Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zuverlässigkeitsanalyse und –prognose zur Qualitätssicherung von Formgedächtnisaktoren

Formgedächtnislegierungen werden schon in ersten Anwendungen in Großserien eingesetzt. Zumeist stehen hinter diesen Produkten innovative große Unternehmen (z.B. Microsoft oder General Motors). Der deutsche Mittelstand sieht sich zunehmends der Herausforderung gestellt ebenfalls Aktoren auf Basis von Formgedächtnislegierungen zu entwickeln. Hinderlich dabei ist im Entwicklungsprozess die Frage nach der Lebensdauer, die heute noch nicht zuverlässig eingeschätzt werden kann. Umgesetzte Prognosewerkzeuge für FG-Aktoren gibt es noch gar nicht. Die Ermittlung der Lebensdauer findet heute ausschließlich durch Versuche statt. Durch die geringere (aber ausreichende) Aktordynamik von FG-Aktoren kann ein Test über 250.000 Schaltzyklen mehrere Monate in Anspruch nehmen. Damit verlängert sich die Entwicklungszeit rein durch die iterative Optimierung der Lebensdauer schon bei 4 Iterationen um 12 Monate. Die Versuche sind zwischen Unternehmen kaum vergleichbar, da die Versuchstechnik noch nicht genormt ist. Um diesen Problemen entgegen zu treten werden in dem Projekt die Versuchsvorgänge für einfache FG-Aktoren normiert, die als Beispielszenarien für kleine, mittlere und große Unternehmen aufgezeigt werden. Parallel hierzu wird ein mathematisches Prognosetool entwickelt mit welchem man ähnliche Aktorprinzipien, also die iterativ gestalteten Elemente, hinsichtlich der Lebensdauer in der Entwicklungsphase einschätzen kann. Aus beiden Arbeitsbereichen wird am Projektende ein Hardware-In-The-Loop Entwicklungssystem zusammengestellt mit dem FG-Aktoren getestet und schon in den ersten Tests hinsichtlich der Lebensdauer eingeschätzt werden können. Durch den systematischen Ansatz folgt in direkter Weise ein nachhaltiger Nutzen für alle betreffenden kmU-Branchen. Über die anschließende Verbreitung einer Prüfrichtlinie, aber besonders durch die Verfügbarkeit des Prognosewerkzeuges für Lebensdauereinschätzung von FG-Aktoren wird die Umsetzung der FG-Technologie in kmU's ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

- Bestehende Anwendungen für Formgedächtnisaktoren wurden in Anforderungsklassen überführt und daraus Wertebereiche für die Anforderungen an einen standardisierten Prüfstand abgeleitet.

- Es wurde analysiert, welche mechanischen Komponenten der Prüfvorrichtung Einflüsse auf die Ergebnisse der Prüfung haben.

- Es wurden zwei universell einsetzbare Prüfstände für Ermüdungsversuche von FG-Drähten entwickelt. Ein Prüfstand ist in vertikaler Ausführung konzipiert und für Versuche im klimatisierten Labor (20 °C) vorgesehen. Der zweite Prüfstand ist in horizontaler Bauweise konzipiert und für den Einsatz in einer Klimakammer (-20 °C bis 100 °C) geeignet. Prüfelektronik als auch Messtechnik zeichnen Messwerte in hoher Auflösung auf, sodass jeder Betätigungszyklus detailliert aufgezeichnet wird.

- Insgesamt wurden 6 Versuchsreihen durchgeführt und 138 Aktoren innerhalb des Projekts getestet und ausgewertet. Im Rahmen einer Publikation wurden zu den 138 getesteten Aktoren noch 10 Aktoren simuliert.

- Es wurde ein Auswertetool zur Auswertung der erzeugten Messdaten der getesteten Drähte entwickelt. Das Tool liest Prüfstandsdaten automatisiert ein und wertet die Daten im Anschluss aus. Die Analyse der Daten verfolgt dabei zwei Ziele. Zum einen werden Anhaltspunkte für ein bevorstehendes Versagen der Drähte ermittelt. Zum anderen wurde ein Ansatz zur Prognose der (verbleibenden) Lebensdauer entwickelt. Es konnte beispielhaft die Entwicklung eines anwendbaren Prognosemodells gezeigt werden.

- Für eine Versuchsart wurde ein Prüfleitfaden erstellt, welcher die Vorbereitung sowie den Einsatz der Drähte in den Versuchsstand beschreibt.

- Es entstanden 5 internationale Publikationen. Die entsprechenden Ergebnisse wurden auf den Tagungen präsentiert und diskutiert.

- Mit Hilfe der Ergebnisse des Projektes ist der Anwender in der Lage einen standardisierten Versuchsstand aufzubauen und somit die Entwicklungszeit eigener Aktoren deutlich zu reduzieren.