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Aktor Lautlos Positionieren

| Autor / Redakteur: Alexander Czechowicz / Stefanie Michel

Lautlose, lineare Bewegungen: Das kann ein Antrieb mit Formgedächtnisdraht leisten. So setzt er Positionieraufgaben dort um, wo konventionelle elektrische Antriebe zu groß sind. Beim Halten der Position lässt sich zudem Energie sparen.

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Auf Basis eines Formgedächtnisdrahts wurden Entriegelungselemente entwickelt, die auf kleinstem Bauraum geräuschlos lineare Bewegungen ausführen.
Auf Basis eines Formgedächtnisdrahts wurden Entriegelungselemente entwickelt, die auf kleinstem Bauraum geräuschlos lineare Bewegungen ausführen.
(Bild: Hoffmann)
  • Gerade für Entriegelungsmechanismen oder feinwerktechnische Positionieraufgaben sind Elektromotoren oft zu groß. Ein Antrieb aus Formgedächtnisdraht hingegen findet in schmalen Bauteilen Platz.
  • Dieser Aktor bewegt Lasten bis 15 N und wiegt lediglich 10 g.
  • Je nach zugeführter elektrischer Leistung löst der Aktor langsamer oder schneller aus. Für Sicherheitsanwendungen kann das auch schneller als 100 ms sein.

Man hört nichts, und doch bewegt sich ein Entriegelungsmechanismus hin und her. Bei genauerem Hinsehen sucht man den Antrieb, das übliche würfelförmige Gebilde mit zuführenden Stromleitungen, vergebens. Und dann fällt der Blick auf ein flaches graues Stück Plastik mit einem gelben Schieber: den FG-Aktor One. Er sitzt im Schließdeckel eines Möbelstückes, direkt in der Tankdeckelentriegelung oder auf einem kleinen Ventilsitz. Ein kleiner Entriegelungsbolzen aus Hartkunststoff scheint wie von Geisterhand, da völlig geräuschfrei, linear hin- und herzufahren. Trotz der anliegenden Verriegelungskraft scheint es dem kleinen Aktor One überhaupt keine Mühe zu machen, eine Bewegung zu generieren. Warum auch? Er kann Lasten zwischen 5 und 15 N, in Sonderfällen sogar über 20 N mit Leichtigkeit um bis zu 4,5 mm bewegen. Damit eignet sich dieser Antrieb für Entriegelungs- und feinwerktechnische Positionieraufgaben.

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Das Geheimnis liegt in seinem Antriebsprinzip: einem Formgedächtnisdraht. Dieser Draht ist aus einem smarten Material, einer Memory-Legierung, gefertigt, die auf einen elektrischen Stromimpuls reagiert und diesen in Wärme umsetzt. Hieraus generiert der Formgedächtnisdraht eine linear regelbare Bewegung, bei welcher sich ein Stellweg sowohl als Zug- als auch Druckbewegung ergibt. Ein Vorteil ist die geringe Dicke des Bauteils von nur 6 mm. Damit kann der FG-One dort eingesetzt werden, wo die meisten anderen elektrischen Entriegelungsantriebe bei gleicher Kraft nicht hineinpassen würden.

Aktor ist leichter und kleiner als ein Elektromagnet

Allgemein zeichnen sich Formgedächtnislegierungen (eine NiTi-Legierung, auch als NiTinol bekannt) durch eine hohe Leistungsdichte aus: Ein Draht aus diesem Material mit nur 0,5 mm Durchmesser kann Zugkräfte bis zu 80 N dauerhaft generieren. Aber zurück zum FG-Aktor One: Der gesamte Aufbau, inklusive des smarten Drahtes, wiegt weniger als 10 g und spart damit 90 % Gewicht und mehr als 50 % Bauraum gegenüber einem Elektromagneten gleicher Leistungsklasse ein.

Ein besonders flexibler Einsatz in vielen Anwendungen ist möglich, weil sich die elektrische Inputleistung einstellen lässt. Bei geringer elektrischer Leistung von nur 3 W verfährt der Schieber sehr langsam und gleichmäßig zu seiner Endposition innerhalb weniger Sekunden. So kann man zum Beispiel kleine Ventilantriebe realisieren, die einen Drucksprung durch langsames Öffnen des Ventilsitzes vermeiden. Bei höherer Leistung (beispielsweise 20 W) kann der gleiche Aktor sogar schneller als in 100 ms auslösen. Diese Schnellentriegelung, die sich ideal für Sicherheitsanwendungen eignet, beruht auf der Tatsache, dass der FG-One kaum über eine eigene Masse verfügt und daher der schnellen Bewegung nur eine vernachlässigbare Massenträgheit entgegenwirkt. Somit können Notfallklappen, Sicherheitsventile oder Trennkontakte blitzschnell automatisiert betätigt werden.

Die ausgefahrene Position kann der intelligente Antrieb halten und zeigt seinen besonderen Vorteil: Durch die thermische Hysterese der genutzten Formgedächtnislegierung muss nur ein verschwindend geringer Bruchteil der elektrischen Halteleistung eingesetzt zu werden, um das System aktiv zu halten.

Antrieb als Plug-&-play-System einsetzbar

Ganz neu ist der Einsatz von Formgedächtnistechnik nicht: Seit der Jahrtausendwende haben sich bereits zahlreiche Anwendungen im Automobil, in der Heimelektronik und im Maschinenbau durchgesetzt. Neu ist jedoch der Einsatz von standardisierten Formgedächtnisaktoren, die über intelligente Schutzfunktionen verfügen. So erkennt der One automatisch Überlastung, seinen Funktionszustand und seine Endlage ohne den Einsatz von Steuerelektroniken. Dies erfolgt über eine intelligente Materialpaarung und konstruktive Ausgestaltung des Systems. Ziel dieser Idee ist es, einen Antrieb zur Verfügung zu stellen, der die Vorteile der Formgedächtnistechnik bietet, aber als Plug-&-play-System von Konstrukteuren, Produktentwicklern und Produktherstellern nach Datenblatt eingesetzt werden kann. Bislang zeigte sich die individuelle Entwicklung von FG-Aktoren als sehr problematisch, da viele Parameter empirisch ermittelt werden müssen, um Eigenschaften hinsichtlich Lebensdauer und Stellleistung abzusichern. Diese Entwicklungsarbeiten nimmt der FG-Aktor One ab. Er ist so ausgelegt, dass er bis zu 500.000 Schaltzyklen, je nach mechanischer Last, leisten kann.

Möchte man die Systemfähigkeiten erweitern, so ist demnächst eine passende Reglerelektronik als Evaluierungssystem erhältlich, die die linearen Stellpositionen mit einer Auflösung zwischen 0,1 und 0,5 mm ermöglicht. Diese nutzt den elektrischen Widerstand des FG-One, um die aktuelle Istposition des Aktors zu erfassen, um somit den Regelkreis zu schließen. Mit dieser Methode kann auf den Einsatz externer Sensoren verzichtet werden, um einen geregelten Aktor aufzubauen, der Störgrößen und Überlasten automatisch kompensiert.

Feedbacksysteme übermitteln Informationen über Druck

Der One kommt heute bereits in Pilotanwendungen zum Einsatz: So wird er in Entriegelungselementen im Maschinenbau eingesetzt, um den Benutzer vor einer Fehlfunktion zu schützen, daher werden diese Aktoren in gelben Farbe ausgeliefert.

Der Produzent des Aktors, die Kunststoffverarbeitung Hoffmann GmbH aus Heiligenhaus, erhofft sich langfristig Marktzugang zur Luftfahrttechnik; die Automobilindustrie sei bereits an dieser Lösung interessiert. Hier möchte man in Zukunft diese Elemente für adaptive Volumenelemente sowie für ein haptisches Feedbacksystem im Auto nutzen. Im letzteren Fall kann der kleine Aktor, den man hinter einem Schalter einfach verbauen kann, das Feedback eines Steuergerätes an den Fahrer in Form von Druck übermitteln. Diese Information kann der Fahrer nicht ignorieren. Somit können Bedienelemente dem Fahrer entgegenbewegt werden. Dadurch kann ein Systemzustand über einen herausgefahreren Schalter an den Fahrer kommuniziert werden – sowohl klassisch über die Finger (siehe Bild) als auch alternativ durch den Fahrzeugsitz, in dem ebenfalls die kleinen One-Aktoren verbaut werden können.

Kunststoffverarbeitung Hoffmann auf der Hannover Messe 2020: Halle 25, Stand H14 (Landesgemeinschaftsstand NRW)

* Dr. Alexander Czechowicz ist Leiter Entwicklung bei der Kunststoffverarbeitung Hoffmann GmbH in 42579 Heiligenhaus, Tel. (0 20 56) 5 86 90-0, entwicklung@hoffmann-kunststoffe.de

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