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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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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Artificial Muscle Concept (2)
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 (3)
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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
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Artificial Muscle Concept (5)
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
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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]
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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