Entwicklung von Formgedächtnisaktoren mit inhärenter Führungsfunktion

Welf-Guntram Drossel (Herausgeber), Reimund Neugebauer (Herausgeber)

Mikroaktoren sind in der Regel herunterskalierte Abbilder konventioneller, makroskopischer Aktoren. Dabei stehen die erreichbaren Verfahrwege oft in einem erheblichen Missverhältnis zum benötigten Bauraum. Dies ist auf zwei Gründe zurückzuführen. Zum einen ist eine unbegrenzte Miniaturisierung der Antriebe nicht möglich, da ihr physikalisches Wirkprinzip gewisse Mindestgrößen erfordert. Zum anderen benötigen die Antriebe Führungen zur Bindung von Freiheitsgraden, wodurch die Teileanzahl erhöht und das Unterschreiten bestimmter Baugrößen verhindert wird. Diese Effekte fallen insbesondere bei kleinen Hüben ins Gewicht, da die erreichbaren Wege nur sekundär vom benötigten Bauraum abhängen. Der Einsatz thermischer FGL (Formgedächtnislegierung) als Aktoren bietet aufgrund ihrer hohen spezifischen Arbeitsdichte ein enormes Miniaturisierungspotential. Bei vergleichbaren Bewegungsanforderungen können kleinere und leichtere Aktoren entwickelt werden. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Aktoren bekannt, welche diese Vorteile nutzen. Die meisten basieren bisher allerdings auf kostenintensiven FGL-Halbzeugen oder, sofern FGL-Drähte genutzt werden, benötigen diese immer noch Führungselemente.
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung von drahtbasierten FGL-Aktoren, welche durch die Anordnung als Seilroboter die Festkörpereigenschaften von FGL-Drähten nutzen, um Antriebs- und Führungsfunktion zu vereinen. Der Anspruch der Untersuchungen liegt dabei in der allgemeingültigen Formulierung der Auslegungsgrundlagen. Als Ausgangspunkt werden zunächst die theoretischen Grundlagen in Form von allgemeinen Kinematik- und Steifigkeitsmodellen erarbeitet. Für die Sonderkonfigurationen Linear- und Rotationsaktor werden die für die Entwicklung nötigen Hilfsmittel, Berechnungsgrundlagen und Modelle bereitgestellt, um mit gegebenen Anforderungen mittels eines Auslegungsalgorithmus Aktoren realisieren zu können. Darüber hinaus wird ein bestehendes FGL-Modell weiterentwickelt, um die Aktoranordnungen regelungstechnisch beschreiben zu können. Hiermit wird ein geeignetes Regelungskonzept mit gesteuerter Adaption entwickelt, umgesetzt und experimentell erprobt. Zur Validierung der formulierten Auslegungsgrundlagen erfolgt eine detaillierte Auslegung, Konstruktion und experimentelle Untersuchung eines Linear- und eines Rotationsaktors. DenAbschluss der Arbeit bildet eine Gegenüberstellung und Diskussion der Ergebnisse.


Micro actuators are usually downscaled equivalents of conventional macro scale actuators. Hence, they are characterized by a large disproportion between achievable stroke and cross section. This effect is mainly caused by two reasons. Firstly, the miniaturization of drives is limited by minimum sizes due to their physical principle. Secondly, guidance elements need a particular dimension to realize the desired stiffness. Due to their high specific workloads and relatively small spatial requirements, Shape-Memory-Alloys (SMA) possess an outstanding potential to serve as miniaturized actuators. Significantly smaller and lighter actuators that achieve comparable forces and stroke can be realized. State of the art shows numerous actuators utilizing these advantages. However, most of the known SMA drive applications either are still complex and necessitate additional guidance elements to realize a certain mechanical stiffness, or they are based on cost intensive semi-finished SMA products.
The objective of the work is the development of a novel wire-based SMA actuator design which builds on the theory of wire robots while using the solid state properties of the wires and not requiring additional guidance. The stiffness in directions other than the moving direction of the actuator is realized by an offset angle between the moving direction and the wire. In doing so, the stiffness of a SMA-wire is split into a longitudinal and a transversal component. Thus, the support of transversal loads is feasible, and no further guidance elements are required. The particular challenge of the investigations is to develop general design rules for such actuators. In the first step, the theoretical basics are stated as generic kinematics and stiffness models. Based on that, the general description of the special configurations as linear and rotatory
actuator will be developed in detail. The design of such actuators is formulated as a mathematical optimization algorithm providing a correlation between the variables for design and specification. Further, an already existing numerical SMA wire model is qualified for control design of such actuators. A gain scheduling control concept is developed and experimentally validated. In order to evaluate the actuator approach, a rotary and a linear actuator are designed and experimentally investigated. Finally, the theoretical and measurement results are compared and discussed.