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Dämpfung von intelligenten miniaturisierten Systemen mit Formgedächtnislegierungen

Miniatur-Brückenschwinger (Quelle: Kiran Jacob, Institut für Mikrostrukturtechnik, KIT)

Das Thema des Monats

Seit Januar 2018 präsentieren wir an dieser Stelle monatlich ein spannendes Thema aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften.

Das „Thema das Monats“ ist einfach und verständlich erklärt und gibt aufschlussreiche Einblicke in die Forschungsaktivitäten unseres Departments.

Das Thema des Monats Oktober kommt aus dem Lehrstuhl für Werkstoffsimulation (WW8) und hat den Titel:

Dämpfung von intelligenten miniaturisierten Systemen mit Formgedächtnislegierungen

von Shahabeddin Ahmadi und Frank Wendler

Worum geht es bei dem Thema?

In unserem Projekt untersuchen wir in Simulationen die thermomechanische Kopplung in Formgedächtnislegierungen (FGL) wie Nickel-Titan, die mit die höchste Energiedichte im Bereich der Funktionsmaterialien aufweisen. Wir entwickeln dabei finite-Elemente-Modelle, die eine räumliche Auflösung der Prozesse auf der Mesoskala besitzen, also lokales Verhalten zwischen Bauteil- und Kristallstruktur beschreiben und gleichzeitig eine hohe Zeitauflösung zeigen, um das komplexe dynamische Verhalten zu untersuchen.

NiTi kann bei mechanischer Belastung durch Spannungen von bis zu 500 MPa erhebliche Dehnungen von bis zu 8% völlig unbeschadet durchlaufen und auch bei scheinbar massiver plastischer Verformung wieder in seine urprüngliche Form zurückkehren (Formgedächtnis). Diese außergewöhnlichen Eigenschaften von FGLs beruhen auf der Nanoskala auf einer reversiblen Phasenumwandlung der Austenit-Phase mit kubischem Kristallgitter in den Martensit, der ein dagegen verzerrtes Gitter aufweist.  Die martensitische Umwandlung, die bei Hochleistungsstählen wie TRIP (Transformation Induced Plasticity) zur hohen Duktilität beiträgt, ist hier mit einer großen latenten Wärme verbunden. Das Material heizt und kühlt sich beim Übergang daher um bis zu 20°C auf bzw. ab, so dass NiTi auch als Festkörper-Kältemittel eingesetzt werden kann. Wie dieser sogenannte elastokalorischen Effekt für miniaturisierte Wärmepumpen nutzbar gemacht werden kann, untersuchen wir in einer anderen Arbeit.

 

Bild 1: Miniatur-Brückenschwinger, der aus zwei NiTiFe-Filmen, einer Masse und einem Spacer zur Vorspannung zusammengesetzt ist (Copyright: Kiran Jacob, Institut für Mikrostrukturtechnik, KIT).

Hier interessieren wir uns für die Eigenschaft dünner Filme und Folien aus NiTi-basierten Legierungen, mechanische Energie von Vibrationen oder Schocks zu kompensieren,  also in Wärme umzuwandeln. Das Dämpfungsverhalten ist stark davon abhängig, wie schnell der Phasenübergang und der Abtransport der damit verbundenen latenten Wärme stattfindet. Dies ist eine komplexe Fragestellung, da der Martensitanteil im Metall, die Temperatur und die mechanische Reaktion sich gegenseitig beeinflussen und verzögert ablaufen. Bild 1 zeigt ein entwickeltes Dämpfersystem als Beispiel, das aus zwei gegeneinander verspannten vierfach-Brücken besteht. Dieses System kann einen Schwingungsfreiheitsgrad senkrecht zur Filmebene kompensieren. In Bild 2 ist die Veränderung von Martensitanteil und Temperatur in zwei komplementären Brückenarmen für 6 Zeitschritte (einer Oszillationsperiode) simuliert worden, die nach Auslenkung und schlagartiger Entlastung des Bauteils auftraten. Erstaunlicherweise ändert sich der Martensitanteil nicht wie bei quasistatischer (langsamer) Belastung über Verschiebung der Grenzen der Bänder (rot/grün-blau-Übergänge), bei der Oszillationsfrequenz von 50 Hz nukleieren im Martensit überall neue filigrane Austenit-Bänder.  Dabei bilden sich stationäre heiße Bereiche und solche, die zwischen heiß und kalt schwanken.

Bild 2: Für zwei zusammenhängende NiTi-Filme sind links die Verteilung des Martensitanteils und rechts die der Temperatur für sechs Zeitschritte während einem Oszillationszyklus (2 x Spannen und Entspannen) dargestellt.

Wo findet es Anwendung?

Seit ca. 20 Jahren werden FGL-basierte Dämpfungslemente in Brücken und Hochhäusern als Schutz gegen seismische Belastung eingebaut, vor allem für den niederfrequenten Bereich bis 4 Hz. Wir versuchen dieses Konzept zur Schwingungsisolation auf kleine Sensor- und Kamera-systeme zu übertragen, für Anwendungen im Bereich portabler und autonomer Systeme (z.B. in Smartphones, Drohnen). Da das Masse-Dämpfer-Feder-System immer als Gesamtheit betrachtet werden muss, stellt die Miniaturisierung neue Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Materials und Bauteil-Designs. Effektive, validier- und kalibrierbare numerische Modelle sind hier äußerst hilfreich.

Was ist weiter geplant?

Wir konnten zeigen, wie durch Einstellen von Vorspannung, Amplitude und Frequenz des angeregten Systems ein Freiheitsgrad optimal passiv gedämpft werden kann, und dies auch in den FEM-Simulation quantitativ begründen. Am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT, dem Kooperationspartner in diesem Projekt, wird gerade an einem System mit mehreren Freiheitsgraden gearbeitet. Zusätzlich soll dabei der Formgedächtniseffekt ausgenutzt werden, der hier durch aktive Heizung des Metalls mittels Stromflusses getriggert wird. Der thermische Transport kann durch weitere Miniaturisierung beschleunigt und damit Frequenzbereiche > 10 Hz nutzbar gemacht werden. Die dabei verwendeten komplexeren Geometrien stellen für die Simulation eine echte Herauforderung dar; mit Methoden der Modellreduktion und diskreten rheologischen Ersatzmodellen versuchen wir die Rechenzeit in den Griff zu bekommen. Ein weiterer zentraler Punkt, bei dem Experiment und Simulation zusammenarbeiten:  wir entwickeln Charakterisierungsprotokolle, mit denen statische und dynamische Eigenschaften des realen Systems erfasst werden und die einen vollständigen Parametersatz für unser Modells liefern. Jede Formgedächtnisprobe ist nämlich etwas anders, was wohl an ihrem jeweils individuellen Gedächtnis zu liegen scheint.

Zu den Personen:

Für den Großteil der hier durchgeführten Simulationen und Modellentwicklungen ist Shahabeddin Ahmadi verantwortlich, der zuvor an der Iran University of Science and Technology in Arak den Bachelor in Mechanical Engineering und an der FAU seinen Master in Computational Engineering abgeschlossen hat. Jetzt promoviert er in dem von der DFG im Rahmen des Schwerpunktes SPP 1897 geförderten Projekts an der FAU und arbeitet dabei hauptsächlich am Karlsruher Institut für Technologie.

Frank Wendler hat in München an der TU Physik studiert und an der LMU in Kristallographie promoviert. An der Hochschule Karlsruhe, und später am KIT hat er numerische Methoden zur Simulation von Mikrostrukturen in Materialwissenschaft, Geologie, und Mikrotechnik entwickelt, insbesondere Phasenfeldmodelle. Über einen Zwischenstop an der Tohoku University in Sendai (Japan) ist er letztes Jahr an die FAU gekommen, und arbeitet hier als akademischer Rat am Lehrstuhl für Werkstoffsimulation in der Uferstadt in Fürth. Wochenweise pendelt er zwischen Fürth und Karlsruhe und kann damit auch mit den Kooperationspartnern am KIT in Kontakt bleiben.

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