Das Material ist die Maschine

Der Formgedächtniseffekt

Eine Formgedächtnislegierung kann im kalten Zustand verformt werden und kehrt durch Erhitzen selbstständig in ihren "Formgedächtnis"-Zustand zurück.

Ein Material mit zwei Gesichtern

Noch mehr Funktion auf immer weniger Raum – dies ist die Herausforderung der Industrie in vielen Bereichen. memetis ermöglicht durch den Einsatz gezielt strukturierter Dünnschichten aus Formgedächtnislegierung (FGL) platzsparende und leistungsstarke Mikroaktoren. Eine Formgedächtnislegierung (FGL) wird auch als Smart Material oder Memorymetall bezeichnet. Dies ist auf ihre Fähigkeit der "Erinnerung" an seine Ursprungsgestalt zurückzuführen. Aktoren sind Bauteile, welche eine Bewegung oder Aktion auf kleinstem Raum ausführen. Die Dünnschichtaktoren von memetis existieren bei ungleichen Temperaturen in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen und „erinnern“ sich an eine frühere Formgebung auch nach starker Verformung. Somit ist eine Formgedächtnislegierung eine metallische Legierung, die sich im kalten Zustand leicht verformen lässt, zum Beispiel durch Druck. Sobald man sie jedoch erhitzt, etwa durch einen Stromimpuls, geht sie in ihren Ursprungszustand, in ihr „Formgedächtnis“ zurück - der sogenannte Formgedächtniseffekt. Dabei kommen Kräfte zum Tragen, die gezielt zur Steuerung von Bewegungen bei Kleinstkomponenten eingesetzt werden können. Dieses Verhalten nutzt die memetis GmbH für ihre Arbeit.

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Der Formgedächtnis­effekt
Illustrativ

  • Martensit (Tieftemperaturphase)

    Im kalten Zustand lässt sich die Formgedächtnislegierung leicht verformen, indem sie einwirkenden Kräften (z.B. durch ein Gewicht) nachgibt.

  • Martensit (Tieftemperaturphase)

    Im kalten Zustand lässt sich die Formgedächtnislegierung leicht verformen, indem sie einwirkenden Kräften (z.B. durch ein Gewicht) nachgibt.

  • Martensit (Tieftemperaturphase)

    Im kalten Zustand lässt sich die Formgedächtnislegierung leicht verformen, indem sie einwirkenden Kräften (z.B. durch ein Gewicht) nachgibt.

  • Phasenumwandlung

    Bei zunehmender Erwärmung der Formgedächtnislegierung wandelt sich die Mikrostruktur des Materials in Austenit um und nimmt ihr "Formgedächtnis" an.

  • Phasenumwandlung

    Bei zunehmender Erwärmung der Formgedächtnislegierung wandelt sich die Mikrostruktur des Materials in Austenit um und nimmt ihr "Formgedächtnis" an.

  • Phasenumwandlung

    Bei zunehmender Erwärmung der Formgedächtnislegierung wandelt sich die Mikrostruktur des Materials in Austenit um und nimmt ihr "Formgedächtnis" an.

  • Austenit (Hochtemperaturphase)

    Wird eine gewisse Temperatur überschritten, entfaltet die Formgedächtnislegierung ihre volle Kraft. Das Material erinnert sich in dieser Hochtemperaturphase exakt an eine äußere Gestalt.

  • Austenit (Hochtemperaturphase)

    Wird eine gewisse Temperatur überschritten, entfaltet die Formgedächtnislegierung ihre volle Kraft. Das Material erinnert sich in dieser Hochtemperaturphase exakt an eine äußere Gestalt.

  • Austenit (Hochtemperaturphase)

    Wird eine gewisse Temperatur überschritten, entfaltet die Formgedächtnislegierung ihre volle Kraft. Das Material erinnert sich in dieser Hochtemperaturphase exakt an eine äußere Gestalt.

  • Austenit (Hochtemperaturphase)

    Wird eine gewisse Temperatur überschritten, entfaltet die Formgedächtnislegierung ihre volle Kraft. Das Material erinnert sich in dieser Hochtemperaturphase exakt an eine äußere Gestalt.

In der Diagnostik und Analytik gibt es vor allem im Bereich der Mikrofluidik den Trend zur Miniaturisierung und erhöhter Portabilität bei gleichbleibendem oder gar gesteigertem Funktionsumfang. Sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme sollen komplexe Analysen auf kleinstem Raum ermöglichen – smart, handlich und dezentral einsetzbar. Fokus der memetis GmbH ist es, ein solches System durch folienbasierte Miniatur-Aktoren aus Formgedächtnislegierungen in Form von Ventilen und Aktoren noch intelligenter und für ein breites Spektrum an Anwendungen verfügbar zu machen. Die folienbasierte Formgedächtnislegierung bringt dabei Vorteile der einfachen Integrierbarkeit und der hohen Leistungsdichte mit sich. Anwendungen mit ähnliche Anforderungen an die Bauteilkompaktheit finden sich jedoch auch im Bereich der Automatisierungstechnik, z.B. in der Robotik.

Weitere Informationen zur Formgedächtnisaktorik

Formgedächtnisaktorik ist unsere Kernkompetenz - gerne stehen wir unseren Kunden und Interessenten bei jeglichen Fragen zur Seite. ​Bei weitergehendem Interesse am Formgedächtniseffekt, Formgedächtnislegierungen und unserer Arbeit verweisen wir auf die folgenden Publikationen:

  • C. Megnin, B. Moradi, J. Zuern, H. Ossmer, M. Gueltig,
    M. Kohl; Shape memory alloy based controllable multi-port microvalve; Springer-Verlag GmbH; 2019
  • H. Ossmer, F. Wendler, M. Gueltig, F. Lambrecht, S. Miyazaki, M. Kohl; Energy-efficient miniature-scale heat pumping based on shape memory alloys; Smart Materials and Structures; vol. 25, pp. 1-13, 2016;
  • M. Gueltig, H. Ossmer, M. Ohtsuka, H. Miki, K. Tsuchiya, T. Takagi, and M. Kohl; Thermomagnetic Actuation by Low Hysteresis Metamagnetic Ni-Co-Mn-In Films; Materials Today: Proceedings; vol. 2, pp. S883–S886, 2015
  • C. Megnin, M. Kohl; Shape memory alloy microvalves for a fluidic control system; Journal of Micromechanics and Microengineering; vol. 24; pp. 025001, 2014;
  • M. Kohl, M. Gueltig, V. Pinneker, R. Yin, F. Wendler, and B. Krevet; Magnetic Shape Memory Microactuators; Micromachines; vol. 5, no. 4, pp. 1135–1160, 2014;
  • H. Ossmer, F. Lambrecht, M. Gueltig, C. Chluba, E. Quandt, M. Kohl; Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling; Acta Materialia; vol. 81, pp. 9-20, 2014;
  • C. Megnin, J. Barth, M. Kohl; A bistable SMA microvalve for 3/2-way control; Sensors and Actuators A; vol. 188; pp. 285-291, 2012;