SFB 459:  Formgedächtnistechnik: Grundlagen, Konstruktion, Fertigung

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2000 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5483976

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Formgedächtniseffekt (FGE) fasziniert durch die Eigenschaft, dass einige Werkstoffe nur durch Erwärmen aus einer beliebig verbogenen Form in eine fest eingeprägte Ausgangsgestalt zurückkehren. In diesem Effekt steckt ein großes technisches Potential für Antriebe (Aktoren), den Wärmetransport und Anwendungen, bei denen z. B. ein gummiartiges Verhalten von Metallen hilfreich ist. Der Sonderforschungsbereich (SFB) 459 wurde gegründet, eine Vielzahl wissenschaftlicher und technischer Probleme, die einer breiten Anwendung der Formgedächtnistechnik im Wege standen, zu lösen. Im Laufe der 12jährigen Förderung durch die DFG und das Land NRW wurden entscheidende, international beachtete Fortschritte erzielt. Diese ermöglichen heute die z. B. kostengünstigere Herstellung medizinischer Produkte mit FGE mit genau vorhersagbaren Eigenschaften. Der SFB 459 konnte klären, aufgrund welcher Mechanismen auf atomarer Ebene der FGE bei wiederholter Anwendung immer schlechter wird. Als Ergebnis konnten Formgedächtnislegierungen mit viel geringerem Ermüdungsverhalten hergestellt werden. In diesem Zusammenhang wurden auch bedeutende Fortschritte in der schmelzmetallurgischen Herstellung und erzielt. Durch Abwandlung der bisherigen Verfahren wurde eine deutliche Reduktion von Fremdphasen erreicht, wodurch nicht nur die Lebensdauer von Formgedächtnisbauteilen stark erhöht wurde: Es konnte auch die bislang unbekannte Ursache für ein unerwünschtes mehrstufiges Schalten des FGE in Anwendungen beseitigt werden. Weiterhin wurde die pulvermetallurgische Herstellung von Formgedächtnisbauteilen durch Spritzgießen oder Lasersintern zur Anwendungsreife gebracht. Hierdurch lassen sich wesentlich komplexere Bauteile mit Formgedächtniseffekt mit geringerem Materialaufwand herstellen. Auch das Verschweißen von Formgedächtnislegierungen mit anderen Materialien wurde erfolgreich erprobt. Es wurde eine Fülle von Materialdaten und Konstruktionsprinzipen für die praktische Auslegung von Komponenten ermittelt. Die im SFB 459 entwickelten Materialmodelle erlauben heute, die Eigenschaften von komplexen Formgedächtnisbauteilen vorauszuberechnen. Aufwändige Untersuchungen im SFB 459 zur Korrosion und Biokompatibilität von NiTi-Formgedächtnislegierungen rechtfertigen trotz des Nickelanteils in der Legierung den Einsatz als Implantatmaterial, das aufgrund des besonderen gummiartigen Verhaltens speziell für die minimalinvasive Chirurgie geeignet ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Creep Behavior of NiTi Shape Memory Alloys and the Effect of Pre-Creep on Martensitic Phase Transformation, in: Materials Science Forum (Trans. Tech. Publications, Switzerland), 327-328 (2000) pp. 183-186
  G.F. Eggeler, K. Neuking, A. Dlouhy, E. Kobus
  
• Damping of Superelastic NiTi-Alloys under Torsional Loading; Shape Memory Materials and its Applications, Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies and Shape Memory Materials SMST-SMM 2001,Trans Tech Publications Ltd, Uetikon/Zürich (2001)
  W. Predki, M. Klönne
  
• Influence of precipitation and dislocation substructure on phase transformation temperatures in a Ni-rich NiTi shape memory alloy, J. Phys. IV France, 11 (2001) Pr8 pp. 529-534
  J. K. Allafi, A. Dlouhy, K. Neuking, G. Eggeler
  
• Microstructure and Tensile Properties of two Binary NiTi-Alloys, Scripta mater., 44 (2001) pp. 171-178)
  E. Hornbogen, V. Mertinger, D. Wurzel
  
• Damping of Superelastic NiTi-Alloys under Torsional Loading, SMST 2001, Materials Science Forum, 394-395 (2002) pp. 115-118
  Predki, M. Kloenne
  
• Easy assessment of the biocompatibility of Ni-Ti alloys by in vitro cell culture experiments on a functionally graded Ni-NiTi-Ti material, Biomaterials, 23 (2002) pp. 4549-4555
  D. Bogdanski, M. Köller, D. Müller, G. Muhr, M. Bram, H. P. Buchkremer, D. Stöver, J. Choi, M. Epple
  
• Fertigungsgerechte, wissensbasierte Konstruktion in der Formgedächtnistechnik, Konstruktion, 10 (2002) pp. 59-62
  E. Welp, J. Breidert, K. Weinert, M. Buschka, V. Petzoldt
  
• Neutron diffraction phase analysis during thermal cycling of a Ni-rich NiTi shape memory alloy using the Rietveld method, Scripta Mater., 46 (2002) pp. 543-548
  H. Sitepu, W.W. Schmahl, J. Khalil Allafi, G. Eggeler, A. Dlouhy, D.M. Többens, M. Tovar
  
• Powder Metallurgical Fabrication Processes for NiTi Shape Memory Alloy Parts, Mater. Sci. Eng. A, 337 (2002) pp. 254-263
  M. Bram, A. Ahmad-Khanlou, A. Heckmann, B. Fuchs, H. Buchkremer, D. Stöver
  
• Texture and Quantitative Phase Analysis of Aged Ni-Rich NiTi using X-Ray and Neutron Diffractions, SMST 2001, Materials Science Forum, 394-395 (2002) pp. 237-240
  H. Sitepu, W.W. Schmahl, J. Khalil Allafi, G. Eggeler, T. Reinecke, H.G. Brokmeier, M. Tovar, D.M. Többens
  
• The mechanism of multiple step martensitic transformations in Ni-rich NiTi shape memory alloys, Acta Mater., 50 (2002) pp. 793-803
  J. Khalil Allafi, X. Ren, G. Eggeler
  
• Composites of different shape memory alloys and polymers for complex actuator motion, J. Phys. IV, 112 (2003) pp. 1163-1168
  B. Winzek, T. Sterzl, H. Rumpf, E. Quandt
  
• Crack initiation and propagation in 50.9 at.% Ni-Ti pseudo elastic shape-memory wires in bending-rotation fatigue, Met. Mat. Trans. A, 34 (2003) pp. 2847-2860
  T. Sawaguchi, G. Kausträter, A. Yawny, M. Wagner, G. Eggeler
  
• Fatigue of orthodontic Nickel-Titanium (NiTi) wires in different fluids under constant mechanical stress, Materials Science and Engineering A, 378 (2003) pp. 110-114
  O. Prymak, A. Klocke, B. Kahl-Nielke, M. Epple
  
• Hot Isostatic Pressing (HIP) of Elemental Powder Mixtures and Prealloyed Powder for NiTi Shape Memory Parts, Advanced Engineering Materials, 5 (2003) pp. 918-924
  E. Schüller, O. Hamed, M. Bram, D. Sebold, H.P. Buchkremer, D. Stöver
  
• Multiple-step martensitic transformations in Ni-rich NiTi alloys - an in-situ transmission electron microscopy investigation, Phil.Mag., 83 (2003) pp. 339-363
  A. Dlouhy, J. Khalil-Allafi, G. Eggeler
  
• Phase Fractions of B2, B19', R-Phase and Ni4Ti3 in NiTi Alloys during Two-Step Phase Transformations, J. de Physique IV, 112 (2003) pp. 811-814
  H. Sitepu, W. W. Schmahl, T. Reinecke, J. Khalil Allafi , G. Eggeler
  
• Superelastic NiTi-Alloys under Torsional Loading, J. de Physique IV, 112 (2003) pp. 807-810
  W. Predki, M. Klönne
  
• A micromechanical model for polycrystalline shape-memory alloys, Materials Sience and Engineering A, 378 (2004) pp. 503-506
  K. Hackl, M. Schmidt-Baldassari, W. Zhang
  
• Electrolytic processing of NiTi shape memory alloys, Materials Science and Engineering A, 378 (2004) pp. 191-199
  M. Pohl, C. Hessing, J. Frenzel
  
• High Quality Vacuum Induction Melting of Small Quantities of NiTi Shape Memory Alloys in Graphite Crucibles, Journal of Alloys and Compounds, 385 (2004) pp. 214-223
  J. Frenzel, Z. Zhang, K. Neuking, G. Eggeler
  
• Machining of NiTi Based Shape Memory Alloys; Materials Science and Engineering A, 378 (2004) pp. 180-184
  K. Weinert, V. Petzoldt
  
• Multiple-step martensitic transformations in Ni-rich NiTi shape memory alloys, Scripta Mater., 50 (2004) pp. 187-192
  M.C. Carroll, Ch. Somsen, G. Eggeler
  
• Recent developments in shape memory thin film technology, Mater. Sci. and Eng. A, 378 (2004) pp. 40- 46
  B. Winzek, S. Schmitz, H. Rumpf, T. Sterzl, R. Hassdorf, S. Thienhaus, J. Feydt, M. Moske, E. Quandt,
  
• Structural and functional fatigue of NiTi shape memory alloys, Mat. Sci. Eng. A, 378 (2004) pp. 24-33
  G. Eggeler, E. Hornbogen, A. Yawny, A. Heckmann, M. Wagner
  
• Structural fatigue of pseudoelastic NiTi shape memory wires, Mat. Sci. Eng. A, 378 (2004) pp. 105-109
  M. Wagner, T. Sawaguchi, G. Kausträter, D. Höffken, G. Eggeler
  
• Surface energies and size-effects in shapememory-alloys, Mat. Sci. Eng. A, 378 (2004) pp. 499-502
  K. Hackl, M.Schmidt-Baldassari, W. Zhang, G. Eggeler
  
• Metal Injection Molding for Prealloyed NiTi Shape Memory Alloys, Journal of Material Science, 40 (2005) pp. 4231-4238
  E. Schüller, L. Krone, M. Bram, H.-P. Buchkremer D. Stöver
  
• On the Reaction between NiTi Melts and Crucible Graphite during Vacuum Induction Melting of NiTi Shape Memory Alloys, Acta Mater., 53 (2005) pp. 3971-3985
  Z. Zhang, J. Frenzel, K. Neuking, G. Eggeler
  
• Improvement of mechanical properties of powder metallurgical NiTi Shape Memory Alloys, Advanced Engineering Materials,8 (2006) pp. 247-252
  J. Mentz, M. Bram, H.-P. Buchkremer, D. Stöver
  
• Vacuum Induction Melting of Ternary NiTiX (X = Cu, Fe, Hf, Zr) Shape Memory Alloys Using Graphite Crucibles, Materials Transactions JIM, 48 (2006) pp. 661-669
  Z. Zhang, J. Frenzel, K. Neuking, G. Eggeler
  
• Evaluation of NiTi as a carrier material for human mesenchymal stem cells, Langenbecks Arch. Surg., 392 (2007) pp. 813
  T. Habijan, M. Köhl, O. Bremm, S.A. Esenwein, D. Stöver, G. Muhr, M. Köller
  
• On the Influence of Carbon on Martensitic Phase Transformations in NiTi Shape Memory Alloys, Acta Mater., 55 (2007) pp. 1331-1341
  J. Frenzel, Z. Zhang, C. Somsen, K. Neuking, G. Eggeler
  
• Functional Fatigue of Shape Memory Polymers, Advanced Engineering Materials, 10 (2008) pp.922-927
  C. Schmidt, K. Neuking, G. Eggeler
  
• Lattice stability, elastic constants and macroscopic moduli of NiTi martensites from first principles, Acta Materialia, 56 (2008) pp. 6232-6245
  M. F.-X. Wagner, W. Windl
  
• Powder metallurgical processing of NiTi shape memory alloys with elevated transformation temperatures, Mat. Sci. Eng. A, 491 (2008) pp. 270-278
  J. Mentz, J. Frenzel, F.-X. Wagner, K. Neuking, G. Eggeler, H.-P. Buchkremer, D. Stöver
  
• Fracture mechanics and microstructure in NiTi shape memory alloys, Acta Materialia, 57 (2009) pp. 1015-1025
  S. Gollerthan, M. L. Young, A. Baruj, J. Frenzel, W. W. Schmahl, G. Eggeler
  
• Mesoscale kinetics produces martensitic microstructure, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 57 (2009) pp. 109-121
  O. Kastner, G. J. Ackland
  
• Microstructural evolution during multiaxial deformation of pseudoelastic NiTi studied by first-principles-based micromechanical modeling, Acta Materialia, 57 (2009) pp. 3856-3867
  R. Heinen, K. Hackl, W. Windl, M. F.-X. Wagner
  
• Influence of Ni on martensitic phase transformations in NiTi shape memory alloys, Acta Materialia, 58 (2010) pp. 3444-3458
  J. Frenzel, E. P. George, A. Dlouhy, C. Somsen, M. F.-X. Wagner, G. Eggeler