Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6718

Entwicklung von Mikroaktoren aus Formgedächtnislegierungen

Manfred Kohl

Zusammenfassung
Formgedächtnislegierungen (FGL) besitzen die faszinierende Eigenschaft der Gestalt-erinnerung, die mit der Erzeugung hoher Energiedichten verbunden ist. Heutzutage werden sie bereits in mehreren sehr erfolgreichen Anwendungen genutzt. Innerhalb der letzten 10 Jahre haben FGL-Bauelemente auch in die Mikrosystemtechnik Einzug gehalten. Der vorliegende Bericht gibt einen Überblick über den heute erreichten Stand der Entwicklungen. Am Beispiel von FGL-Mikroventilen und FGL-Linearaktoren wird die Mikroaktor-Entwicklung von der Idee bis zum Prototypen in umfassender Breite beschrieben.

Die Breite der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in der FGL-Mikroaktorik reicht derzeit von rein materialwissenschaftlichen Themen bis hin zu technologischen Fragestellungen, z.B. bei der Mikrostrukturierung, Integration und Kontaktierung. Weitere Entwicklungs-schwerpunkte sind dreidimensionale Modelle zur Behandlung komplexer FGL-Aktorgeometrien und gekoppelte Simulationsverfahren zur Berücksichtigung multifunktionaler Eigenschaften. Zum Aktorentwurf werden mechanische und thermische Optimierungskriterien vorgestellt, deren systematische Umsetzung eine optimale Nutzung des Formgedächtniseffekts erlaubt.

Einige der beschriebenen Prototypen sind bereits konkurrenzfähige Bauelemente. Dazu gehören normal geöffnete, mit 20 µm dicken FGL-Folienantrieben angesteuerte FGL-Mikroventile, die zu den kleinsten Mikroventilen zählen und dennoch zu anderen Ventilkonzepten vergleichbare Drücke und Durchflüsse kontrollieren können. Durch ihre modulare Bauweise können sie mit anderen Mikrofluidik-Komponenten flexibel kombiniert werden, um fluidische Mikrosysteme zu realisieren. Ein weiteres Beispiel sind FGL-Mikrogreifer, eine Weiterentwicklung der FGL-Linearaktoren, die derzeit anderen Mikrogreifern vergleichbarer Baugröße hinsichtlich Greifkraft und -hub weit überlegen sind.

Development of Microactuators from Shape Memory Alloys

Abstract
Shape memory alloys (SMAs) have the fascinating property of shape recovery, which is associated with the generation of high energy densities. Nowadays, they are already used in several very successful applications. Within the last 10 years, SMA devices have entered also the field of microsystems technology. The present report gives an overview on the current state-of-the-art. For the examples of SMA microvalves and SMA linear actuators, the microactuator development is described from the idea to the prototype in comprehensive breadth.

The breadth of research and development activities on SMA microactuators presently ranges from pure scientific topics of materials research to technological problems, e.g. of micromachining, integration and contacting. Further key aspects of development are three-dimensional models for the handling of complex SMA actuator geometries and coupled simulation routines in order to take multifunctional properties into account. For actuator design, mechanical and thermal optimization criteria are introduced, whose systematic implementation allows an optimum use of the shape memory effect.

Some of the presented prototypes are already competitive components. One example are normally-open SMA microvalves driven by SMA foil actuators of 20 µm thickness, which are counted among the smallest microvalves and which still are able to control pressures and flows comparable to other valve concepts. Due to their modular design they can be combined with other microfluidic components in a flexible way for realization of fluidic microsystems. Another example are SMA microgrippers, a further development of SMA linear actuators, which presently outperform other microgrippers of comparable size with respect to gripping force and stroke.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK