Magnetic shape memory actuators for energy-passive medical implants

• Applicant: Dr.-Ing. Holger Neubert
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics ; Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2014 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 251112451

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Gegenstand des Projektes war die Untersuchung magnetischer Formgedächtnislegierungen als Aktoren für energiepassive medizinische Implantate. Dies war verbunden mit der Weiterentwicklung der anwendungsbezogenen Charakterisierung und Modellierung. Wesentliches Ergebnis ist ein Messverfahren zur kombiniert magneto-mechanischen Charakterisierung von magnetischen Formgedächtniselementen. Es räumt Unzulänglichkeiten bestehender Verfahren weitgehend aus und behebt Messfehler, die sowohl aus extrinsischen (Demagnetisierung) als auch aus intrinsischen Faktoren (Zwillingsstruktur) resultieren. Aus den am Probekörper gemessenen Bauteileigenschaften werden konsequenterweise keine Werkstoffeigenschaften abgeleitet, da die Abmessungen der Zwillingsstruktur der magnetischen Formgedächtniswerkstoffe nicht klein gegenüber den Bauteilabmessungen sind. Zur Simulation magnetischer Formgedächtniskomponenten wurde ein thermodynamisch konsistentes Bauteilmodell entwickelt. Es löst die Abbildungsprobleme vieler phänomenologischer Hysteresemodelle insbesondere bei Kleinsignalaussteuerung. Das Modell eignet sich zur Simulation aktorischer, sensorischer und generatorischer Systeme. Eine tensorielle Formulierung wurde aus Gründen der fehlenden Homogenisierbarkeit des Werkstoffs nicht realisiert. Grundsätzlich ist eine Erweiterung mit dem entwickelten Modellgerüst möglich. Das entwickelte Messverfahren erlaubt die vollständige Parametrierung des Modells. Die weiteren Untersuchungen hatten energiepassive aktorische Implantate zum Gegenstand, bei denen durch magneto-mechanische Wandler eine Aktorwirkung im Implantat erreicht wird. Magnetfeldquelle und Wandler sind hierbei räumlich durch einen großen Luftspalt getrennt. Die Untersuchungen zeigen, dass derzeit verfügbare magnetische Formgedächtniswerkstoffe keine Vorteile gegenüber alternativen Prinzipien auf der Basis von Reluktanzkräften besitzen. Sie benötigen höhere Feldstärken, die durch praktisch anwendbare Magnetfeldquellen kaum erzeugbar sind, und erreichen kleinere volumenspezifische Arbeitsvermögen.

Publications

• “An Effective Method for Designing Magnetic Shape Memory Actuator Systems”, in: Proc. of ACTUATOR 2016, 15th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, 13–15 June 2016, 2016, pp. 105–108
  F. Ehle, P. Neumeister, and H. Neubert
  
• “On Magneto-Mechanical Characterization Methods for Magnetic Shape Memory Component Models”, 6th Int. Conf. on Ferromagn. Shape Mem. Alloys, 2019, pp. 90–91
  F. Ehle, P. Neumeister, and H. Neubert
  
• “Magnetic Characterization of Ferromagnetic Shape Memory Components Under Defined Mechanical Loading”, Shape Memory and Superelasticity, vol. 6, no. 1, pp. 10–23, 2020
  F. Ehle, P. Neumeister, E. Haufe, and H. Neubert
  (See online at https://doi.org/10.1007/s40830-020-00266-2)
• „A Combined Magneto-Mechanical Characterization Procedure for Magnetic Shape Memory Alloys“, ACTUATOR; International Conference and Exhibition on New Actuator Systems and Applications 2021, pp. 1-4
  F. Ehle, P. Neumeister, E. Haufe, and H. Neubert