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Institute for Microtechnology - Technical University of Braunschweig - Germany

Gliederung

Einführung: Technik en miniatureBasis-Prozesse der MikrotechnologieSpezielle Technologien der MikromechanikDesign von MikrokomponentenMikrosensoren und MikroaktorenCase Studies

• Piezoresistive Sensorenþ Formgedächtnis-Aktoren• Magnetische Mikrosysteme• Optisches Mikrofon• Mikrofluidische Systeme• Mikroplasmaquellen


Formgedächtnis-Aktorprinzip

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Formgedächtniseffekte: Einwegeffekt

Die aktive Verformung findet nur beim Aufheizen des Aktorelementes statt. Für die Wiederholung des Aktoreffektes muss das Element im kalten Zustand durch eine äußere Kraft verformt werden.

Warmform einprägen

Aktorzyklus


Formgedächtniseffekte: Thermische Phasenumwandlung

Scherprozess, Bildung von

Zwillingsebenen

Austenit

Martensitentzwillingter

Martensitkalt-verformen

abkü

hlen erwärmen

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Formgedächtniseffekte: Extrinsischer Zweiwegeffekt

Warmform einprägen

Die Kraft, die das Aktorelement im kalten Zustand verformt, ist in den Gesamtaufbau integriert. Zum Zweiwegverhalten gehört auch das Differentialprinzip, bei dem zwei FGL-Aktorelemente gegeneinander wirken.

Aktorzyklus


Formgedächtniseffekte: Intrinsischer Zweiwegeffekt

Warmform einprägen

AktorzyklusTraining

Das FGL-Element kann durch bloße Temperaturänderung zwischen zwei Formen wechseln. Die Voraussetzung für die Verformung beim Abkühlen ist die Bildung bestimmter Martensitvarianten. Dadurch bleiben innere Gitterspannungen bestehen, die in einer äußeren Formänderung resultieren.

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Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen (1)

1 - 24 - 5relative Formänderung (Zweiweg) ε2W / %46 – 8,5relative Formänderung (Einweg) ε1W / %

7072

ca. 28ca. 83

MartensitAustenit

E-Modul E / 103 N⋅mm-2

600895zul. Spannung σzul /MPa

80350

70 – 140195 - 690

MartensitAustenit

Zugfestigkeit Rm / MPa

10 – 1540 - 50Bruchdehnung As / %

0,085 – 0,0970,71

MartensitAustenit

spezifischer ohmscher Widerstand ρel /Ω⋅µm

7,646,45Dichte ρ / g⋅cm-3

950 – 10201300Schmelztemperatur / °CCuZnAlNiTi


Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen (2)

ca. 10praktisch kein AbbauVerminderung der Effektgröße / %10.000>100.000Zahl der möglichen thermischen Zyklensprödehohe Duktilitätmechanische Eigenschaften

relativ hochgering: 1,75Wärmeleitfähigkeit λ / 103 W/(m⋅K)eingeschränktgutLangzeitstabilität

schlechtsehr gutKorrosionsbeständigkeit10 – 2015 - 25Hysteresebreite ΔT / °C

160 – 200400Überhitzbarkeit Tmax / °C12070 - 150max. As-Temperatur As max / °CKrzkrzGitterstruktur der Hochtemperaturphase

2 – 204 - 10relative Formänderung im superelastischen Bereich εSE / %

CuZnAlNiTi

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Formgedächtnislegierungen

Weitere Legierungen:Legierungen auf der Basis von Nickel und Titan(NiTi-Cu, NiTi-Fe, NiTi-Pd, NiTi-Pt, NiTi-Zr, NiTi-Hf)Legierungen auf der Basis von Kupfer(CuZn-X mit X = Si, Sn, Ga, Mn, CuAl-X mit X = Ni, Be, Zn, Mn, Cu-Sn)Legierungen auf der Basis von Eisen(Fe-Pt, Fe-Pd, FeNi-Al, Fe-Mn-Si, Fe-Ni-Co-Ti)AgCd, InTi, NiAl


Grippers for Micro Assembly

gripping jaw

shape memoryactuator

flexure hinges

Toggle-type gripper

shape memory actuator(opens gripper)

flexure hinges

shape memory actuator(closes gripper)

Differential-type gripper

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SMA Miniature Grippers

IWF Braunschweig


SMA Micro Gripper (1)

opensgripper

closesgripper

1mm

Linkage of parallel gripper

Compliant micro gripper fabricated by anisotropic silicon etching

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SMA Micro Gripper (2)

connector pad

clip activeelement

SMA actuator withmemorized flat shape

low temperature shapeinduced by mounting

actuation of one of the two elements

assembly of SMA actuator and silicon gripper


Mechanical Micro Grippers

Shape memory actuation

Micro pneumatic actuation

Gripper linkage with flexure hinges and differential type actuator

Fabricationsilicon linkage: deep RIESMA actuator: cutting by directlaser machining from SMA foil

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Grippers for Micro Assembly


Artificial Muscle Concept (1)

• Entwicklung eines mikrotechnologisch herstellbaren Aktorkonzeptes, das hohe Stellkräfte und große Stellwege mit einer flexiblen und kompakten Bauweise kombiniert.

• Strukturelle Nachahmung eines natürlichen Muskels, in dem zahlreiche identische Einzelelemente zusammenwirken.

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Handprothese mit FGL-DrähtenSMA/MEMS Research Group, Robotic Muscles, University of Alberta, 2001

Aktives EndoskopK. Otsuka: Science and Technology of SMA: New Developments. MRS Bulletin, 2002



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Artificial Muscle Concept (4)Parallele und serielle Verschaltung selektiv ansteuerbarer Einzelaktoren zu einem „Multiaktorsystem“ auf der Basis des Formgedächtniseffektes.

• Addition von Kräften und Stellwegen

parallele Verbindung

flexible Endplatte

(Einzel-) Aktorelement

serielleVerbindung

starre Endplatte

• Ausführung von flexiblen und weitreichenden Bewegungen

• Anpassung an unter-schiedliche Umgebungs-bedingungen durch einen individuellen Aufbau

• Einfaches und leistungs-starkes Aktorprinzip



single actuator parallel connection

serial connectionelement

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Artificial Muscle: The Single Actuator

Shape memory element, memorized high temperature shape

A single actuator: two mounted carrier elements with oneSMA-element on the top and the bottom side, respectively


Artificial Muscle: The Differential Type Concept

active SMA element

inactive SMA element

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FGL-Element

Mechanisch optimierte Geometrie auf der Basis eines natürlichen Vorbildes:„Eine Baumgabel in der Natur stellt eine Kerbe ohne Kerbspannungen dar“

[C. Matthek]


Serielles Verbindungselement• Übertragung der vertikalen Stellbewegung und -kraft• Möglichst geringe Beeinflussung der Beweglichkeit des Gesamtsystems• Gewährleistung der mechanischen Verbindung unter Berücksichtigung

der Strukturanordnungen

„Boss-Zapfen“

„Rahmen-Zapfen“

Parallele Verknüpfung der Verbindungselemente

Einzelaktoren und Verbindungselemente im Verbund

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Einsatzbereiche des Multiaktorsystems

• Online-Verformung von Flugzeugtragflächenmodellen im Windkanal (flächenhafte Anordnung)

• Stellelement in der Automobil- und Raumfahrttechnik • Handhabungseinrichtung in der Bio- oder Chemietechnologie• Einsatz in der Umwelttechnik, z. B. als Antrieb zum Entfernen von

Ablagerungen oder als Einrichtung zum Bewegen von Kameras und Werkzeugen in engen Kanälen

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