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Smart Materials Schwingungsdämpfung in Werkzeugmaschinen

Autor / Redakteur: Christian Brecher und andere / Mag. Victoria Sonnenberg

Das WZL und das FGW-IFW untersuchen das Dämpfungsverhalten von Formgedächtnislegierungen. Im Fokus stehen die Einsatzmöglichkeiten als Dämpfungselement innerhalb von Werkzeugmaschinen.

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Bild 1: Smart Materials wie Formgedächtnislegierungen bieten durch ihre besonderen Eigenschaften das Potenzial für innovative technische Lösungen.
Bild 1: Smart Materials wie Formgedächtnislegierungen bieten durch ihre besonderen Eigenschaften das Potenzial für innovative technische Lösungen.
(Bild: WZL/FGW)

In vielen technischen Bereichen werden Weiterentwicklungen immer stärker auf Basis von intelligenten Funktionswerkstoffen betrieben [1]. Durch die besonderen und gezielt beeinflussbaren Eigenschaften dieser Materialien bestehen neue Möglichkeiten für technische Innovationen und damit das Potenzial für erhebliche Vereinfachungen, Kosteneinsparungen und Marktwachstum.

Zu diesen intelligenten Werkstoffen zählen Formgedächtnislegierungen. Der Einsatz dieser Werkstoffe erfolgt im industriellen Bereich zurzeit überwiegend für aktorische Anwendungen. Allerdings bieten die Eigenschaften zusätzliche Möglichkeiten zur Herstellung von hochflexiblen und dämpfenden Elementen. Diese hochflexiblen Elemente kommen zum jetzigen Zeitpunkt vermehrt im medizinischen Bereich zum Einsatz [2]. Eine vielversprechende Nutzung im industriellen Bereich besteht in der Dämpfung von Werkzeugschwingungen.

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FGL weisen Pseudoplastizität und Pseudoelastizität auf

Formgedächtnislegierungen (FGL) sind multifunktionale Werkstoffe, die besondere elastische, sensorische sowie aktorische Eigenschaften aufweisen. Der Name Formgedächtnis steht dabei für die Eigenschaft des Werkstoffs sich an eine zuvor eingenommene Form zu erinnern. Die Materialien weisen zwei unterschiedliche Effekte auf. Die Pseudoplastizität, welche hervorgerufen wird, wenn die Formerinnerung durch eine Materialerwärmung erfolgt und die Pseudoelastizität, welche infolge mechanischer Triebkräfte verursacht wird.

Beide Effekte basieren auf einer kristallographisch reversiblen Martensit-Austenit-Phasenumwandlung [2]. Dabei wird die Hochtemperaturphase als Austenit und die Niedertemperaturphase als Martensit bezeichnet. Die Reversibilität der Umwandlung ist die wichtigste Voraussetzung für das Auftreten von Formgedächtniseffekten. Daher muss dieser Vorgang in einem Temperaturbereich ablaufen, innerhalb dessen noch keine Diffusion vorliegt, das heißt es findet kein Platzwechsel von Atomen statt. Die Umwandlungstemperaturen einer bestimmten Gruppe von Legierungssystemen (zum Beispiel NiTi, CuZn, AlNi) liegen dabei so tief, dass eine diffusionslose Umwandlung stattfinden kann [1].

Vorteile von FGL

Unter den positiven Eigenschaften des Formgedächtniseffekts sticht vor allem die hohe Energiedichte hervor. Weitere Vorteile von FGL sind unter anderem die hohe Korrosionsbeständigkeit, eine geräuschlose Umwandlung und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit. Das Einsatzpotenzial von FG-Materialien wird zusätzlich durch die Eigenschaft der Änderung des elektrischen Widerstandes während der Phasenumwandlung erhöht. Anhand einer Widerstandskurve lassen sich Einflüsse auf die Phasenumwandlung detektieren, wodurch das entsprechende Element zusätzlich als Sensor verwendet werden kann [2].

Bei FGL ist das Spannungs-Dehnungs-Verhalten wesentlich stärker von der jeweiligen Temperatur abhängig als bei herkömmlichen metallischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Baustahl. Aufgrund des unterschiedlichen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens von FGL in verschiedenen Temperaturbereichen tritt der FG-Effekt in verschiedenen Formen auf. Für aktorische Anwendungen sowie Verbindungselemente eignet sich der thermisch hervorgerufene Formgedächtniseffekt, auf dessen Grundlage bereits Anwendungen im industriellen Bereich bestehen. Der pseudoelastische Effekt infolge der spannungsinduzierten Martensitumwandlung kommt im Vergleich dazu bisher vor allem im medizinischen Bereich aufgrund der guten Biokompatibilität zur Anwendung, zum Beispiel für Knochenklammern [5] oder Stents [1]. Im industriellen Bereich wird der pseudoelastische Materialeffekt bisher kaum genutzt.

Durch die Ausnutzung des pseudoelastischen Effekts kann eine sehr hohe, fast gummiartige Elastizität erreicht werden. Es lassen sich elastische Dehnungen von bis zu 10 % realisieren. Das pseudoelastische Umwandlungsverhalten ist in Bild 2 dargestellt.

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