Kleiner Draht, große Wirkung

Das Gewicht von Fahrzeugen schon durch ihre Bauweise zu reduzieren, um Energie und Rohstoffe einzusparen, gehört zu den relevantesten Forschungsthemen weltweit. Am Bundesexzellenzcluster MERGE der Technischen Universität Chemnitz werden Möglichkeiten erforscht, wichtige Funktionen direkt in das Material zu integrieren, um so eine Ausstattung mit vielen einzelnen Teilen zu umgehen und Gewicht einzusparen.

Für diesen Miniaturisierungs-Ansatz benutzen die Forscher und Forscherinnen der TU Chemnitz und am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) sogenannte Formgedächtnisdrähte: „Dieses Material hat die Eigenschaft, dass es bei Erwärmung wieder seine Ausgangsform annimmt“, erklärt Björn Senf vom Fraunhofer IWU.

„Wir binden die Drähte in eine Matrix aus einem Faserkunststoffverbund ein und nutzen deren Verformungsbewegung in den Ausgangszustand aus.“ Das lasse sich bei Teile anwenden, die sich bei Nutzung erwärmen. Zum Beispiel zur Temperierung eines Motors, einer Brennstoffzelle oder einer Batterie im Auto. Eine dort angebrachte Lüftungsklappe aus einem mit Formgedächtnisdraht durchzogenen Faserkunststoffverbund erwärmt sich ebenfalls und öffnet sich durch das Verformen der Drähte von allein: „Das ist ein autarker Regelkreis, in dem die Wechselwirkung nicht gesteuert werden muss“, so Senf.

Die Formgedächtnisdrähte können aber noch mehr: „Wärme kann auch durch Stromfluss, speziell durch den elektrischen Widerstand im Leiter, erzeugt werden. Das gibt uns zum einen die Möglichkeit, die Bewegung gezielt auszulösen. Also dann, wenn der Fahrer oder Techniker es will und nicht nur wenn sich die Umgebung erwärmt. Zum anderen können wir das intelligente Material auch als Sensor nutzen“, so Senf weiter. Aus der Messung des Widerstands wird die Dehnung der Drähte bzw. die Verformung der Gesamtstruktur bestimmt.

Diese eingebettete Sensorik gezielt auszunutzen und die Technologie im Sinne der Funktionsintegration zu optimieren, soll Mittelpunkt der Forschung in MERGE II sein, dem soeben beantragten zweiten Teil der Förderperiode des Clusters im Rahmen des Exzellenzstrategie von Bund und Ländern. In dieser zweiten Phase soll verstärkt die großserientaugliche Produktion im Mittelpunkt stehen.

Am Beispiel der sogenannten Pultrusion, also dem Strangziehen von faserverstärkten Kunststoffprofilen, soll der Leichtbaugrad dieser Bauteile erhöht sowie ihre sensorische Funktion besser für die Struktur-Überwachung genutzt werden. Außerdem ist die Erforschung von Lösungsansätzen zu damit einhergehenden Kontaktierungsproblemen geplant. „Das Ziel ist ein Bauteil ohne Sicherheitsreserven, das über seinen Ermüdungszustand selbst Auskunft gibt, um die minimal eingesetzten Rohstoffe maximal auszunutzen“, erklärt Senf.

Die Formgedächtnisdrähte in Verbindung mit dem Faserkunststoffverbund sind ein zukunftsweisendes „smart material“, das ökonomisch eingesetzt werden kann. Der Formgedächtniseffekt ist bei der typischen geringen Dehnung von weniger als 1 Prozent über 1 Million Mal nutzbar. Damit ist die funktionelle Ermüdung äußerst gering und das Material hat eine lange Lebensdauer. Zudem weisen die Drähte eine hohe Energiedichte auf und entfalten für ihr geringes Volumen große Kräfte. Das macht sie zum idealen Ersatz für mehrteilige und damit schwere Geräte.

Kürzlich veröffentlicht wurden die Ergebnisse in:

B. Senf, C. Eppler, A. Bucht, W.-G. Drossel: Design of Multifunctional Lightweight Structures with Integrated Shape Memory Alloy Wires. BIT’s World Congress of Smart Materials, Singapore, 2016.

B. Senf, W.-G. Drossel, A. Bucht, C. Elibol, M.F.-X. Wagner: Characterization of Shape Memory Alloy Wires Integrated into Lightweight Structures. Proc. of the 2nd International MERGE Technologies Conference, Chemnitz, 2015.

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