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MAGNETOSHAPE®

„The Heart of Motion“ beschreibt den Kern dessen, was wir tun und wofür wir arbeiten. Deswegen liegt es nahe, das „Herz“ von Bewegung zu hinterfragen und grundsätzlich neu zu denken. Der Anker eines Elektromagneten oder der Läufer des Elektromotors sind vielleicht die gebräuchlichsten, aber nicht immer die optimalen Lösungen für eine Aufgabe.

Magnetfelder führen in magnetischen Formgedächtniswerkstoffen zu Dehnungen. Damit lassen sich Antriebe realisieren, bei denen Bewegung im Inneren des Werkstoffs entsteht und tribologische Schnittstellen entfallen. Unter der Bezeichnung MAGNETOSHAPE® erarbeiten wir auf Basis dieses Effektes innovative Antriebskonzepte vom Werkstoff über den Aktor bis zum mechatronischen System – immer mit dem Ziel der technologisch besten Lösung im Sinne unserer Kunden.

 

 

Die Magnetic-Shape-Memory-Technologie, kurz erklärt

 

MAGNETIC SHAPE MEMORY Kurz erklärt

Magnetic-Shape-Memory-Legierungen sind ferromagnetische Materialien, die Kraft und Bewegung unter moderaten Magnetfeldern erzeugen. Die typischerweise einkristallinen Legierungen aus Nickel, Mangan und Gallium sind in der Lage, unter externen Lasten 6 % Dehnung zu erzeugen. Und das bei Frequenzen bis in den niedrigen Kilohertz-Bereich.

Entdeckt wurde der Magnetic-Shape-Memory-Effekt Mitte der 90er Jahre. In den letzten Jahren hat ETO intensiv im Bereich des Magnetic-Shape-Memory-Effektes geforscht, das Material entscheidend weiterentwickelt und darauf basierende Aktoren aufgebaut. Heute steht ETOs neue MAGNETOSHAPE®-Technologie für den Einsatz in ersten Serienanwendungen bereit. Durch ihre einzigartigen technischen Vorteile besitzt die Technologie das Potenzial, künftig elektromagnetische und andere Aktortechnologien zu ersetzen.

 

 

 

Herstellung des einkristallinen MAGNETOSHAPE®-Materials

 

PIC12

· Die Rohmaterialien werden bei etwa 1.400 °C induktiv geschmolzen und legiert

· Mit einem modifizierten Bridgman-Prozess werden große Einkristalle gezogen

· Die Kristalle werden zur chemischen Homogenisierung und Einstellung der Mikrostruktur wärmebehandelt

· Die Kristallorientierung wird mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt

· Die Kristalle werden typischerweise in quaderförmige Elemente geschnitten

· Die Elemente werden für die Anwendung konfiguriert

 

 

 

Technische Daten des MAGNETOSHAPE®-Materials

 

MAGNETOSHAPE ®
Legierung  NiMnGa
Feldinduzierte Spannung  6 % unter bis zu 2 N/mm²
Blockierspannung Bis zu 3,5 N/mm²
Schaltfeld 0,6 T
Temperaturbereich -40 °C – 60 °C
Hohe Lebensdauer 2x109 (Material)
Typische Elementgröße  1 x 3 x 10 mm³ bis 6 x 6 x 30 mm³
Magnetische Permeabilität  2 (harte Achse); 50 (leichte Achse)
Frequenz  DC bis 1 kHz
Schaltgeschwindigkeit  <1 ms (anhängig vom Aktor)
MAGNETOSHAPER Materialien Technische Daten update
 

 

Die Designprinzipien der MAGNETOSHAPE®-Aktoren

 

MAGNETOSHAPE®-Feder-Aktor

 

· Rückstellfeder dem MAGNETOSHAPE®-Element entgegengesetzt

· Extrem kurze Schaltzeiten (~ 1 ms)

· Bistabile Variante mit Permanentmagnet möglich

· Verschiedene Magnetkreise abhängig von der nötigen Funktionalität (Kraft, Weg, Frequenz) möglich

Feder Aktor Bild und Diagramm

MAGNETOSHAPE®-Push-Push-Aktor

 

· Zwei MAGNETOSHAPE®-Aktor-Einheiten arbeiten antagonistisch

· Energieeffiziente Multistabilität

· Zwischenpositionen sind stabil ohne Stromverbrauch

· Ermöglicht schnelle und präzise Positionsregelung (< 5 µm)

Push Push Aktor Bild und Diagramm

Vorteile von MAGNETOSHAPE®-Aktoren

 

· Arbeiten energieeffizient

· Bieten eine hohe Arbeitsabgabe bei hohen Frequenzen

· Ermöglichen ein verbessertes Design des Aktors mit geringem tribologischem Verschleiß

· Zeigen extrem schnelles Schaltverhalten

· Erlauben Hochlebensdauer-Anwendungen

· Können als bi- oder multistabile Aktoren sowie als monostabile Aktoren mit Fail-safe-Funktionalität ausgelegt werden

· Können simultan thermisch aktiviert werden

· Bieten Self-sensing-Fähigkeit

 

 

Nicht-Aktor-Anwendungen

 

MAGNETOSHAPE®-Smart-Materials können auch für Nicht-Aktor-Anwendungen eingesetzt werden. Dies ermöglicht der inverse magnetische und thermische Formgedächtniseffekt.

· Messung von Position, Geschwindigkeit, Kraft, Druck etc.

· Energy Harvesting für drahtlose Energieversorgung

· Passive und aktive Dämpfung

· Verwendung spezifischer Legierungen als Hochtemperatur-Formgedächtnismaterial (FGL)

· Gedünntes einkristallines Material (< 30 µm) für mikrosystemtechnische Anwendungen (Aktor, Sensor, Harvesting)

· Dünnschichtmaterialien sind im akademischen Bereich in Entwicklung

 

 

Veröffentlichungen

 

2015

· Structural behavior and magnetic properties of a Ni–Mn–Ga single crystal across the martensite/austenite two-phase region

· MSM-Greifer mit stationärer Aktuierung

 

2014

· Over 7% magnetic field-induced strain in a Ni-Mn-Ga five-layered martensite

· Magnetomechanical properties of a high-temperature Ni–Mn–Ga magnetic shape memory actuator material

· High-temperature magnetic shape memory actuation in a Ni–Mn–Ga single crystal

· FEM-Simulation of Magnetic Shape Memory Actuators

· Recent developments in magnetic shape memory actuation

· A modular energy efficient actuator based on magnetic shape memory alloys

· Magnetic Shape Memory Actuators for Fluidic Applications

 

2013

· Structural modification and twinning stress reduction in a high-temperature Ni-Mn-Ga magnetic shape memory alloy

· Failure mechanisms and high-cycle fatigue of MSM actuators

 

2012

· Progress in developing smart magnetic materials for advanced actuator solutions

 

2011

· A Novel Concept for Strain Sensing Based on the Ferromagnetic Shape Memory Alloy NiMnGa

· Effects of film thickness and composition on the structure and martensitic transition of epitaxial off-stoichiometric Ni–Mn–Ga magnetic shape memory films

 

2010

· Production and characterization of large single crystals made of ferromagnetic shape memory alloys Ni–Mn–Ga

 

 

Nützliche Links

 

· Konsortium smart³ im BMBF - Programm Zwanzig20

· FGL - Netzwerk zur effizienten Wertschöpfung bei Herstellung und Anwendung von Formgedächtnislegierungen