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Thermal shape memory alloys show extraordinary material properties and can be used as actuators, dampers and sensors. Since their discovery in the middle of the last century they have been investigated and further developed. The majority of the industrial applications with the highest material sales can still be found in the medical industry, where they are used due to their superelastic and thermal shape memory effect, e.g. as stents or as guidewires and tools in the minimal invasive surgery. Particularly in recent years, more and more applications have been developed for other industrial fields, e.g. for the household goods, civil engineering and automotive sector. In this context it is worth mentioning that for the latter sector, million seller series applications have found their way into some European automobile manufacturers. The German VDI guideline for shape memory alloys introduced in 2017 will give the material a further boost in application. Last but not least the new production technologies of additive manufacturing with metal laser sintering plants open up additional applications for these multifunctional materials. This paper gives an overview of the extraordinary material properties of shape memory components, shows examples of different applications and discusses European trends against the background of the most recent standard and new production technologies.
In automotive a lot of electromagnetically, pyrotechnically or mechanically driven actuators are integrated to run comfort systems and to control safety systems in modern passenger cars. Using shape memory alloys (SMA) the existing systems could be simplified, performing the same function through new mechanisms with reduced size, weight, and costs. A drawback for the use of SMA in safety systems is the lack of materials knowledge concerning the durability of the switching function (long-time stability of the shape memory effect). Pedestrian safety systems play a significant role to reduce injuries and fatal casualties caused by accidents. One automotive safety system for pedestrian protection is the bonnet lifting system. Based on such an application, this article gives an introduction to existing bonnet lifting systems for pedestrian protection, describes the use of quick changing shape memory actuators and the results of the study concerning the long-time stability of the tested NiTi-wires. These wires were trained, exposed up to 4years at elevated temperatures (up to 140°C) and tested regarding their phase change temperatures, times, and strokes. For example, it was found that A P-temperature is shifted toward higher temperatures with longer exposing periods and higher temperatures. However, in the functional testing plant a delay in the switching time could not be detected. This article gives some answers concerning the long-time stability of NiTi-wires that were missing till now. With this knowledge, the number of future automotive applications using SMA can be increased. It can be concluded, that the use of quick changing shape memory actuators in safety systems could simplify the mechanism, reduce maintenance and manufacturing costs and should be insertable also for other automotive applications.
Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines Linearantriebes mittels Formge-dächtnislegierungen (FGL) zur Knochenverlängerung und Defektüberbrückung ent-sprechend der Methode nach Betz und Baumgart. Der zu entwickelnde Linearantrieb sollte im Idealfall folgende Eigenschaften aufweisen: • mechanisch einfach aufgebaut • leicht zu miniaturisieren • großer Arbeitsweg • variable Positionierung • hohe Leistung • kostengünstig Zur Entwicklung eines derartigen FG-Marknagels sollten die folgenden Teilprobleme gelöst werden: • Auswahl einer geeigneten FGL zur Realisierung der benötigten Kräfte innerhalb der möglichen Temperaturdifferenz • Auswahl der Heizspirale und Messung der Aufheiztemperaturen an der Marknagel-oberfläche • Ausarbeiten der konstruktiven Lösung hinsichtlich der ermittelten Werte bezüglich des Verhältnisses Kraft/Weg • Werkstoffauswahl hinsichtlich der Implantierbarkeit, der Schweißbarkeit mit Laser und der Aufheizung • Mechanische Sicherung (Arretiermechanismus) bei Belastung der Extremität durch den Patienten und Entwicklung eines Rückstellmechanismus • Verbindungstechnik der Komponenten • Erprobung der entwickelten Prototypen in Labortests
Entwicklung einer neuartigen Prüfanlage zur Prüfung von Bauelementen aus Formgedächtnisteilen
(2004)
Im Rahmen des Forschungsvorhabens, unterstützt durch das Förderprogramm des BMBF „Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung an Fachhochschulen“ (aFuE), soll eine voll automatisierte, universale Prüfanlage gebaut werden mit deren Hilfe es möglich ist, das Verhalten von Formgedächtnislegierungen (FGL) bei der Variation verschiedener Parameter zu ermitteln. Die Prüfanlage soll in erster Linie sehr genau die Phasenumwandlungstemperaturen der Formgedächtnislegierungen ermitteln, um damit einen tieferen Einblick in die metallkundlichen Hintergründe zu gewinnen. Aber es gibt auch weitere Anwendungen wie zum Beispiel das so genannte „Training“, indem man durch gezielte thermische und mechanische Belastungen den FGL verschiedene Formgedächtniseffekte trainiert. Ein weiteres Ziel des Forschungsvorhabens ist das Erstellen einer Prüfnorm für FGL die den gesamten Prüfablauf dokumentieren und ergänzen wird. Letztendlich soll die Prüfeinrichtung eine Plattform für die Weiterentwicklung der existierenden FG-Anwendungen sein, sowie die Einsatzmöglichkeiten dieser Werkstoffe zu erweitern. Da es derzeit keine Normung für Bauteile aus FGL gibt, soll in den erfolgten Tests ein Vorschlag für eine FG-Normung gemacht werden. Förderkennziffer 17 092 02
Schlussbericht Verbundprojekt "Verfahren zur Schwermetallelimination in sauren Beizabwässern"
(2003)
Im Vorhaben zur "Schwermetallelimination aus sauren Beizabwässern" sollen zwei 2-stufige Laborreaktoren aufgebaut und betrieben werden, um in diesem Maßstab, die zur Reinigung der Abwässer notwendigen mikrobiologischen, physikalisch-chemischen und biophysikalischen Prozesse zu optimieren. Schadstoffabbau, Schwermetallausfällung und Biosorption wurden in einem Durchflusssystem so aufeinander abgestimmt, daß bei minimaler Verweilzeit die mikrobiellen Umsetzungen von Nitrat zu molekularem Stickstoff (Denitrifikation) und von Sulfat zu Sulfid (Sulfatreduktion) ablaufen und dabei die Schwermetalle als Hydroxide, Carbonate oder Sulfide effizient ausgefällt werden. Dabei muß außerdem die Versorgung der Mikroorganismen durch eine eigene Kohlenstoff- und Energiequelle gewährleistet sein. Die auf der Laborreaktorebene gewonnenen Erkenntnisse sollten dann in den Technikumsmaßstab (100 1) übertragen werden. Nach der Erprobung dieser Anlage im Dauerbetrieb und Ausweitung der gewonnenen Erfährungen sollte eine industrielle Anlage (300 1) konzipiert werden. Als erstes Ziel war ein Nitratabbau von 3500 mg NO3/l d angestrebt, während als weitergehendes Ziel eine flexible Strategie zur Prozeßführung bei variierenden Konzentrationen der Abwasserinhaltsstoffe unter Einhaltung der durch den Rahmen-Abwasser-VwV Anhang 40 vorgeschriebenen Einleitungsgrenzwerte ermittelt werden sollte
In Ländern mit aridem Klima, z.B. in Dürregebieten, und nicht flächendeckender Energieversorgung stellt der Antrieb von Pumpen zur landwirtschaftlichen Bewässerung und zur Trinkwasserversorgung ein erhebliches Problem dar. Bisherige Bewässerungsanlagen arbeiten größtenteils mit Dieselgeneratoren, welche die Umwelt mit Emissionen belasten und zur Verstärkung des weltweiten Treibhauseffektes führen, oder über photovoltaisch betriebene Anlagen. Letztere sind in der Anschaffung sehr kostenintensiv und aufgrund ihrer Funktionsweise gegenüber Störeinwirkungen sehr anfällig. Gerade in den sogenannten Dritte-Welt-Ländern, in denen in der Regel kein geschultes Fachpersonal für Wartungsarbeiten bereitsteht, ist der Ausfall der Anlagen schon kurz nach der Inbetriebnahme eine häufig berichtete Tatsache. Im Werkstoffprüflabor der HTWG Konstanz wurde ein System zur energieautonomen Wasserförderung entwickelt, bei der zum Antrieb der Pumpen Formgedächtnislegierungen (FGL) verwendet werden [1, 2]. Bei Sonnenschein arbeitet diese geplante Bewässerungsanlage völlig energieautonom: Die Wärmeenergie der Sonne wird durch die FG-Drähte direkt in mechanische Energie umgewandelt und betreibt die Bewässerungspumpen. Die Vorteile dieses einfachen Prinzips liegen in der Bedienerfreundlichkeit, Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit der Anlage wie auch in der Fle-xibilität bezüglich weiterer Anwendungsfälle der modular einsetzbaren Wärmekraftmaschine in Industrie und Klimatechnik. Der angestrebte Einsatz von derartigen Anlagen würde zu einer entsprechenden Entlastung der immer stärker mit Emissionen belasteten Umwelt führen. Das überaus große Interesse an diesen Forschungsarbeiten sowie an einem Transfer der Bewässerungsanlage in die Industrie zeigte sich auch schon während früherer Teilnahmen an Messen, Tagungen und Konferenzen. Die Konkurrenzfähigkeit dieser sowohl neuartigen als auch sehr einfachen Systemlösung wurde, ausgehend von den damals zur Verfügung stehenden Ergebnissen, in einer bereits durchgeführten Studie nachgewiesen [2]. Im einzelnen sollten in diesem Projekt neben den anstehenden wissenschaftlichen Untersuchungen zwei Versuchsanlagen konstruiert und gefertigt werden. Dadurch sollten die nötigen Erkenntnisse gewonnen werden, um diese innovative Erfindung zu einem späteren Zeitpunkt zu einer transferfähigen Anlage fertig zu entwickeln. Diese beiden Prototypen bauen auf den bisherigen Arbeiten in diesem Projekt auf, die mit Erfolg gezeigt haben, daß das entwickelte Prinzip sehr gut funktioniert. Ziel dieses Projektes war es also, diese neuartige, innovative Wärmekraftmaschine weiterzuentwickeln, zu optimieren und die nötigen Erkenntnisse zu gewinnen, um diese Anlage nach Abschluß dieses aFuE-Projektes in Zusammenarbeit mit der beteiligten oder neu zu gründenden Firmen zur Serienreife zu bringen. Ein damit eng verbundenes, weiteres Ziel lag in der Entwicklung einer modular einsetzbaren Wärmekraftmaschine, die dann auch für die anderen nachfolgend genannten Anwendungsgebiete verwendet werden kann: • Meerwasserentsalzung • Klimatisierungstechnik • Antrieb der Pumpen bei geothermischer Wärmeeinbringung • Energierückgewinnung aus Wärmequellen (z.B. Geysire in Island) • Energierückgewinnung in industriellen Kühlwasserkreisläufen • Energierückgewinnung in der Verfahrenstechnik • Restwärmenutzung bei konventioneller Energieerzeugung.
Der Einsatz von adaptiv arbeitenden Sicherheitssystemen im Kraftfahrzeugbereich wird ständig zunehmen. Im vorliegenden Projekt soll ein einfach arbeitendes und schnellschaltendendes Aktorprinzip mit Hilfe des Einsatzes von Formgedächtniselementen realisiert werden. Ein solch kostengünstiges und sehr sicher arbeitendes System wird nicht nur vorhandene teure und aufwendige Systeme ersetzen können, sondern es wird auch durch die hohe Integrierbarkeit und günstige Recyclebarkeit den Einsatz von Aktoren im Kraftfahrzeugbereich erhöhen. Gegenstand dieses Projektes ist die werkstoffkundliche Entwicklung eines adaptiven Sicherheitssystems mit Formgedächtnislegierungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen. Durch die spontane Umwandlung der FGL beim Überschreiten einer kritischen Temperatur, können sehr schnell und funktionssicher Linearbewegungen ausgeführt werden. Das Problem der Langzeitstabilität des Formgedächtniseffektes soll in diesem Forschungsvorhaben betrachtet werden. Hierzu werden durch Auslagerungsversuche sowohl die Auswirkungen von Ausscheidungen, als auch die metallkundlichen Hintergründe für die Entstehung der Ausscheidungen betrachtet. Durch die Kenntnis der ablaufenden Vorgänge sollte es möglich sein Legierungen einzusetzen, welche die erforderliche Langzeitstabilität aufweisen. In einem weiteren Projektschritt sollen Schnellerwärmungssysteme entwickelt und erprobt werden, die es ermöglichen mit dem vorhandenen Bordstromnetz eine schnellstmögliche und sichere Erwärmung der FG-Elemente zu gewährleisten.