Was sind Formgedächtnis-Legierungen? Ein Leitfaden zu ihren Eigenschaften und Anwendungen

SMA steht für Formgedächtnislegierungen. Dabei handelt es sich um intelligente Materialien, die sich an ihre Form erinnern und sich je nach Wärmeeinwirkung verändern können. Dieser Artikel der Autoren informiert die Leser darüber, was SMAs sind, wie sie funktionieren, einige gängige Materialien wie Nitinol und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Robotik, Medizin und so weiter, die Arbeit mit ihnen, Herausforderungen und die laufenden Forschungsrichtungen.

Die Magie der Formgedächtnislegierungen: Materialien, die ihre Form behalten

SMAs oder Formgedächtnislegierungen sind spezielle Metalle, die dazu neigen, ihre Form als Reaktion auf eine Temperaturänderung zu verändern. Die Atome in SMAs neigen dazu, sich in zwei verschiedenen Kristallstrukturen aufzureihen.

Atomare Struktur

SMAs bestehen aus wirklich winzigen Atomen, die in Mustern zusammenpassen, die man Kristallstrukturen nennt. Bei einer bestimmten Temperatur liegen die Atome eng beieinander in einer gequetschten Struktur namens Martensit. Bei einer höheren Temperatur breiten sie sich in einer offenen Struktur aus, die Austenit genannt wird. Die Fähigkeit, zwischen diesen atomaren Anordnungen zu wechseln, macht die SMAs zu ihren besonderen Formgedächtnislegierungen.

Mit Hitze die Form verändern

Wenn ein SMA in seiner Martensitstruktur verformt wird, behält es diese neue Form bei. Wenn es jedoch über einen bestimmten Punkt hinaus erhitzt wird, wandelt es sich in seine Austenitstruktur um und kehrt in seine ursprüngliche, unverbogene Form zurück. Dies wird als Formgedächtnis-Effekt bezeichnet. Ein SMA-Draht kann zum Beispiel gebogen werden, aber wieder gerade werden, wenn er mit heißem Wasser erhitzt wird.

In einer krummen Form steckenbleiben

Einige SMAs weisen einen weiteren Kühleffekt auf, der Superelastizität oder Pseudoelastizität genannt wird. Wenn sie in kaltem Zustand über einen Punkt hinaus gebogen werden, wechseln ihre Atome abrupt in die Martensitstruktur, um die neue Form anzunehmen, ohne zu brechen. Wenn sie jedoch wieder gebogen werden, wandeln sie sich sanft in Austenit zurück, ohne dass Wärme erforderlich ist. Es ist, als ob das Metall in der gebogenen Formgedächtnislegierung stecken bleibt, bis es wieder gebogen wird.

Wie Nitinol dem Körper hilft

Nitinol ist ein so einzigartiges 3D-Druck Metall die ein Gedächtnis für ihre Form haben können. Ein Arzt verwendet Nitinol im menschlichen Körper wegen seiner Art von Gedächtnis, das als Formgedächtnislegierung des Metalls bekannt ist. Es hilft, Probleme zu beheben und Medikamente zu verabreichen.

Öffnen Sie den stenotischen Teil der Arterie

Manchmal lagern sich Fettablagerungen in den Arterien ab und blockieren den BlutflussDies nennt man eine Verstopfung. Ärzte setzen winzige Netzröhrchen ein, die Stents genannt werden, um verstopfte Arterien aufzustoßen. Stents werden aus Nitinol hergestellt. Sie werden klein gequetscht und mit einem dünnen, flexiblen Schlauch, dem Katheter, in die Arterien eingesetzt. Sobald der Stent an seinem Platz ist, wird er durch die Körperwärme erwärmt und springt auf, so dass die Arterien weit offen bleiben und das Blut fließen kann.

Gelenkersatz lindert den Schmerz

Eine andere Anwendung ist die Verwendung von Nitinol als Ersatz für Teile eines Gelenks, das abgenutzt ist - wie das Knie oder die Hüfte. Nitinol-Implantate sind biegsam, so dass sie sich wie echte Knochen bewegen. Sie werden während der Operation so geformt, dass sie sich dem Körper anpassen und diese Form dann beibehalten. Dies trägt dazu bei, dass die Implantate lange halten, ohne zu verschleißen.

Medizin auf Zeit

Ärzte stellen winzige Behälter aus Nitinol her, um Medikamente im Körper zu transportieren. Die Medizin wird darin aufbewahrt, bis es an der Zeit ist, eine Dosis abzugeben. Die Behälter sind so konzipiert, dass sie sich bei einer bestimmten Temperatur öffnen, die in einem bestimmten Teil des Körpers herrscht. Auf diese Weise kann genau die richtige Menge an Medikamenten zum richtigen Zeitpunkt verabreicht werden, ohne dass ein chirurgischer Eingriff erforderlich ist, um das Behältnis zu ersetzen. Die Formgedächtnislegierung von Nitinol hilft genau zum richtigen Zeitpunkt, Krankheiten zu heilen.

Nitinol-Flügel, die ihre Form verändern

Ingenieure verwenden Nitinol in Flugzeugflügeln und -teilen, weil es seine Form selbständig ändern kann. Nitinol 'merkt' sich zwei Formen - wie es gerade aussieht und wie es gebogen aussieht. Dadurch können Flugzeuge bei unterschiedlichen Wetterbedingungen besser fliegen.

Flügel, die sich dem Wind anpassen

Luft- und Raumfahrtingenieure stellen spezielle Flugzeugflügel aus Nitinol her. Diese Flügel können ihre Formgedächtnislegierungen während des Fluges dank winziger Nitinoldrähte im Inneren anpassen. Wenn der Wind rau wird, erhitzen sich die Drähte durch die Reibung mit der Luft. Dann 'weiß' das Nitinol, dass es den Flügel ein wenig biegen muss. Dadurch bleiben die Flügel genau richtig geformt, so dass die Luft reibungslos über sie hinwegfließen kann. So können Flugzeuge selbst bei Stürmen stabil fliegen, ohne zu wackeln.

Flügelklappen, die sich von selbst bewegen

Flügelklappen an normalen Flugzeugen werden von Menschen oder Motoren bewegt. Aber Klappen aus Nitinol können ihren Winkel selbst verändern! Die Ingenieure stellen die Klappen aus Nitinol her. Während des Starts und der Landung müssen die Klappen nach unten kippen, damit die Flugzeuge langsamer oder schneller werden. Die Nitinol-Drähte in den Klappen spüren Temperaturveränderungen durch schnelles oder langsames Fliegen. Sie ziehen die Klappen automatisch in die richtige Position, ohne dass ein Motor benötigt wird. Das spart Treibstoff und macht das Fliegen effizienter.

Von Düsen bis zu Halterungen - Formveränderliche Teile

Viele kleine bewegliche Teile in Flugzeugen und Raketen verwenden Nitinol. Beispiele sind die Düsen von Raketentriebwerken, die ihren Austrittsbereich für unterschiedliche Geschwindigkeiten verändern. Scharniere aus Nitinol ermöglichen es, bewegliche Halterungen ohne Schrauben zu arretieren. Durch seine Formgedächtnis-Legierungen hilft Nitinol Luft- und Raumfahrt Die Komponenten ändern ihre Form genau dann, wenn es nötig ist, für sicherere, sanftere Flüge.

Roboter, die sich mit Formgedächtnis bewegen

Ingenieure verwenden Formgedächtnislegierungen oder SMAs, damit sich Roboter ohne Batterien oder Kabel selbständig bewegen können. SMAs "erinnern" sich an zwei Formen und können dank Temperaturänderungen zwischen ihnen wechseln. Diese besondere Eigenschaft lässt sie wie Muskeln für Robotersysteme wirken.

SMA Aktuatoren treiben Roboterbewegungen an

Viele Roboter verwenden SMA-Drähte oder -Bänder als eigenständige Aktuatoren. Wenn Spannung oder heißes Wasser angelegt wird, "erinnert" sich das SMA daran, sich zu biegen oder zu dehnen. Durch diese Bewegung können Robotergelenke schwingen, Greifer öffnen und schließen und vieles mehr. Eine Roboterhand verfügt zum Beispiel über SMA-Aktoren in jedem Finger, die ihn in eine Greifposition biegen. Ferngesteuerte Roboter unter Wasser oder im Weltraum können SMA-Aktoren auch ohne Elektronik verwenden.

Entwicklung von lebensechteren "weichen" Robotern

Mit SMAs können Roboter flexiblere, leichtere Körper haben, ähnlich wie Tiere oder Menschen. Ingenieure stellen "weiche" Roboter mit silikonbeschichteten SMA-Drähten her, die in flexible Schläuche oder Platten eingebettet sind. Wenn sie erhitzt werden, ziehen sich die SMA-Drähte lokal zusammen, um komplexe Bewegungen, wie z.B. sich winden, biegen oder greifen, ohne starre Komponenten zu ermöglichen. Diese weichen Roboter könnten eines Tages bei Rettungseinsätzen oder medizinischen Eingriffen helfen, indem sie sich in ungewöhnlichen Umgebungen bewegen.

Der Effekt der Formgedächtnislegierungen von SMAs ermöglicht lebensechte Roboterbewegungen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Automatisierung an Land, zu Wasser, in der Luft, im Weltraum und sogar im menschlichen Körper.

Verwendung von Formgedächtnis für die Gebäudesicherheit

Bauingenieure setzen Formgedächtnislegierungen in Bauwerken ein, um Erdbeben zu widerstehen, den Verschleiß der Infrastruktur zu überwachen und vieles mehr. SMAs "erinnern" sich an ihre Form und verändern sich bei Hitze, was dem Bauwesen zugute kommt.

Dämpfer, die Beben abfedern

SMAs helfen, Gebäude erdbebensicher zu machen. Ingenieure installieren SMA-betriebene Dämpfer in Gebäuden zwischen Böden und Fundamenten. Bei einem Erdbeben vibrieren Böden und Fundamente mit unterschiedlichen Frequenzen. Normalerweise führt dies mit der Zeit zu Schäden. Aber SMA-Dämpfer erkennen die Vibrationen. Sie ziehen sich zusammen, um die Energie der Erschütterungen zu absorbieren und abzuleiten. Auf diese Weise wird das Bauwerk ohne zusätzliche Energie von den Belastungen des Bebens abgefedert.

Prüfen auf Metallermüdung

SMA-Drahtspulen können die Ermüdung von Brücken, Tunneln und anderer Infrastruktur bewerten. Spulen, die an kritischen Metallstellen angebracht sind, ziehen sich über viele Belastungszyklen langsam zusammen. Ingenieure überprüfen die Spulen regelmäßig. Wenn sich eine Spule stärker als erwartet zusammengezogen hat, signalisiert sie der Umgebung Herstellung von Blechen kann durch wiederholte Belastungen früher als geplant geschwächt werden. Dies veranlasst zu einer genaueren Inspektion, bevor es zu einem Ausfall kommt.

Erkennen von Verformungen nach Katastrophen

Nach Erdbeben oder Überschwemmungen können die Behörden mit SMA ummantelte Sensoren, die in Straßen und Gebäuderissen platziert werden, aus der Ferne verfolgen, ob sich die Risse vergrößern. Wenn die Risse im Laufe der Zeit größer werden, zeigt dies, dass mehr Instabilität besteht und teure Reparaturen erforderlich sind. Kleine SMA-Sensoren helfen dabei, die dringendsten Wiederaufbaubedürfnisse ohne langwierige Messungen vor Ort zu priorisieren.

Herausforderungen bei der Arbeit mit Formgedächtnislegierungen

SMAs weisen zwar unglaubliche adaptive Eigenschaften auf, aber um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, müssen die Probleme der Haltbarkeit gelöst werden, Thermodynamik, und Produktion.

SMAs werden jedes Mal belastet, wenn sie zwischen atomaren Strukturen wechseln. Diese Ermüdung kann zu einer Schwächung oder Degradierung über viele kontinuierliche Zyklen hinweg führen. Die Verbesserung der Lebensdauer bleibt wichtig.

Der Effekt von Formgedächtnislegierungen beruht auch auf präzisen Heiz- und Kühlmechanismen. Ein sorgfältiges Wärmemanagement sorgt dafür, dass die SMAs gleichmäßig die für eine gleichbleibende Leistung erforderlichen Temperaturen erreichen. Die Bedingungen in der realen Welt können die thermische Kontrolle beeinflussen.

Die Herstellung von SMAs mit exakten, komplexen geometrischen Formen für verschiedene mechanische Aufgaben erfordert sorgfältige, oft kostspielige Fertigungsmethoden. Ingenieure erforschen neue Techniken zur kosteneffizienten Konfiguration von SMA-Eigenschaften.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Legierungen mit Formgedächtnis eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit aufweisen und vielfältige Anwendungen ermöglichen. Die Forschung wird fortgesetzt, um die Herausforderungen anzugehen und die Möglichkeiten dieser "intelligenten" Materialien zu erweitern. Zukünftige Anwendungen werden davon abhängen, wie gut SMAs durch ihr intrinsisches Formgedächtnis die sich entwickelnden Bedürfnisse erfüllen.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Legierungen mit Formgedächtnis wirklich einzigartige Eigenschaften aufweisen, die immense innovative Anwendungen in verschiedenen Bereichen hervorgebracht haben. Ihre Fähigkeit, sich automatisch zu "erinnern" und ihre Form in Abhängigkeit von der Temperatur zu verändern, bietet einen Nutzen, der sich von dem herkömmlicher Materialien unterscheidet. SMAs haben zu verbesserten medizinischen Geräten, zuverlässigerer Roboter- und Automatisierungstechnik, verbesserten Strukturlösungen in der Luft- und Raumfahrt und im Bauwesen und vielem mehr beigetragen.

Um ihre Anpassungsfähigkeit voll auszuschöpfen, muss jedoch weiter an der Lösung von Herausforderungen gearbeitet werden. Forscher auf der ganzen Welt bemühen sich weiterhin, das Materialverhalten von Formgedächtnislegierungen besser zu verstehen, Herstellungsprozesse zu verfeinern, die mechanische Leistung und Haltbarkeit zu verbessern und Methoden zur präzisen thermischen Kontrolle und Energieübertragung zu entwickeln. Die Beschäftigung mit diesen Bereichen wird dazu beitragen, die Grenzen dessen zu verschieben, was mit der "intelligenten" SMA-Technologie möglich ist. Die Zukunft bleibt durch die Erweiterung des Wissens über diese bemerkenswerten legierte Materialien und ihr Potenzial, noch wirkungsvollere und lebensverändernde Anwendungen zu ermöglichen.

FAQs

F: Wie verändern SMAs ihre Form?

Das am häufigsten verwendete SMA ist als Nitinol bekannt und fällt unter die Kategorie Nickel-Titan. Andere SMA-Materialien sind Kupfer-Zink-Aluminium- und Eisen-Mangan-Silizium-Legierungen.

F: Was sind die Anwendungen von SMAs?

Wir verwenden SMAs in Anwendungen wie biomedizinischen Stents, kieferorthopädischen Ausrichtern, vaskulären Implantaten, Flugzeugaktuatoren, hitzeaktivierten Befestigungselementen, selbstreparierenden Materialien sowie Robotergelenken und -greifern.

F: Was sind die Herausforderungen bei der Arbeit mit SMAs?

Zu den Herausforderungen gehören Ermüdung durch wiederholte Belastungszyklen, präzise Steuerung der Heiz-/Kühlraten, komplexe Fertigungstechniken und begrenzte Kraft-/Drehmomentleistungen.