Numerische Simulation des Aktivierungsverhaltens von thermischen Formgedächtnislegierungen

Die Leistungsfähigkeit von thermischen Formgedächtnislegierungen (FGL) hat sich infolge intensiver Forschung in den letzten Jahren stetig verbessert, wodurch sich neue Einsatzmöglichkeiten dieses intelligenten Materials offenbaren. Dabei steht am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) vor allem die Entwicklung von Aktoren mit einem sehr hohen spezifischen Arbeitsvermögen im Fokus. Schwierigkeiten bei der Anwendung in der industriellen Praxis sind meist auf die Beherrschung des komplexen Aktivierungsverhaltens zurückzuführen. Zur Hilfestellung bedarf es daher Simulationstools, die nicht nur das Werkstoffverhalten, sondern auch thermische und mechanische Wechselwirkungen mit der Umgebung berücksichtigen. Durch gesteigerte Effizienz in der Entwurfsphase und den Einsatz innovativer Regelverfahren lässt sich das Potential von FGWerkstoffen effektiver nutzen. Im Rahmen der FGL-Forschung am Fraunhofer IWU wurde ein Simulationstool für FGLDrahtaktoren mittels des Softwarepakets MATLAB/Simulink® entwickelt. Die Grundlage des Modells bildet dabei die in Abbildung 1 dargestellte Energiebilanz, deren Terme sich aus dem charakteristischen Werkstoffverhalten im Zusammenspiel mit den thermischen und mechanischen Randbedingungen ergeben. Als Eingangsgröße dient der eingeprägte elektrische Strom, der dem Draht abhängig von seinem Widerstandsverhalten eine thermische Erregerleistung zuführt. Diese trifft auf mehrere Gegenkopplungsmechanismen, wobei die verbleibende Leistung in der Wärmekapazität eine Temperaturänderung hervorruft. Eine Besonderheit im Systemverhalten von FGL ist das ereignisdiskrete Eintreten des Phasenumwandlungsprozesses, welches durch einen Zustandsautomaten modelliert wird.