Tři Fraunhoferovy instituty spojily síly, aby vyvinuly novou třídu vysoce zátěžových aktuátorů s tvarovou pamětí, které rychle přepínají velké síly s minimální velikostí a vysokou dynamikou.
Vysokozátěžové aktuátory založené na tepelných slitinách s tvarovou pamětí vyvinuté výzkumnými pracovníky ve Fraunhoferových institutech mohou generovat vysoké síly v malém prostoru při vysokém dynamickém rozsahu. Tyto nové akční členy lze mimo jiné použít k přesnému polohování součástí ve výrobních strojích. Peltierův systém regulace teploty ovládá pohon SMA. Na pravé straně jsou aditivně a konvenčně vyráběné komponenty SMA
© Fraunhofer IWU
Mnoho aplikací, například ve výrobě nástrojů a strojírenství, vyžaduje, aby akční členy převáděly elektrické signály na mechanický pohyb. Pokud aplikace vyžaduje velké síly při použití minimálního instalačního prostoru, jsou nejlepší volbou aktuátory vyrobené z tepelných slitin s tvarovou pamětí. Jejich jedinou nevýhodou je pomalý proces chlazení a z toho vyplývající nízká dynamika.
V rámci nedávno dokončeného výzkumného projektu HochPerForm proto vytvořil tým složený z výzkumníků z Fraunhoferova IPM (FraunhoferInstitut für Physikalische Messtechnik), Fraunhoferova IWU (FraunhoferInstitut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik) a Fraunhoferova IFAM (FraunhoferInstitut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung) kompaktní, vysoce dynamické aktuátory s vysokým zatížením založené na tepelných slitinách s tvarovou pamětí (SMA). S průměrem pouhých 15 mm a délkou 16 mm mohou tyto nové pohony zvednout hmoty o hmotnosti 500 kg až o 200 μm. Inovativní Peltierův systém regulace teploty umožňuje spínání pohonů při frekvencích vyšších než 0,3 Hz. Jejich ovládání vyžaduje pouze dva kabely připojené k decentralizované, cenově výhodné jednotce řídicí elektroniky.
Tým začal vývojem dílčích funkčních modelů s cílem odpovědět na tři hlavní otázky projektu. 1. Jak lze minimalizovat instalační prostor vysokozátěžového pohonu SMA? 2. Jak lze rychle nastavit akční člen na správnou teplotu? 3. Lze požadované komponenty SMA vytisknout 3D?
Na základě svých zjištění tým vyvinul vysokozátěžový aktuátor SMA s mnohem lepšími vlastnostmi díky 3D tištěné SMA komponentě a výkonné regulaci teploty. Použili funkční demonstrátor, aby ukázali, že nové vysokozátěžové aktuátory jsou ideální pro úkoly, jako je jemné polohování součástí výrobních strojů, a jsou předurčeny pro aplikace, které vyžadují velké přídržné a upínací síly.
Inovace v chlazení, návrhu systému a výrobě
Tým Fraunhoferova IPM použil dva přístupy k rychlému chlazení vysokozatížených pohonů SMA: přepínatelné tepelné trubice a kulaté termoelektrické moduly. Zejména druhý přístup umožnil vysoké dynamické rozsahy navzdory malé velikosti systému. To otevírá zcela nové aplikace pro pohony SMA z hlediska kompaktnosti, ovladatelnosti a jednoduchosti.
Základní vysokozátěžový pohon SMA byl vyvinut ve Fraunhoferově IWU. Kromě komponenty SMA, která funguje jako měnič energie, se skládá ze sofistikovaného systému tažných a tlačných tyčí. Během vývoje zavedl tým Fraunhoferova IWU modulární konstrukci, která umožňuje přizpůsobení vysokozatížených pohonů SMA.
Až dosud byla geometrická volnost a dostupnost komponent s tvarovou pamětí nevýhodou vysoce zatížených aktuátorů SMA. Tým Fraunhoferova IFAM tento problém vyřešil 3D tiskem na míru vyrobených komponent SMA. Díky svým rozsáhlým zkušenostem byl Fraunhoferův IFAM také schopen výrazně zlepšit funkční charakteristiky, jako je hystereze a degradace pomocí laserové práškové fúze (L-PBF).
| Peltierův článek |
| Funguje na principu tepelného čerpadla, to tedy znamená, že z jedné z jeho stran lze „odčerpávat“ teplo, čímž dochází k jejímu ochlazování, a přenášet jej do druhé strany, jež se díky tomu naopak ohřívá. Jedná se o princip Peltierova jevu, který je založen na průchodu proudu obvodem se dvěma rozdílnými vodiči zapojenými v sérii (většinou bizmut a tellur). Jejich spojené konce se ochlazují a opačné konce zahřívají. |