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W.-G. Drossel (Hrsg.)
A. Bucht
Charakterisierung, Modellbildung und Regelung mechatronischer Hochlastaktoren aus thermischen Formgedächtnislegierungen

Berichte aus dem IWU, Band 125
242 Seiten, m. Abb. und Tab., A5, Broschur

ISBN: 9783957351517
Verlag Wissenschaftliche Scripten

Die Integration aktorischer Funktionen in Werkzeuge und Maschinenkomponenten erfordert eine Technologie für die Realisierung miniaturisierter, kurzhubiger und sehr steifer Aktoren im Kraftbereich größer 1 kN. Konventionelle Aktortechnologien erfüllen diese Anforderungen nur teilweise. Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL) als unkonventionelle Aktortechnologie haben sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Arbeitsdichte und des einfachen Aufbaus inzwischen in Form miniaturisierter Drahtaktoren zur Erzeugung kleiner Kräfte am Markt etabliert. Die Skalierung auf höhere Kräfte erfordert den Einsatz massiver auf Druck belastbarer FG-Bauteile.

Im Vergleich zu Drahtaktoren existieren durch die ungünstigeren thermischen und geometrischen Randbedingungen deutlich mehr Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit dieser Aktoren, was die Auslegung komplexer macht. Derzeit sind die wirkenden Einflussgrößen und die entstehenden Wechselwirkungen nur unzureichend bekannt. Dies verhindert die gezielte Auslegung druckbelasteter FG-Aktoren für hohe Kräfte. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, die an druckbelasteten FG-Aktoren für hohe Lasten wirkenden Einflussgrößen zu beschreiben, hinsichtlich ihrer Einflussstärke zu quantifizieren und Gestaltungsmöglichkeiten des Aktors zur Verbesserung seiner Leistungsfähigkeit aufzuzeigen. Dazu erfolgt zunächst die Analyse der funktionalen Eigenschaften einer NiTiCu7,5-FGL. Dies ermöglicht die Bewertung der aktorischen Leistungsfähigkeit des Werkstoffes und liefert notwendige Werkstoffund Bauteilkennwerte.

Besonderen Raum nimmt die Entwicklung eines übertragbaren Modells des stationären und transienten Verhaltens eines FG-Hochlastaktors ein. Um eine explizite Darstellung des Einflusses von Nichtlinearitäten und Wechselwirkungen zu erreichen, erfolgt die Darstellung des Systemverhaltens mit konzentrierten Parametern bei einer Reduktion auf wenige Freiheitsgrade. Dieses Modell wird genutzt, um für einen Referenzaktor die Einflussgrößen auf die Stelldynamik des Aktors zu quantifizieren sowie das bestehende Verbesserungspotential zu identifizieren und zu bewerten. Abschließend erfolgt die Entwicklung eines adaptiven PI-Reglers zur Positionsregelung des FG-Aktors.

Die Regelung wird experimentell validiert und das Übergangsverhalten bewertet.

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1 Einleitung

2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.1 Grundlagen der Formgedächtnistechnik
2.1.1 Formgedächtniseffekte
2.1.2 Aktorische Nutzung des Formgedächtnis-Effektes
2.1.3 Werkstoffe, Eigenschaften und Fertigungsverfahren

2.2 Anwendungen von Formgedächtnisaktoren

2.3 Werkstofftechnische Aspekte druckbelasteter FG-Bauteile

2.4 Stelldynamik von Formgedächtnisaktoren

2.5 Modellbildung von Formgedächtnisaktoren
2.5.1 Kinetik der Phasenumwandlung
2.5.2 Mechanik
2.5.3 Thermodynamik

2.6 Regelung von Formgedächtnisaktoren

3 Handlungsbedarf und Vorgehensweise

3.1 Defizite im Stand der Technik

3.2 Zielstellung der Arbeit

4 Analyse der funktionalen Eigenschaften von NiTiCu unter Druckbelastung

4.1 Analyse der Werkstoffeigenschaften
4.1.1 Ausdehnungskoeffizient  und Wärmeleitwert 
4.1.2 Phasenumwandlungsverhalten
4.1.3 Spannungs-Dehnungs-Verhalten

4.2 Fertigung der Formgedächtnis-Bauteile

4.3 Analyse der Formgedächtnis-Bauteile
4.3.1 Eingesetzte Messtechnik
4.3.2 Stabilisierung der Formgedächtnis-Bauteile
4.3.3 Kraft-Verformungs-Verhalten
4.3.4 Phasenumwandlungsverhalten
4.3.5 Zyklenfestigkeit

4.4 Zusammenfassung

5 Modellbildung und Systemidentifikation

5.1 Aktorkonzept
5.1.1 Aufbau der Formgedächtnis-Aktoren
5.1.2 Ableitung der Modellstruktur

5.2 Teilmodell des stationären Verhaltens
5.2.1 Kinetik der Phasenumwandlung
5.2.2 Mechanik der Phasenumwandlung

5.3 Modell des transienten Verhaltens
5.3.1 Thermisches Knotenpunktmodell
5.3.2 Wärmeübergangswiderstand RFU
5.3.3 Wärmekapazität CFA
5.3.4 Messtechnische Validierung des Aktormodells
5.3.5 Modellparameter des eingespannten Aktors

5.4 Zusammenfassung

6 Einflussgrößen und Optimierung des dynamischen Verhaltens
6.1 Bewertungskriterium und Methodik

6.2 Einflussgrößenanalyse
6.2.1 Einfluss der Systemeigenschaften auf die Abkühldynamik
6.2.2 Einfluss des Betriebspunktes auf die Abkühldynamik
6.2.3 Zusammenfassung der Einflussgrößen

6.3 Minimierung der Zeitkonstante des Aktors FA
6.3.1 Minimierung der Wärmekapazität CFA des Aktors
6.3.2 Gestaltungsmöglichkeiten der Konvektionsfläche AO
6.3.3 Maximierung des Wärmeübergangskoeffizienten 

6.4 Heizleistung und Wirkungsgrad

6.5 Zusammenfassung

7 Regelung des Formgedächtnis-Aktors

7.1 Charakteristik der Regelstrecke

7.2 Arbeitspunktabhängigkeit der Regelstreckenparameter
7.2.1 Regelstreckenverstärkung kRS
7.2.2 Zeitkonstanten der Regelstrecke

7.3 Reglerentwurf
7.3.1 Kriterien zur Bestimmung der Reglerparameter
7.3.2 Simulative Erprobung der Regelungsalgorithmen

7.4 Experimentelle Erprobung der Regelung

7.5 Zusammenfassung

8 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis
Anhang
A Messtechnisch ermittelte Werkstoff- und Bauteilparameter
B Analyse der Versuchsvorrichtung und der Messtechnik
C Thermische Randbedingungen des Formgedächtnis-Bauteils
D Dynamische Charakterisierung
E Beziehungen und Daten zur Optimierung des Abkühlverhaltens
F Funktionen zur Ermittlung der Regelstreckenverstärkung

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