglichen Einsatz in haptischen Displays. Die lokale Beschichtung stellt eine Vorstufe zur lokalen Programmierung dar. Damit kann auf aufwendige Masken verzichtet werden, die durch eine lokal positionierte Wärmequelle ersetzt werden.

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Weitere Informationen

Dipl.-Ing. Sven Langbein, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Konstruktionslehre (LMK), Institut für Konstruktionstechnik, Fakultät für Maschinenbau, Tel. 0234/32-22636, -26689, E-Mail: langbein@lmk.rub.de