Smart Materials sind Werkstoffe, die die Fähigkeit besitzen, aus sich selbst heraus auf Umweltbedingungen zu reagieren.
Im Konsortium smart3  | material – solution – growth – das vom BMBF gefördert wird – erproben Designer und Material-Experten in mehreren Pilotprojekten die Konzept- und Produktentwicklung auf Basis von Smart Materials.
Das Design hat im Projekt die Aufgabe, Visionen zu skizzieren, wie Smart Materials unseren Alltag formen könnten und auszuloten, welche neuen Gestaltungsspielräume dadurch eröffnet werden.

 

Das Projekt »Smart Tools for Smart Design« (ST4SD) – eine Zusammenarbeit von Gestaltern des Fachgebiets Textil- und Flächendesign der weißensee kunsthochschule berlin und Technologen der Fraunhofer Institute für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, dem Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden sowie dem Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm – widmet sich den Materialien, die die Gemeinsamkeit haben, ihre Form zu verändern, wenn sie einen äußeren Reiz erfahren. Bearbeitet werden die folgenden drei formveränderbaren Werkstoffe: Formgedächtnislegierung (FGL), Dielektrische Elastomere (DE; auch: elektroaktive Polymere EAP) und Piezokeramiken (PIEZO / PZT).

Um Designern den Zugang zum komplexen Fachwissen über diese Smart Materials zu erleichtern, entsteht im Forschungsprojekt ST4SD eine Toolsammlung – den »Smart Tools« –, die mit der visuell und verbal greifbaren Sprache der Designer arbeitet. Sie schlägt die Brücke zwischen zwei Disziplinen. Neben dem Wissenstransfer von der Ingenieurwissenschaft zur Gestaltung geht es darum, einen Erfahrungsaustausch sowohl für Designer als auch Technologen herbeizuführen.

 

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Die Smart Tools gliedern sich in mehrere, aufeinander aufbauende Formate. Den Einstieg bereiten die Funktions-Clips, welche die Eigenschaften der Smart Materials zeigen und Neugier wecken. Begleitet werden die Filme von einer sich stets erweiternden Fallstudiensammlung mit Referenzprojekten. Diese ermöglicht einen Überblick und zeigt das Spektrum der existierenden, visionären Konzepte mit Smart Materials bis hin zu etablierten Serienprodukten. Die Fallstudien sind nach Materialien und gestaltungsrelevanten Kategorien gegliedert.Vertiefende Informationen zu Funktionsweisen und Merkmalen der Werkstoffe finden sich auf den Materialkarten.

 

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»Smart Tools«: Materialkarten, Funktionsdemonstratoren und Fallstudienkarten

 

Farbcodierte Funktionsdemonstratoren ermöglichen mit einfachen und zugänglichen, selbst durchführbaren Versuchen, die Materialien in Aktion zu erleben und erleichtern ein erstes Abschätzen der Potentiale und Grenzen. Damit Designer selbst aktiv mit den Materialien experimentieren können, helfen zugängliche DIY-Anleitungen und digitale sogenannte Auslegungstools sowie eine umfassende Datenbank bei der Suche nach dem richtigen Material für einen definierten Zweck. Zusammengefasst werden alle Tools auf dieser interaktiven Website, die ein breites Publikum wirkungsvoll anspricht.

Die »Smart Tools« können und sollen Technologie-Experten nicht ersetzen. Sie erleichtern und fördern die gemeinsame Zusammenarbeit und unterstützen dabei, Kommunikationsbarrieren abzubauen, um interdisziplinär, effektiv und konstruktiv gemeinsam Neues zu schaffen. Sämtliche Informationen sind in der Projektdokumentation zusammengefasst.

 

ST4SD-Partner

 

Vorträge und Publikationen

Die Thematik Smart Materials erhält mittlerweile großes Interesse weit über den Design- bzw. Material-Kontext hinaus. Gerade die formveränderbaren Materialien, die eigenständig und wie von Zauberhand ihre Form wandeln, wecken Neugierde und lösen Erstaunen aus. Automatisch entsteht die Fragestellung, welche »smarten« Objekte und Produkte sich nun mit diesen spannenden Materialien entwickeln und umsetzen lassen. Hierfür liegt der Fokus im Projekt ausdrücklich auf einer Herangehensweise der engen Zusammenarbeit von Ingenieuren und Designern, um gemeinsam innovative, ästhetisch anspruchsvolle, materialgerechte und funktionale Konzepte zu generieren.

Sowohl die Auseinandersetzung mit neuen Materialien und Technologien als auch die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Gestaltern, sind und waren Thematiken verschiedener Symposien in den Bereichen Design-Theorie und -Geschichte sowie bei Veranstaltungen zur praktischen Anwendung von innovativen Materialien.

Eine Auswahl:

 

Vorträge

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Einbindung von Design als Mehrwert im Produktentwicklungsprozess
Veronika Aumann

Technology meets Design – das Projekt Smart Tools for Smart Design
Linda Weisheit

Fraunhofer – Industry Day »Smart Materials« im Rahmen der ISPA 2015 – International Symposium on Piezocomposite Applications
Fraunhofer IKTS, Dresden
16. September 2015

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»Smart Tools for Smart Design« – Materialinnovation und die Einbindung von Design als Mehrwert für die Produktentwicklung
Julia Wolf

Symposium »talking material« – Narrative des Materials
Hochschule Hannover, Fakultät Medien, Information und Design
15. Oktober 2015

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»Smart Tools for Smart Design« Formveränderbare Materialien
Veronika Aumann

Veranstaltung »Intelligente Materialien«, ELEMENTE MaterialForum, Berlin
12. November 2015

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»Smart Tools for Smart Design« Synergien zwischen Technologie und Design am Beispiel von »Smart Materials«
Julia Wolf

Symposium »Künstliche Materialien«
Gesellschaft für Designgeschichte und Gesellschaft für Technikgeschichte
NRW-Forum Düsseldorf
30. April 2016

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»Smart Tools for Smart Design«
Linda Weisheit, Veronika Aumann, Julia Wolf

Abschlusssymposium »ST4SD« weißensee kunsthochschule berlin
24. Mai 2016

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Upcoming

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Ausstellung und interaktiver Workshop mit Formveränderbaren Materialien
Julia Wolf und Veronika Aumann

Ausstellung +ultra, Martin Gropius Bau, Berlin.
September 2016 – Januar 2017

 

Papers

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»Smart Tools for Smart Design« Synergien zwischen Technologie und Design am Beispiel von »Smart Materials«
Julia Wolf

erscheint in der Begleitpublikation zum Symposium »talking material«
der Hochschule Hannover, Veröffentlichung im Herbst 2016

 

Presse

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»Design als Mehrwert der Produktentwicklung«
Erscheint im Jahresbericht des Fraunhofer-Institutes für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

 

Workshops

Für einen aktiven Austausch zwischen den Researcherinnen, den Material-Experten und Design-Studierenden und zur Vertiefung der Forschung wurden die Ergebnisse in Form von Projekten, Workshops und Versuchsreihen in die Design-Lehre des Fachgebiets Textil- und Flächendesign integriert.

Eine Auswahl:

Materialität und sensorische Forschung
Das Projekt setzt sich mit Materialforschung auseinander, mit besonderem Fokus auf sensorischer Designforschung und -Entwicklung. Resultate sind Werkzeuge, um die Bandbreite sensorischer, emotionaler und expressiver Materialeigenschaften zu vermitteln, ergänzend werden konkrete Anwendungen konzipiert und umgesetzt.

Entwurfsprojekt im Sommersemester 2015
Leitung: Prof. Dr. Zane Berzina, mit Unterstützung von Veronika Aumann und Julia Wolf
Projektdokumentation

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Gestaltung der 4. Dimension – Zeit
Zu den Herausforderungen von Gestaltung mit formveränderbaren aktiven/reaktiven Materialien.

27. – 29. April 2015
Workshop-Leitung: Veronika Aumann und Julia Wolf, mit Unterstützung von Paula van Brummelen
Projektdokumentation

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Sensorial Workshop
Die Entwicklung einer »Material-Sprache« durch Objekte, um technologische Kollaborationen zu ermöglichen.

4. – 6. Mai 2015
Workshop-Leitung: Prof. Dr. Mark Miodownik vom Institute of Making, London
Projektdokumentation

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Smart Materials – Hand’s on Research
Laborversuche zu Potentialen und Grenzen von Dielektrischen Elastomeren.

Juni – Dezember 2015
Workshop-Leitung: Julia Wolf, Teilnehmerin: Dafna Stoilkova
in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung in Potsdam-Golm
Projektdokumentation

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It’s Magic – Shapechanging Materials
Das Know-How zu formveränderbaren Werkstoffen wird anhand von »Smart Tools« erlernt und neue Gestaltungsräume für das Design mit Smart Materials werden ausgelotet.

20. – 23. April 2016
Workshop-Leitung: Veronika Aumann und Julia Wolf
Projektdokumentation

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Verschiedene Piezokeramiken v.l.n.r.:
PZT-Fasern und -Kugeln, Piezo-Bauelement mit Verkabelung, PZT-Rohr und -Zylinder und -Scheibe, Pizo-Biegewandler mit elektrischen Kontakten und Verkabelung, Piezo-Blöcke und -Platten mit und ohne elektrische Kontakte und Verkabelung, Piezo-Platten und -Blöcke

 

PIEZOKERAMIKEN

Piezokeramiken sind formveränderbare Materialien mit elektromechanischer Kopplung. Bei Zufuhr von elektrischer Spannung (U) verformen sich die Keramiken, umgekehrt entsteht bei mechanischer Einwirkung eine elektrische Ladung.

 

 

FUNKTIONSPRINZIP

 

Sensor / Generator

INPUT: mechanische Verformung
OUTPUT: elektrische Ladung, elektrische Spannung

 

Aktor / Schallwandler

INPUT: elektrische Energie
OUTPUT: Verformung, Kraft (hörbares Signal)

 

Bei Einleitung einer axialen Kraft in den piezokeramischen Zylinder entstehen an der Grund- und Deckfläche freie Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen. Das ist durch eine messbare Spannung bzw. einem messbaren Strom nachweisbar und ist die Grundlage für Sensor- und Generatorfunktion.

 

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Funktionsprinzip Sensor / Generator

 

Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Grund- und Deckfläche verformt sich der piezokeramische Zylinder. Je nach Polarität der angelegten Spannung wird er geringfügig kürzer oder länger. Dies repräsentiert die Aktorfunktion, im dynamischen Fall bezeichnet man diesen als Schallwandler.

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Funktionsprinzip Piezo Aktor / Schallwandler

 

BESCHREIBUNG

Piezokeramiken sind Metalloxide komplexer chemischer Zusammensetzung, die mit Elektroden versehen werden und so die Werkstoffbasis für Funktionsbauelemente bilden, die als Aktoren, Sensoren oder Generatoren Anwendung finden.

Als direkten Piezoeffekt bezeichnet man das Auftreten eines elektrischen Signals, die an den Elektrodenflächen der Piezokeramik entstehen, wenn das Bauteil mechanisch verformt wird (bsp. Kompression, Biegung). Dieses elektrische Signal kann gemessen werden (Sensorfunktion) oder zur Bereitstellung begrenzter Mengen an elektrischer Energie genutzt werden (Generator).
Beim inversen piezoelektrischen Effekt wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine geringfügige Verformung erzeugt, die Piezokeramik wird so als Aktor verwendet.
Die Formveränderung der Piezokeramik ist relativ klein, sehr präzise, blitzschnell und besitzt hohes Kraftpotential. Die extrem kurzen Reaktionszeiten erlauben die Anregung hochfrequenter Schwingungen, woraus sich Anwendungen als Ultraschallwandler und elektromechanische Transformatoren ableiten.
Die Fülle und Unterschiedlichkeit der Bauteile erlaubt große gestalterische Spielräume und erhöht das Anwendungspotential.

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Generator-Funktion: Klopfen auf den Piezo-Signalgeber erzeugt eine geringe Menge Energie und bringt die LED zum Leuchten

 

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Schallwandler-Funktion: Stromzufuhr bewirkt eine dynamische Verformung des Piezo-Signalgebers und ergibt einen hörbaren Ton

 

BESONDERE MERKMALE

 

  • Piezokeramiken agieren sehr schnell mit Ansprechzeiten unter 100 µs
  • Die Auslenkung (Verformung) ist begrenzt und sehr gering (ca. 0,1% der Bauelementlänge)
  • Der Piezoeffekt ist bei Einhaltung definierter Grenzwerte direkt umkehrbar
  • Bei zyklischer Ansteuerung werden Frequenzen im MHz-Bereich erreicht, die weit über hörbare Frequenzen hinausgehen können
  • Piezokeramische Bauelemente sind robust, langlebig und verschleißarm
  • Sie lassen sich mit vielen Weiterverarbeitungstechnologien (Laminieren, Gießen, Siebdrucken etc.) verbinden und in andere Werkstoffe integrieren
  • Bauelementformen sind von hart bis biegsam am Markt erhältlich, Standard-Bauelemente sind sehr kostengünstig

 

PIEZO-FACTS

 

Einflussparameter
Zugeführte Energie (elektrisch und mechanisch); Frequenz und Dauer der Energiezufuhr; Richtung der elektrischen und mechanischen Felder in Relation zur Polarisationsrichtung der Keramik; Bauelement-Geometrie

Materialzusammensetzung
Piezokeramik (meistens: Bleizirkonattitanat Pb(Zr,Ti)O3, erhältlich in mehr als 50 kommerziellen chemischen Zusammensetzungen)

Halbzeuge
Folien, 3D-Formkörper, Fasern, Kugeln, Freiformelemente

Materialstärke
Piezo-Folie min ca. 30 µm bis Festkörper max ca. 35 mm

Entwicklung
u.a. Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme, IKTS in Dresden

 

Einfache Piezo-Signalgeber können günstig im Elektrofachhandel erworben werden. Anhand der folgenden DIY-Anleitung mit Schaltplänen und Stücklisten lassen sich sowohl die Generator- als auch die Aktor-/Schallwandler-Funktion einer Piezokeramik einfach nachbauen. Zusammengefasst sind die Informationen über Piezokeramiken auf dieser Materialkarte.
Der digitale Smart-Materials-Finder hilft bei der grundsätzlichen Auswahl des passenden formveränderbaren Materials.

 

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Verschiedene DE-Wandler und -Proben: v.l.n.r.:
3M-Polymerfolie, laborgefertigte DE-Proben aus Polymerfolien mit unterschiedlichen Eigenschaften inklusive Elektroden (schwarz), handgefertigte DE-Proben mit unterschiedlichen Rahmenstrukturen inklusive Elektroden (schwarz) und Kupferkontakten, laborgefertigter Stapelakter (Fertigung Fh-IAP in Kooperation mit Hochschule Ostwestfalen-Lippe) 

 

DIELEKTRISCHE ELASTOMERWANDLER

Dielektrische Elastomere (DE) sind extrem dehnbare Kunststoffe. Die dünnen, mit Elektroden beschichteten Folien dehnen sich beim Anlegen von sehr hoher elektrischer Spannung (kV) aus. DEs sind eine Untergruppe der elektroaktiven Polymere und finden in den Bereichen Aktorik und Sensorik sowie als Generatoren Anwendung.

 

 

FUNKTIONSPRINZIP

 

Aktor

INPUT: elektrische Energie
OUTPUT: Verformung, Kraft

 

Sensor

INPUT: mechanische Energie
OUTPUT: elektrische Ladung, elektrische Spannung

 

Generator

INPUT: zyklische mechanische Energie, zyklische elektrische Energie
OUTPUT: elektrische Ladung, elektrische Spannung

 

Bei Verwendung eines DE als Aktor wird eine Spannung (im kV Bereich) angelegt, wodurch sich die Elektroden entgegengesetzt aufladen. Diese ziehen sich an und komprimieren das dazwischenliegende Dielektrikum, welches sich dadurch in seiner Ebene ausdehnt und dünner wird.

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Funktionsprinzip DE-Aktor: Bei Anlegen einer Spannung dehnt sich die beidseitig mit Elektroden beschichtete Elastomerfolie aus und wird dünner. 

 

Um DEs als Sensoren einzusetzen, wird der flexible Wandler mechanisch verformt, was eine Änderung der Kapazität zur Folge hat. Diese Änderung kann messbar erfasst werden und somit Kraft oder Druck bestimmt werden.
Um DEs als Generatoren zu verwenden, wird der Wandler elektrisch und mechanisch vorgespannt. Wird er nun wiederholt (zyklisch) mechanisch verformt, entsteht bei Entlastung Ladung (bzw. Spannung U), die abgenommen werden kann.

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Funktionsprinzip Sensor (Messung der Kapazitätsänderung C) & Funktionsprinzip Generator (Abgreifen der entstehenden Spannung U)

 

BESCHREIBUNG

Dielektrische Elastomerwandler bestehen aus einer sehr dehnbaren Elastomerfolie, welche an Ober- und Unterseite mit elastischen Elektroden beschichtet ist.

Je nach Anwendung werden DE-Wandler unterschiedlich verarbeitet. Soll eine größtmögliche Längenänderung in der Ebene erzielt werden, werden »Ein-Schicht-Aufbauten« integriert. Sollen größere Kräfte realisiert werden, werden sie zu mehrschichtigen »Stapelaufbauten« gebündelt. Für bestimmte Anwendungen können sie zu Rollen gewickelt werden.

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Statische Anschauungsmodelle für »Ein-Schicht-Aufbauten«, »Rollen- und Stapelautoren« im jeweils inaktivierten und aktivierten Zustand

 

Bei Dehnung der DE-Wandler ist eine Kapazitätsänderung messbar (Sensorik). Die durch zyklisches Verformen entstehende elektrische Spannung kann als elektrische Energie abgegriffen werden. Energy-Harvesting-Modulen aus DEs zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Vibrationen, Wellen oder Schwingungen werden sehr hohe Wirkungsgrade prognostiziert.
Obschon für die Aktivierung meist Hochspannung benötigt wird, lassen sich einschichtige DE-Aktoren in beliebigen Geometrien relativ unkompliziert selbstständig herstellen.

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Inhalte DIY-Kit zur Fertigung Dialektischer Elastomeraktoren.
Mit Hilfe des DIY-Kits können Dielektrische Elastomerwandler einfach selbst gefertigt werden.

 

BESONDERE MERKMALE

 

  • Der funktionale Aufbau eines DE-Wandlers ist sehr einfach, sie sind extrem leicht und weisen wenig bis keinen Verschleiß auf
  • Beim Anlegen einer elektrischen Spannung (momentan im kV Bereich) können Dehnungen um deutlich > 10% – in einigen Fällen sogar bis zu 300% – beobachtet werden
  • Die Ausdehnung bzw. Komprimierung des DE-Wandlers ist über die angelegte Spannung präzise und stufenlos regelbar
  • DE-Wandler agieren sehr schnell (in wenigen Millisekunden) und geräuschlos
  • DE-Wandler arbeiten reversibel (d.h. wenn die Spannung bzw. mechan. Belastung abnehmen, kehren sie wieder vollständig in ihren Ausgangszustand zurück)
  • Üblicherweise werden schwarze Elektroden (aus Carbon) verwendet, darüber hinaus sind metallische Färbungen möglich. Die DE-Folien selbst sind transluzent und können je nach Materialzusammensetzung unterschiedlich gefärbt sein.
  • Dielektrische Elastomeraktoren befinden sich noch weitestgehend im Forschungsstadium, kostengünstige Ausgangsmaterialien und die Entwicklung industrienaher Fertigungstechnologien stellen jedoch eine mittelfristige Marktverfügbarkeit in Aussicht

DEA-Facts

 

Einflussparameter
Größe, Geometrie, Design; Folien-Material, -Dicke, -Steifigkeit, -Empfindlichkeit gegenüber dem elektrischen Feld; Elektroden-Leitfähigkeit; angelegte elektrische Spannung

Materialzusammensetzung
Polymerfolie (Dielektrikum) und flexible Elektroden (meistens Carbon)

Halbzeuge (gilt für DEA in smart3)
Ein-Schicht-Folienaktor und Multischichtaktor (Stapelaktor)

Materialstärke
Applikationsspezifisch einstellbar; Stand der Technik: Filmdicke min. 0,02mm

Entwicklung
u.a. Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), Potsdam-Gold

Dielektrische Elastomerwandler  haben einen prinzipiell einfachen Aufbau. Sie können mit wenigen Materialien und Hilfsmitteln anhand der folgenden DIY-Anleitung selbst hergestellt werden. Zusammengefasst sind die Informationen über Dielektrische Elastomerwandler auf dieser Materialkarte.
Der digitale Smart-Materials-Finder hilft bei der grundsätzlichen Auswahl des passenden formveränderbaren Materials.

 

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Verschiedene Formgedächtnislegierungen: v.l.n.r.:
FGL-Rohre aus Kupfer-Basislegierung, NiTi-Legierungen als Federelemente, FGL-Bleche und -Drähte, Stent aus superelastischem FGL, Gewebe mit integrierten FGL-Drähten

 

FORMGEDÄCHTNISLEGIERUNGEN – FGL

Formgedächtnislegierungen sind Metalle, die sich bei Erreichen einer bestimmten Temperatur selbstständig in eine vorher eingeprägte Form bewegen.

 

 

FUNKTIONSPRINZIP

 

Input: thermische Energie
Output: Verformung, Kraft

 

Bei Erwärmung zieht sich ein zuvor gelängter FGL-Draht, hier in Federform, wieder zusammen. Kühlt der Draht ab, behält er die durch Erhitzen angenommene Zielform. Bevor der Effekt erneut genutzt werden kann, muss der Draht abermals mechanisch verformt werden. 

 

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Funktionsprinzip Formgedächtnislegierung: Dieser Rückstellvorgang (hier Längung der Feder) erfolgt beispielsweise durch ein Gewicht, das in das Aktorsystem integriert wird.

 

BESCHREIBUNG

In das FGL-Ausgangsmaterial wird eine beliebige Zielform eingeprägt, an die es sich nach einer mechanischen Verformung „erinnert“ und in welche es bei Erreichen einer bestimmten Temperatur zurückkehrt. Grund für diese als Formgedächtnis (Shape-Memory) bezeichnete Eigenschaft ist die Änderung der Gitterstruktur (Martensit und Austensit) der Legierung in unterschiedlichen Temperaturbereichen. Der Effekt ist vor allem bei Nickel-Titanlegierungen zu beobachten.

Bei energieautarker Auslösung des FG-Effekts wird die Aktivierung durch die Umgebungstemperatur erreicht. Soll ein Aktor sehr gezielt angesteuert werden, kann die Temperaturänderung auch über Widerstandsheizen durch die Zufuhr von elektrischer Energie realisiert werden.

Die Verformung des Werkstoffs kann je nach Halbzeug als Stellkraft im Zug-, Druck- oder Biegemodus genutzt werden. Hierbei lassen sich im Verhältnis zum Eigengewicht des Aktors sehr hohe Kräfte realisieren. Häufig werden Drahtaktoren unter Zugbelastung eingesetzt.

Bei Abkühlung der FGL behält der Draht die „eingeprägte“ Form, vor dem erneuten Auslösen des Effekts muss sie wieder mechanisch verformt oder „rückgestellt“ werden.

 

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Verformung durch Erwärmung mit Feuerzeug

 

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Eine Erwärmung des FGL-Drahtes durch Stromzufuhr ermöglicht eine höchst präzise Ansteuerung (Dauer und Geschwindigkeit) der Verformung

 

Eine weitere Eigenschaft von FGL ist der sogenannte pseudoelastische oder superelastische Effekt, der dann nutzbar wird, wenn die Umwandlungstemperatur unter der Einsatztemperatur liegt. Beim superelastischen Effekt ist der Werkstoff unter Einwirkung einer mechanischen Belastung extrem verformbar (bis zu 8%). Bei Entlastung kehrt der Werkstoff selbstständig in seine Ausgangsform zurück. Der superelastische Effekt wird häufig für Federelemente genutzt.

 

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Superelastischer Effekt: Die Formgedächtnislegierung kehrt nach extremer Verformung von selbst in ihren Ausgangszustand zurück

 

BESONDERE MERKMALE

 

  • Die Bewegung geschieht lautlos, fließend und „organisch“
  • FGL sind korrosionsbeständig und biokompatibel
  • Die Aktivierungstemperatur wird über die Legierung (Materialzusammensetzung) definiert
  • Die Zielform der FGL wird im Vorfeld „antrainiert“ und ist beliebig redefinierbar
  • Spezielle Umformtemperaturen und die Aktormaße können nach Wunsch in Grenzen angepasst werden
  • Die Bewegung des FGL-Aktors in die eingeprägte Form erfolgt gemächlich und wird (bei gleicher Stromleistung) mit zunehmender Drahtdicke langsamer
  • FGL-Halbzeuge sind am Markt etabliert, werden vielfach verwendet und sind frei erhältlich
  • Die entstehende Zugkraft eines Drahts mit 2mm Durchmesser reicht aus um 50kg anzuheben

 

FGL-Facts

 

Einflussparameter
Legierung, Aktor-Geometrie, (Umgebungs-) Wärme, Art der Verformung (Zug, Druck, Biegung, Torsion)

Materialzusammensetzung
Nickel-Titan-Legierungen (NiTi); selten: Kupfer- und Eisen-Basislegierungen

Halbzeuge
Draht; Feder; Stab; Rohr; Blech

Materialstärke
ab Drahtstärke 0,02mm, Maßanfertigung üblich

Umwandlungsbereich
-100°C bis +120°C

Entwicklung
u.a. Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, IWU in Dresden

Formgedächtnisdrähte lassen sich relativ einfach trainieren und ansteuern. Eine Anleitung dazu findet sich hier. Zusammengefasst sind die Informationen über Formgedächtnislegierungen auf dieser Materialkarte.
Der digitale Smart-Materials-Finder hilft bei der grundsätzlichen Auswahl des passenden formveränderbaren Materials. Im Weiteren unterstützt der digitale FGL-Finder die spezifische Auswahl einer passenden Formgedächtnislegierung bezüglich u.a. Materialzusammensetzung, Materialstärke und zu verwendender Stromstärke.

 

 

FALLBEISPIELE

Formgedächtnislegierungen, Piezokeramiken und Dielektrische Elastomere werden bereits vielfach verwendet. Das Spektrum reicht von visionären Konzepten bis hin zu massenhaft produzierten Gebrauchsgegenständen. Die Fallstudiensammlung ermöglicht einen Überblick zu diesen bereits existierenden Anwendungsmöglichkeiten mit Smart Materials. Auf Grund der vielen unterschiedlichen Einsatzzwecke, Entwicklungsstadien und Funktionsweisen wie Smart materials in den Projekten eingesetzt werden, sind sie nach gestaltungsrelevanten Parametern in verschiedene Kategorien unterteilt. Durch Auswahl einzelner Parameter (Smart Material, Funktionsweise, Input, Output, Anwendungsbereich und Entwicklungsstadium) lassen sich die Projekte miteinander vergleichen.

Die Sammlung der Fallbeispiele kann hier heruntergeladen werden.

AUSWAHLKRITERIEN

Smart Material

Funktionsweise

Input

Output

Anwendungsbereich

Entwicklungsstadium

Impressum

Smart Tools for Smart Design

wurde gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung  im Rahmen der Innovationsinitiative »Unternehmen Region«, 20zwanzig – Partnerschaft für Innovation und ist als Basisvorhaben innerhalb des Forschungskonsortiums smart3  | materials – solutions – growth  angesiedelt.
Durchgeführt wurde das Projekt von Dezember 2014 bis Mai 2016 unter Projektkoordination des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und vom Fachgebiet Textil- und Flächendesign der weißensee kunsthochschule berlin in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden sowie dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm.

 

Projektpartner

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Abteilung Adaptronik und Akustik
Dipl.-Ing. Linda Weisheit, Dipl.-Ing. Kenny Pagel, M. Sc. André Bucht
www.iwu.fraunhofer.de

weißensee kunsthochschule berlin
Fachgebiet Textil- und Flächendesign
Abteilung Experimentelle Materialforschung
Prof. Dr. Zane Berzina, Prof. Dipl.-Ing. Christiane Sauer, Dipl.-Des. Veronika Aumann, Dipl.-Des. Julia Wolf
www.kh-berlin.de

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Abteilung Angewandte Werkstoffmechanik und Festkörperwandler
Dr.-Ing. Peter Neumeister, Dr. rer. nat. Andreas Schönecker
www.ikts.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
Fachbereich Funktionale Polymersysteme, Abteilung Polymere und Elektronik
Dr. Miriam Biedermann, Dr. habil. Hartmut Krüger, Priv.-Doz. Dr. habil. Michael Wegener
www.iap.fraunhofer.de

 

Ansprechpartner

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Projekthaus smart³
Nöthnitzer Strasse 44
01187 Dresden
Telefon:  +49 351 4772-2121
info@smarthoch3.de

ST4SD-Partner_invertiert

Danke

Assistenz & Recherche: Essi Johanna Glomb
Grafik (Material- & Fallstudienkarten, DIY-Anleitungen & Gifs): Raoul G. Horvay
Erscheinungsbild & Website (Layout & Programmierung): STUDIO BENS
Fotos: André Wunstorf, Maria Walnut, Julia Wolf
Filme: Maria Walnut, Emilia Kurylowicz

 

 

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