Umformtechnische Herstellung und Charakterisierung von Aktuatorprofilen basierend auf Shape-Memory-Alloys
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenüber konventionellen Metallen besitzen Formgedächtnislegierungen besondere Eigenschaften wie Formgedächtniseffekt, Superelastizität oder ein hohes Dämpfungsvermögen. Diese machen sie insbesondere für Anwendungen im Bereich Aktuatorik und Sensorik interessant. Auch im Verbund, insbesondere mit Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium oder Magnesium, zeigen Formgedächtnislegierungen ein hohes Potenzial. Sogenannte Formgedächtnis-Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe zeichnen sich insbesondere durch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften aus. Hierzu gehört neben der Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit eine gezielte Beeinflussung der thermischen Ausdehnung sowie die Unterdrückung von Rissentstehung und Rissausbreitung. Aufgrund der schwierigen Herstellbarkeit wurde die Realisierung einer Aktuatorfunktion jedoch bislang kaum untersucht. Das kontinuierliche Verbundstrangpressen stellt eine für die Herstellung von Formgedächtnis-Metall- Matrix-Verbundwerkstoffen neue Fertigungstechnologie dar. Das Verfahren bietet eine flexible und wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung von Verbundprofilen mit eingebetteten Formgedächtnis-Drähten. Durch eine gezielte Positionierung sowie eine umformtechnische Weiterverarbeitung der gepressten Profile war das Ziel dieses Projektes die Herstellung von adaptiven Leichtbauprofilen. Die Profile sollten dabei, in Abhängigkeit der gewählten Prozessroute sowie einer thermischen Aktivierung, in der Lage sein, eine rein elastische Auslenkung zu vollziehen oder mit einer Änderung ihrer mechanischen Eigenschaften auf eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu reagieren. Die zu erzielenden Effekte basieren auf der gezielten Einbringung von Druckspannungen in die Aluminium-Matrix, welche durch die eingebetteten Formgedächtnis-Drähte hervorgerufen wird. Zum Erreichen der genannten Ziele wurden sowohl experimentelle als auch analytische und numerische Methoden eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass aufgrund des hohen Drucks bei gleichzeitig hoher Temperatur während der Fertigung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Verbundpartnern erzeugt werden kann. Diese ist in der Lage, die durch die Drähte erzeugte Spannung auf die Matrix zu übertragen. Durch eine exzentrische Positionierung der Drähte kann dadurch innerhalb der vorgedehnten Verbundprofile ein Biegemoment erzeugt werden. Die Höhe des angreifenden Biegemoments wird insbesondere durch die Höhe der angreifenden Aktivierungsspannungen des Drahtes definiert. Diese wiederum unterliegt zahlreichen thermomechanischen Einflussfaktoren entlang der betrachteten Prozesskette. Unter Berücksichtigung dieser Einflüsse kann das Verhalten der gefertigten Biegeaktuatoren mithilfe der in diesem Projekt entwickelten analytischen sowie numerischen Methoden hinreichend genau vorhergesagt werden. Die angewendeten Methoden sind damit auch für die Auslegung von adaptiven Verbundprofilen geeignet. Im Rahmen des Projektes wurden zudem ein positiver Einfluss der eingebetteten NiTi-Drähte auf die mechanischen Eigenschaften festgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Strategie des active property tuning (APT) als auch die des active strain energy tuning (ASET) genutzt werden kann. Unter statischer Belastung (Zugversuch, 3-Punkt-Biegeversuch) ergibt sich eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch den FGL-Effekt. Bei schlagartiger Belastung (Kerbschlagbiegeversuch) scheint dagegen die Verstärkung durch den Draht an sich maßgebend für das verbesserte Bauteilverhalten im Gegensatz zur unverstärkten Matrix zu sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2015. The influence of stress and heat on the transformation behaviour of NiTi for actuator applications in extruded aluminium matrix alloys, Materials Science Forum 825-826, 205-212
Pinter, P. Reeb, A., Weidenmann, K. A.
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2016. Manufacturing of Shape Memory Metal Matrix Composites (SM-MMCs) by Composite Extrusion. In: Proceedings of the Eleventh International Aluminum Extrusion Technology Seminar, ET '16, Chicago, Illinois, USA, S. 571-581
Dahnke, C., Lorch, Y., Haase, M., Ben Khalifa, N., Tekkaya, A. E.
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2017. Thermally activated lightweight actuator based on hot extruded shape memory metal matrix composites (SMA-MMC). In: Procedia Engineering 207: 12th International Conference on Technology of Plasticity, Cambridge, United Kingdom, S. 1511-1516
Dahnke, C., Shapovalov, A., Tekkaya, A. E.
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2018. Influence of the manufacturing process on hot extruded shape memory alloy metal matrix composites. Proceedings of the ASME 2018 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (SMASIS2018), September 10-12, 2018, San Antonio, USA
Dahnke, C., Tekkaya, A. E.
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2019. Influence of SMA-induced stress on shape memory alloy metal matrix composites manufactured by continuous composite extrusion, Smart Materials and Structures, 28, (8)
Dahnke, C., Pottmeyer, F., Pinter, P., Weidenmann, K. A., Tekkaya, A. E.
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2019. Thermomechanical behavior of shape memory alloy metal matrix composite actuator manufactured by composite extrusion. Smart Materials and Structures, 28, (5)
Dahnke, C., Reeb, A., Pottmeyer, F., Weidenmann, K. A., Tekkaya, A. E.
