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Aktuatoren werden überall eingesetzt und erzeugen durch die Anwendung der richtigen Anregungskraft oder des richtigen Drehmoments kontrollierte Bewegungen für verschiedene Vorgänge in der Fertigung und industriellen Automatisierung. Der Bedarf an schnelleren, kleineren und effizienteren Antrieben treibt Innovationen im Antriebsdesign voran. Antriebe aus Formgedächtnislegierungen (FGL) bieten gegenüber konventionellen Antrieben eine Reihe von Vorteilen, darunter ein hohes Leistungsgewicht. In dieser Dissertation wurde ein zweifiederiger FGL-basierter Aktuator entwickelt, der die Vorteile der federartigen Muskeln biologischer Systeme mit den einzigartigen Eigenschaften von FGL kombiniert. Diese Studie untersucht und erweitert bisherige FGL-Aktuatoren, indem ein mathematisches Modell des neuen Aktuators basierend auf der bimodalen FGL-Drahtanordnung entwickelt und experimentell getestet wird. Im Vergleich zu bekannten FGL-basierten Antrieben ist die Betätigungskraft des neuen Antriebs mindestens fünfmal höher (bis zu 150 N). Der entsprechende Gewichtsverlust beträgt etwa 67 %. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse mathematischer Modelle sind nützlich, um Designparameter zu optimieren und Schlüsselparameter zu verstehen. Diese Studie stellt außerdem einen mehrstufigen N-ten-Stufen-Antrieb vor, der zur weiteren Verbesserung der Dynamik eingesetzt werden kann. Auf SMA basierende Dipvalerat-Muskelaktuatoren haben ein breites Anwendungsspektrum, von der Gebäudeautomatisierung bis hin zu präzisen Medikamentenverabreichungssystemen.
Biologische Systeme wie die Muskelstrukturen von Säugetieren können viele subtile Aktoren aktivieren1. Säugetiere haben unterschiedliche Muskelstrukturen, die jeweils einem bestimmten Zweck dienen. Ein Großteil der Struktur des Muskelgewebes von Säugetieren kann jedoch in zwei große Kategorien unterteilt werden: parallel und gefiedert. In den ischiocruralen Muskeln und anderen Beugemuskeln hat die parallele Muskulatur, wie der Name schon sagt, Muskelfasern parallel zur zentralen Sehne. Die Kette der Muskelfasern ist ausgerichtet und durch das sie umgebende Bindegewebe funktionell verbunden. Obwohl diese Muskeln eine große Exkursion (prozentuale Verkürzung) aufweisen, ist ihre Gesamtmuskelkraft sehr begrenzt. Im Gegensatz dazu findet sich im Trizeps-Wadenmuskel2 (lateraler Gastrocnemius (GL)3, medialer Gastrocnemius (GM)4 und Soleus (SOL)) und im Extensor femoris (Quadrizeps)5,6 in jedem Muskel gefiedertes Muskelgewebe7. Bei einer gefiederten Struktur verlaufen die Muskelfasern der zweifiederten Muskulatur beidseitig der Zentralsehne in schrägen Winkeln (Fiederungswinkel). „Pennat“ kommt vom lateinischen Wort „penna“, was „Stift“ bedeutet, und hat, wie in Abb. 1 dargestellt, ein federähnliches Aussehen. Die Fasern der gefiederten Muskeln sind kürzer und verlaufen abgewinkelt zur Längsachse des Muskels. Durch die gefiederte Struktur ist die Gesamtbeweglichkeit dieser Muskeln eingeschränkt, was zu Quer- und Längskomponenten des Verkürzungsprozesses führt. Andererseits führt die Aktivierung dieser Muskeln aufgrund der physiologischen Messung der Querschnittsfläche zu einer höheren Gesamtmuskelkraft. Daher sind gefiederte Muskeln bei gegebener Querschnittsfläche stärker und erzeugen höhere Kräfte als Muskeln mit parallelen Fasern. Die von einzelnen Fasern erzeugten Kräfte erzeugen in diesem Muskelgewebe Muskelkräfte auf makroskopischer Ebene. Darüber hinaus verfügt es über einzigartige Eigenschaften wie schnelles Schrumpfen, Schutz vor Zugschäden und Dämpfung. Es verändert die Beziehung zwischen Fasereingabe und Muskelkraftabgabe, indem es die einzigartigen Merkmale und die geometrische Komplexität der mit den Muskelaktionslinien verbundenen Faseranordnung ausnutzt.
Dargestellt sind schematische Diagramme bestehender SMA-basierter Aktuatordesigns in Bezug auf eine bimodale Muskelarchitektur, beispielsweise (a) Darstellung der Interaktion taktiler Kräfte, bei der ein handförmiges, durch SMA-Drähte betätigtes Gerät auf einem zweirädrigen autonomen mobilen Roboter montiert ist9,10. , (b) Robotische Orbitalprothese mit antagonistisch platzierter, federbelasteter SMA-Orbitalprothese. Die Position des künstlichen Auges wird durch ein Signal des Augenmuskels gesteuert11, (c) SMA-Aktuatoren eignen sich aufgrund ihrer hohen Frequenzreaktion und geringen Bandbreite ideal für Unterwasseranwendungen. In dieser Konfiguration werden SMA-Aktuatoren verwendet, um durch Simulation der Bewegung von Fischen eine Wellenbewegung zu erzeugen. (d) SMA-Aktuatoren werden verwendet, um einen Mikro-Rohrinspektionsroboter zu erstellen, der das Prinzip der Inch-Worm-Bewegung nutzen kann und durch die Bewegung von SMA-Drähten im Kanal 10 gesteuert wird. (e) zeigt die Richtung der Kontraktionsmuskelfasern und die Erzeugung einer Kontraktionskraft im Gastrocnemius-Gewebe. (f) zeigt SMA-Drähte, die in Form von Muskelfasern in der gefiederten Muskelstruktur angeordnet sind.
Aktoren sind aufgrund ihres breiten Anwendungsspektrums zu einem wichtigen Bestandteil mechanischer Systeme geworden. Daher ist der Bedarf an kleineren, schnelleren und effizienteren Antrieben kritisch. Trotz ihrer Vorteile erweisen sich herkömmliche Antriebe als teuer und zeitaufwändig in der Wartung. Hydraulische und pneumatische Aktoren sind komplex und teuer und unterliegen Verschleiß, Schmierproblemen und Komponentenausfällen. Um der Nachfrage gerecht zu werden, liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung kostengünstiger, größenoptimierter und fortschrittlicher Aktoren auf Basis intelligenter Materialien. Laufende Forschungen befassen sich mit geschichteten Aktoren aus Formgedächtnislegierungen (FGL), um diesem Bedarf gerecht zu werden. Hierarchische Aktoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie viele diskrete Aktoren zu geometrisch komplexen Subsystemen im Makromaßstab kombinieren und so eine erhöhte und erweiterte Funktionalität bieten. Das oben beschriebene menschliche Muskelgewebe bietet in dieser Hinsicht ein hervorragendes Beispiel für eine solche mehrschichtige Aktorik. Die vorliegende Studie beschreibt einen mehrstufigen FGL-Antrieb mit mehreren einzelnen Antriebselementen (FGL-Drähten), die an den in bimodalen Muskeln vorhandenen Faserorientierungen ausgerichtet sind, was die Gesamtleistung des Antriebs verbessert.
Der Hauptzweck eines Aktuators besteht darin, durch Umwandlung elektrischer Energie mechanische Leistung wie Kraft und Weg zu erzeugen. Formgedächtnislegierungen sind eine Klasse „intelligenter“ Materialien, die bei hohen Temperaturen ihre Form wiederherstellen können. Unter hoher Belastung führt eine Temperaturerhöhung des SMA-Drahtes zur Formrückgewinnung, was zu einer höheren Aktuationsenergiedichte im Vergleich zu verschiedenen direkt verbundenen intelligenten Materialien führt. Gleichzeitig werden SMAs unter mechanischer Belastung spröde. Unter bestimmten Bedingungen kann eine zyklische Belastung mechanische Energie absorbieren und freisetzen, was zu reversiblen hysteretischen Formänderungen führt. Diese einzigartigen Eigenschaften machen SMAs ideal für Sensoren, Schwingungsdämpfung und insbesondere Aktuatoren12. Vor diesem Hintergrund wurde intensiv an SMA-basierten Antrieben geforscht. SMA-basierte Aktuatoren sind für die Bereitstellung von Translations- und Drehbewegungen für eine Vielzahl von Anwendungen konzipiert13,14,15. Obwohl bereits einige Drehaktuatoren entwickelt wurden, interessieren sich Forscher besonders für Linearaktuatoren. Diese Linearaktuatoren lassen sich in drei Typen unterteilen: eindimensionale, Weg- und Differenzialaktuatoren16. Ursprünglich wurden Hybridantriebe in Kombination mit SMA und anderen konventionellen Antrieben entwickelt. Ein Beispiel für einen SMA-basierten Hybrid-Linearaktuator ist die Verwendung eines SMA-Drahts mit einem Gleichstrommotor, um eine Ausgangskraft von etwa 100 N und eine erhebliche Verschiebung zu erzeugen17.
Eine der ersten Entwicklungen bei vollständig auf FGL basierenden Antrieben war der FGL-Parallelantrieb. Durch die Verwendung mehrerer FGL-Drähte erhöht der FGL-basierte Parallelantrieb die Leistungsfähigkeit des Antriebs durch die Parallelschaltung aller FGL-Drähte. Die Parallelschaltung von Aktuatoren erfordert nicht nur mehr Leistung, sondern begrenzt auch die Ausgangsleistung eines einzelnen Drahtes. Ein weiterer Nachteil von FGL-basierten Aktuatoren ist der begrenzte Hub. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein FGL-Kabelträger mit einem abgelenkten flexiblen Träger entwickelt, um den Hub zu erhöhen und eine lineare Bewegung zu ermöglichen. Dies erzeugte jedoch keine höheren Kräfte19. Weiche, verformbare Strukturen und Gewebe für Roboter auf Basis von Formgedächtnislegierungen wurden primär zur Stoßverstärkung entwickelt20,21,22. Für Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten wurden kompakte Pumpen mit Dünnschicht-FGL für mikropumpengetriebene Anwendungen entwickelt23. Die Antriebsfrequenz der Dünnschicht-FGL-Membran ist ein Schlüsselfaktor für die Geschwindigkeitsregelung des Antriebs. Daher weisen FGL-Linearmotoren ein besseres dynamisches Ansprechverhalten auf als FGL-Feder- oder Stabmotoren. Softrobotik und Greiftechnologie sind zwei weitere Anwendungen, die SMA-basierte Aktoren nutzen. Beispielsweise wurde als Ersatz für den Standardaktor der 25-N-Raumklemme ein paralleler Aktor aus Formgedächtnislegierung 24 entwickelt. In einem anderen Fall wurde ein weicher SMA-Aktor auf Drahtbasis mit eingebetteter Matrix hergestellt, der eine maximale Zugkraft von 30 N erzeugen kann. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften werden SMAs auch zur Herstellung von Aktoren verwendet, die biologische Phänomene nachahmen. Eine solche Entwicklung umfasst einen 12-Zellen-Roboter, der einen regenwurmähnlichen Organismus biomimetisch nachbildet und mit SMA eine sinusförmige Bewegung zum Feuern erzeugt 26,27.
Wie bereits erwähnt, ist die maximale Kraft, die mit bestehenden SMA-basierten Aktoren erzielt werden kann, begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, präsentiert diese Studie eine biomimetische bimodale Muskelstruktur, die von Drähten aus Formgedächtnislegierungen angetrieben wird. Sie bietet ein Klassifizierungssystem, das verschiedene Drähte aus Formgedächtnislegierungen umfasst. Bislang wurden in der Literatur keine SMA-basierten Aktoren mit ähnlicher Architektur beschrieben. Dieses einzigartige und neuartige System auf SMA-Basis wurde entwickelt, um das Verhalten von SMA während der bimodalen Muskelausrichtung zu untersuchen. Ziel dieser Studie war die Entwicklung eines biomimetischen Dipvalerat-Aktors im Vergleich zu bestehenden SMA-basierten Aktoren, der deutlich höhere Kräfte auf kleinem Raum erzeugt. Im Vergleich zu herkömmlichen Schrittmotorantrieben, die in HLK-Gebäudeautomatisierungs- und -steuerungssystemen eingesetzt werden, reduziert das vorgeschlagene SMA-basierte bimodale Antriebsdesign das Gewicht des Antriebsmechanismus um 67 %. Im Folgenden werden die Begriffe „Muskel“ und „Antrieb“ synonym verwendet. Diese Studie untersucht die multiphysikalische Simulation eines solchen Antriebs. Das mechanische Verhalten solcher Systeme wurde mit experimentellen und analytischen Methoden untersucht. Kraft- und Temperaturverteilungen wurden bei einer Eingangsspannung von 7 V weiter untersucht. Anschließend wurde eine parametrische Analyse durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Schlüsselparametern und der Ausgangskraft besser zu verstehen. Schließlich wurden hierarchische Aktuatoren in Betracht gezogen, und hierarchische Ebeneneffekte wurden als potenzielles zukünftiges Anwendungsgebiet für nichtmagnetische Aktuatoren in der Prothetik vorgeschlagen. Den Ergebnissen der genannten Studien zufolge erzeugt die Verwendung einer einstufigen Architektur mindestens vier- bis fünfmal höhere Kräfte als bekannte SMA-basierte Aktuatoren. Darüber hinaus zeigte sich, dass die gleiche Antriebskraft, die von einem mehrstufigen Antrieb erzeugt wird, mehr als zehnmal so hoch ist wie bei herkömmlichen SMA-basierten Antrieben. Die Studie beschreibt anschließend Schlüsselparameter anhand einer Sensitivitätsanalyse zwischen verschiedenen Designs und Eingangsvariablen. Die anfängliche Länge des SMA-Drahtes (\(l_0\)), der Gefiederwinkel (\(\alpha\)) und die Anzahl der Einzelstränge (n) in jedem einzelnen Strang wirken sich stark negativ auf die Stärke der Antriebskraft aus, während die Eingangsspannung (Energie) positiv korreliert.
SMA-Draht weist den Formgedächtniseffekt (SME) auf, der bei Nickel-Titan-Legierungen (Ni-Ti) auftritt. Typischerweise weisen SMAs zwei temperaturabhängige Phasen auf: eine Niedertemperaturphase und eine Hochtemperaturphase. Beide Phasen haben aufgrund des Vorhandenseins unterschiedlicher Kristallstrukturen einzigartige Eigenschaften. In der Austenitphase (Hochtemperaturphase), die oberhalb der Transformationstemperatur liegt, weist das Material eine hohe Festigkeit auf und verformt sich unter Last nur gering. Die Legierung verhält sich wie Edelstahl und kann daher höheren Betätigungsdrücken standhalten. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft von Ni-Ti-Legierungen werden die SMA-Drähte geneigt, um einen Aktuator zu bilden. Es werden entsprechende analytische Modelle entwickelt, um die grundlegende Mechanik des thermischen Verhaltens von SMAs unter dem Einfluss verschiedener Parameter und Geometrien zu verstehen. Die experimentellen und analytischen Ergebnisse zeigten gute Übereinstimmung.
An dem in Abb. 9a gezeigten Prototyp wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, um die Leistung eines bimodalen Antriebs auf SMA-Basis zu bewerten. Zwei dieser Eigenschaften, die vom Antrieb erzeugte Kraft (Muskelkraft) und die Temperatur des SMA-Drahtes (SMA-Temperatur), wurden experimentell gemessen. Wenn die Spannungsdifferenz entlang der gesamten Drahtlänge im Antrieb zunimmt, steigt aufgrund des Joule-Heizeffekts auch die Temperatur des Drahtes. Die Eingangsspannung wurde in zwei 10-s-Zyklen angelegt (in Abb. 2a, b als rote Punkte dargestellt), mit einer Abkühlphase von 15 s zwischen den Zyklen. Die Blockierkraft wurde mit einem piezoelektrischen Dehnungsmessstreifen gemessen und die Temperaturverteilung des SMA-Drahtes wurde in Echtzeit mit einer hochauflösenden LWIR-Kamera in wissenschaftlicher Qualität überwacht (Eigenschaften der verwendeten Ausrüstung siehe Tabelle 2). zeigt, dass während der Hochspannungsphase die Temperatur des Drahtes monoton ansteigt, aber wenn kein Strom fließt, fällt die Temperatur des Drahtes weiter. Im vorliegenden Versuchsaufbau sank die Temperatur des SMA-Drahtes während der Abkühlphase, lag aber immer noch über der Umgebungstemperatur. Abb. 2e zeigt eine Momentaufnahme der Temperatur des SMA-Drahtes, aufgenommen mit einer LWIR-Kamera. Abb. 2a zeigt hingegen die vom Antriebssystem erzeugte Blockierkraft. Übersteigt die Muskelkraft die Rückstellkraft der Feder, beginnt sich der bewegliche Arm, wie in Abb. 9a dargestellt, zu bewegen. Sobald die Betätigung beginnt, berührt der bewegliche Arm den Sensor, wodurch eine Körperkraft entsteht, wie in Abb. 2c, d dargestellt. Bei einer Maximaltemperatur nahe 84 °C beträgt die maximal beobachtete Kraft 105 N.
Die Grafik zeigt die experimentellen Ergebnisse der Temperatur des SMA-Drahts und der vom SMA-basierten bimodalen Aktuator während zweier Zyklen erzeugten Kraft. Die Eingangsspannung wird in zwei 10-Sekunden-Zyklen (als rote Punkte dargestellt) mit einer Abkühlphase von 15 Sekunden zwischen den Zyklen angelegt. Der für die Experimente verwendete SMA-Draht war ein 0,51 mm dicker Flexinol-Draht von Dynalloy, Inc. (a) Die Grafik zeigt die experimentell über zwei Zyklen erzielte Kraft, (c, d) zeigt zwei unabhängige Beispiele der Wirkung von beweglichen Armaktuatoren auf einen piezoelektrischen Kraftaufnehmer PACEline CFT/5kN, (b) die Grafik zeigt die Maximaltemperatur des gesamten SMA-Drahts während zweier Zyklen, (e) zeigt eine Momentaufnahme der Temperatur des SMA-Drahts, die mit der LWIR-Kamera der FLIR ResearchIR-Software aufgenommen wurde. Die in den Experimenten berücksichtigten geometrischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Die Simulationsergebnisse des mathematischen Modells und die experimentellen Ergebnisse werden unter der Bedingung einer Eingangsspannung von 7 V verglichen, wie in Abb. 5 gezeigt. Gemäß den Ergebnissen der parametrischen Analyse und um die Möglichkeit einer Überhitzung des SMA-Drahtes zu vermeiden, wurde dem Aktuator eine Leistung von 11,2 W zugeführt. Ein programmierbares Gleichstromnetzteil wurde verwendet, um 7 V als Eingangsspannung zu liefern, und über dem Draht wurde ein Strom von 1,6 A gemessen. Die vom Antrieb erzeugte Kraft und die Temperatur des SDR steigen bei Stromzufuhr an. Bei einer Eingangsspannung von 7 V beträgt die maximale Ausgangskraft aus den Simulationsergebnissen und den experimentellen Ergebnissen des ersten Zyklus 78 N bzw. 96 N. Im zweiten Zyklus betrug die maximale Ausgangskraft aus den Simulations- und experimentellen Ergebnissen 150 N bzw. 105 N. Die Diskrepanz zwischen den Okklusionskraftmessungen und den experimentellen Daten kann auf die zur Messung der Okklusion verwendete Methode zurückzuführen sein. Die experimentellen Ergebnisse sind in Abb. gezeigt. 5a entspricht der Messung der Verriegelungskraft, die wiederum gemessen wurde, als die Antriebswelle den piezoelektrischen Kraftaufnehmer PACEline CFT/5kN berührte, wie in Abb. 2s dargestellt. Wenn die Antriebswelle zu Beginn der Abkühlzone keinen Kontakt mit dem Kraftsensor hat, wird die Kraft daher sofort Null, wie in Abb. 2d dargestellt. Weitere Parameter, die die Kraftbildung in nachfolgenden Zyklen beeinflussen, sind die Abkühlzeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des vorherigen Zyklus. Abb. 2b zeigt, dass der SMA-Draht nach einer Abkühlphase von 15 Sekunden nicht Raumtemperatur erreicht hatte und daher im zweiten Antriebszyklus eine höhere Anfangstemperatur (40 °C) aufwies als im ersten Zyklus (25 °C). Somit erreicht die Temperatur des SMA-Drahtes im zweiten Heizzyklus im Vergleich zum ersten Zyklus früher die anfängliche Austenittemperatur (\(A_s\)) und bleibt länger in der Übergangsphase, was zu Spannung und Kraft führt. Andererseits weisen die aus Experimenten und Simulationen gewonnenen Temperaturverteilungen während der Heiz- und Kühlzyklen eine hohe qualitative Ähnlichkeit mit Beispielen aus thermografischen Analysen auf. Vergleichende Analysen der thermischen Daten des SMA-Drahtes aus Experimenten und Simulationen zeigten Konsistenz während der Heiz- und Kühlzyklen und lagen innerhalb akzeptabler Toleranzen für experimentelle Daten. Die aus den Ergebnissen der Simulation und der Experimente des ersten Zyklus ermittelte Maximaltemperatur des SMA-Drahtes beträgt 89 °C bzw. 75 °C. Im zweiten Zyklus beträgt die Maximaltemperatur des SMA-Drahtes 94 °C bzw. 83 °C. Das grundlegend entwickelte Modell bestätigt die Wirkung des Formgedächtniseffekts. Die Rolle von Ermüdung und Überhitzung wurde in dieser Überprüfung nicht berücksichtigt. Zukünftig wird das Modell verbessert, um die Spannungshistorie des SMA-Drahtes zu berücksichtigen und es so für technische Anwendungen besser geeignet zu machen. Die aus dem Simulink-Block ermittelten Diagramme der Antriebsausgangskraft und der SMA-Temperatur liegen unter der Bedingung eines Eingangsspannungsimpulses von 7 V innerhalb der zulässigen Toleranzen der experimentellen Daten. Dies bestätigt die Richtigkeit und Zuverlässigkeit des entwickelten mathematischen Modells.
Das mathematische Modell wurde in der MathWorks Simulink R2020b-Umgebung unter Verwendung der im Abschnitt „Methoden“ beschriebenen Grundgleichungen entwickelt. Abb. 3b zeigt ein Blockdiagramm des Simulink-Mathematikmodells. Das Modell wurde für einen 7-V-Eingangsspannungsimpuls simuliert, wie in Abb. 2a, b dargestellt. Die Werte der in der Simulation verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Ergebnisse der Simulation transienter Prozesse sind in den Abbildungen 1 und 3a sowie 4 dargestellt. Abb. 4a, b zeigt die induzierte Spannung im SMA-Draht und die vom Aktuator erzeugte Kraft als Funktion der Zeit. Während der Rückumwandlung (Erhitzung), wenn die SMA-Drahttemperatur \(T < A_s^{\prime}\) (Starttemperatur der spannungsmodifizierten Austenitphase) ist, ist die Änderungsrate des Martensitvolumenanteils (\(\dot{\xi }\)) Null. Während der Rückumwandlung (Erhitzung), wenn die SMA-Drahttemperatur \(T < A_s^{\prime}\) (Starttemperatur der spannungsmodifizierten Austenitphase) ist, ist die Änderungsrate des Martensitvolumenanteils (\(\dot{\ xi }\)) Null. Im Laufe der Zeit wurde die Temperatur auf SMA eingestellt, \(T < A_s^{\prime}\) (die Temperatur wurde auf neue Bilder eingestellt und geändert напряжением), Die Suche nach einem bestimmten Datum (\(\dot{\ xi }\)) ist völlig neu. Während der Rückumwandlung (Erwärmung), wenn die Temperatur des SMA-Drahtes \(T < A_s^{\prime}\) (Beginntemperatur des spannungsmodifizierten Austenits) ist, ist die Änderungsrate des Martensitvolumenanteils (\(\dot{\ xi }\ )) Null.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时,马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。在 反向 转变 （加热） 中, 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Simulationsergebnis, das die Temperaturverteilung und die spannungsbedingte Übergangstemperatur in einem SMA-basierten Divalerat-Aktuator zeigt. Überschreitet die Drahttemperatur in der Heizphase die Austenit-Übergangstemperatur, beginnt die modifizierte Austenit-Übergangstemperatur zu steigen. Überschreitet die Drahttemperatur in der Abkühlphase die Martensitik-Übergangstemperatur, sinkt die Martensitik-Übergangstemperatur. SMA zur analytischen Modellierung des Betätigungsprozesses. (Eine detaillierte Ansicht der einzelnen Subsysteme eines Simulink-Modells finden Sie im Anhang der Zusatzdatei.)
Die Ergebnisse der Analyse verschiedener Parameterverteilungen werden für zwei Zyklen der 7-V-Eingangsspannung (10 Sekunden Aufwärmzyklus und 15 Sekunden Abkühlzyklus) dargestellt. Während (ac) und (e) die zeitliche Verteilung darstellen, veranschaulichen (d) und (f) die temperaturabhängige Verteilung. Unter den jeweiligen Eingangsbedingungen beträgt die maximal beobachtete Spannung 106 MPa (weniger als 345 MPa, Drahtstreckgrenze), die Kraft 150 N, die maximale Verschiebung 270 µm und der minimale martensitische Volumenanteil 0,91. Die Spannungsänderung und die Änderung des Martensitvolumenanteils mit der Temperatur ähneln hingegen Hystereseeigenschaften.
Dieselbe Erklärung gilt für die direkte Umwandlung (Abkühlung) von der Austenitphase in die Martensitphase, bei der die FGL-Drahttemperatur (T) und die Endtemperatur der spannungsmodifizierten Martensitphase (\(M_f^{\prime}\ )) ausgezeichnet sind. Abb. 4d,f zeigt die Änderung der induzierten Spannung (\(\sigma\)) und des Volumenanteils von Martensit (\(\xi\)) im FGL-Draht als Funktion der Temperaturänderung des FGL-Drahts (T) für beide Antriebszyklen. Abb. 3a zeigt die zeitliche Änderung der Temperatur des FGL-Drahts in Abhängigkeit vom Eingangsspannungsimpuls. Wie aus der Abbildung ersichtlich, steigt die Temperatur des Drahts durch Bereitstellung einer Wärmequelle bei Nullspannung und anschließender konvektiver Kühlung weiter an. Während des Erhitzens beginnt die Rückumwandlung von Martensit in die Austenitphase, sobald die Temperatur des SMA-Drahtes (T) die spannungskorrigierte Austenitkeimbildungstemperatur (\(A_s^{\prime}\)) überschreitet. Während dieser Phase wird der SMA-Draht komprimiert, und der Aktuator erzeugt Kraft. Auch während des Abkühlens, wenn die Temperatur des SMA-Drahtes (T) die Keimbildungstemperatur der spannungsmodifizierten Martensitphase (\(M_s^{\prime}\)) überschreitet, kommt es zu einem positiven Übergang von der Austenit- zur Martensitphase. Die Antriebskraft nimmt ab.
Die wichtigsten qualitativen Aspekte des bimodalen Antriebs auf Basis von SMA können aus den Simulationsergebnissen abgeleitet werden. Bei einem Spannungsimpuls steigt die Temperatur des SMA-Drahtes aufgrund des Joule-Heizeffekts. Der Anfangswert des Martensitvolumenanteils (\(\xi\)) wird auf 1 gesetzt, da sich das Material zunächst in einer vollständig martensitischen Phase befindet. Mit fortschreitender Erwärmung des Drahtes überschreitet seine Temperatur die spannungskorrigierte Austenitkeimbildungstemperatur \(A_s^{\prime}\), was zu einer Verringerung des Martensitvolumenanteils führt, wie in Abbildung 4c dargestellt. Abbildung 4e zeigt außerdem die zeitliche Verteilung der Hübe des Aktuators und Abbildung 5 die Antriebskraft als Funktion der Zeit. Ein zugehöriges Gleichungssystem umfasst Temperatur, Martensitvolumenanteil und im Draht entstehende Spannung, die zur Schrumpfung des SMA-Drahtes und der vom Aktuator erzeugten Kraft führt. Wie in Abbildung 4c dargestellt. 4d,f, Spannungsänderung mit der Temperatur und Martensitvolumenanteiländerung mit der Temperatur entsprechen den Hystereseeigenschaften der SMA im simulierten Fall bei 7 V.
Der Vergleich der Antriebsparameter wurde durch Experimente und analytische Berechnungen erzielt. Die Drähte wurden 10 Sekunden lang einer gepulsten Eingangsspannung von 7 V ausgesetzt und anschließend in zwei Zyklen 15 Sekunden lang abgekühlt (Abkühlphase). Der Gefiederwinkel ist auf 40° eingestellt, und die Anfangslänge des SMA-Drahtes in jedem einzelnen Stiftschenkel beträgt 83 mm. (a) Messung der Antriebskraft mit einer Kraftmessdose. (b) Überwachung der Drahttemperatur mit einer Wärmebildkamera.
Um den Einfluss physikalischer Parameter auf die vom Antrieb erzeugte Kraft zu verstehen, wurde eine Analyse der Empfindlichkeit des mathematischen Modells gegenüber den ausgewählten physikalischen Parametern durchgeführt und die Parameter nach ihrem Einfluss bewertet. Zunächst wurde die Stichprobe der Modellparameter unter Anwendung von experimentellen Designprinzipien ermittelt, die einer gleichmäßigen Verteilung folgten (siehe ergänzender Abschnitt zur Sensitivitätsanalyse). In diesem Fall umfassen die Modellparameter Eingangsspannung (\(V_{in}\)), anfängliche SMA-Drahtlänge (\(l_0\)), Dreieckswinkel (\(\alpha\)), Federkonstante der Vorspannung (\( K_x\ )), konvektiver Wärmeübergangskoeffizient (\(h_T\)) und Anzahl unimodaler Verzweigungen (n). Im nächsten Schritt wurde die maximale Muskelkraft als Anforderung an das Studiendesign gewählt und die parametrischen Auswirkungen jedes Variablensatzes auf die Kraft ermittelt. Die Tornadodiagramme für die Sensitivitätsanalyse wurden aus den Korrelationskoeffizienten für jeden Parameter abgeleitet, wie in Abb. 6a dargestellt.
(a) Die Korrelationskoeffizientenwerte der Modellparameter und ihre Auswirkung auf die maximale Ausgangskraft von 2500 einzigartigen Gruppen der oben genannten Modellparameter werden im Tornadodiagramm dargestellt. Die Grafik zeigt die Rangkorrelation mehrerer Indikatoren. Es ist offensichtlich, dass \(V_{in}\) der einzige Parameter mit einer positiven Korrelation ist und \(l_0\) der Parameter mit der höchsten negativen Korrelation ist. Die Auswirkung verschiedener Parameter in verschiedenen Kombinationen auf die maximale Muskelkraft wird in (b, c) dargestellt. \(K_x\) reicht von 400 bis 800 N/m und n reicht von 4 bis 24. Die Spannung (\(V_{in}\)) änderte sich von 4 V auf 10 V, die Kabellänge (\(l_{0 } \)) änderte sich von 40 auf 100 mm und der Schwanzwinkel (\ (\alpha \)) variierte von \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Abb. 6a zeigt ein Tornadodiagramm verschiedener Korrelationskoeffizienten für jeden Parameter mit den Konstruktionsanforderungen für die Spitzenantriebskraft. Aus Abb. 6a ist ersichtlich, dass der Spannungsparameter (\(V_{in}\)) direkt mit der maximalen Ausgangskraft zusammenhängt und dass der konvektive Wärmeübergangskoeffizient (\(h_T\)), der Flammenwinkel (\ ( \alpha\)) und die Verschiebungsfederkonstante ( \(K_x\)) negativ mit der Ausgangskraft und der Anfangslänge (\(l_0\)) des SMA-Drahts korreliert und die Anzahl der unimodalen Zweige (n) eine starke inverse Korrelation aufweist. Im Fall einer direkten Korrelation weist ein höherer Wert des Spannungskorrelationskoeffizienten (\(V_ {in}\)) darauf hin, dass dieser Parameter die größte Wirkung auf die Leistungsabgabe hat. Eine andere ähnliche Analyse misst die Spitzenkraft, indem sie die Wirkung verschiedener Parameter in verschiedenen Kombinationen der beiden Berechnungsräume auswertet, wie in Abb. 6b, c gezeigt. \(V_{in}\) und \(l_0\), \(\alpha\) und \(l_0\) weisen ähnliche Muster auf, und die Grafik zeigt, dass \(V_{in}\) und \(\alpha\) ähnliche Muster aufweisen. Kleinere \(l_0\)-Werte führen zu höheren Spitzenkräften. Die beiden anderen Diagramme stimmen mit Abbildung 6a überein, wobei n und \(K_x\) negativ und \(V_{in}\) positiv korreliert sind. Diese Analyse hilft, die Einflussparameter zu definieren und anzupassen, mit denen Abtriebskraft, Hub und Wirkungsgrad des Antriebssystems an die Anforderungen und die Anwendung angepasst werden können.
Aktuelle Forschungsarbeiten untersuchen hierarchische Antriebe mit N Stufen. In einer zweistufigen Hierarchie, wie in Abb. 7a dargestellt, wird anstelle jedes SMA-Drahtes des Aktuators der ersten Stufe eine bimodale Anordnung erreicht, wie in Abb. 9e dargestellt. Abb. 7c zeigt, wie der SMA-Draht um einen beweglichen Arm (Hilfsarm) gewickelt ist, der sich nur in Längsrichtung bewegt. Der primäre bewegliche Arm bewegt sich jedoch weiterhin wie der bewegliche Arm des mehrstufigen Aktuators der ersten Stufe. Typischerweise entsteht ein N-stufiger Antrieb, indem der SMA-Draht der Stufe N durch einen Antrieb der ersten Stufe ersetzt wird. Dadurch imitiert jeder Zweig den Antrieb der ersten Stufe, mit Ausnahme des Zweigs, der den Draht selbst hält. Auf diese Weise können verschachtelte Strukturen gebildet werden, die Kräfte erzeugen, die um ein Vielfaches größer sind als die Kräfte der primären Antriebe. In dieser Studie wurde für jede Stufe eine effektive Gesamtlänge des SMA-Drahtes von 1 m berücksichtigt, wie in Abb. 7d tabellarisch dargestellt. Der Strom durch jeden Draht in jedem unimodalen Design und die resultierende Vorspannung und Spannung in jedem SMA-Drahtsegment sind auf jeder Ebene gleich. Gemäß unserem analytischen Modell korreliert die Ausgangskraft positiv mit der Ebene, während die Verschiebung negativ korreliert. Gleichzeitig besteht ein Kompromiss zwischen Verschiebung und Muskelkraft. Wie in Abb. 7b zu sehen ist, wird die maximale Kraft zwar in der größten Anzahl von Schichten erreicht, die größte Verschiebung jedoch in der untersten Schicht beobachtet. Bei einer Hierarchieebene von \(N=5\) wurde eine maximale Muskelkraft von 2,58 kN bei 2 beobachteten Hüben \(\upmu\)m festgestellt. Andererseits erzeugt der Antrieb der ersten Stufe eine Kraft von 150 N bei einem Hub von 277 \(\upmu\)m. Mehrstufige Aktuatoren können echte biologische Muskeln nachahmen, während künstliche Muskeln auf Basis von Formgedächtnislegierungen deutlich höhere Kräfte mit präziseren und feineren Bewegungen erzeugen können. Die Einschränkungen dieses miniaturisierten Designs liegen darin, dass mit zunehmender Hierarchie die Bewegung stark reduziert wird und die Komplexität des Laufwerksherstellungsprozesses zunimmt.
(a) Ein zweistufiges (\(N=2\)) lineares Aktuatorsystem aus einer Formgedächtnislegierung mit mehreren Schichten ist in einer bimodalen Konfiguration dargestellt. Das vorgeschlagene Modell wird durch Ersetzen des SMA-Drahts im geschichteten Aktuator der ersten Stufe durch einen weiteren einstufigen geschichteten Aktuator erreicht. (c) Verformte Konfiguration des mehrschichtigen Aktuators der zweiten Stufe. (b) Die Verteilung von Kräften und Verschiebungen in Abhängigkeit von der Anzahl der Ebenen wird beschrieben. Es wurde festgestellt, dass die Spitzenkraft des Aktuators positiv mit der Skalenebene im Diagramm korreliert, während der Hub negativ mit der Skalenebene korreliert. Strom und Vorspannung in jedem Draht bleiben auf allen Ebenen konstant. (d) Die Tabelle zeigt die Anzahl der Abgriffe und die Länge des SMA-Drahtes (der Faser) auf jeder Ebene. Die Eigenschaften der Drähte werden durch den Index 1 angegeben, und die Anzahl der sekundären Zweige (einer mit dem primären Zweig verbunden) wird durch die größte Zahl im Index angegeben. Beispielsweise bezieht sich auf Ebene 5 \(n_1\) auf die Anzahl der in jeder bimodalen Struktur vorhandenen SMA-Drähte und \(n_5\) auf die Anzahl der Hilfsbeine (eines ist mit dem Hauptbein verbunden).
Zahlreiche Forscher haben verschiedene Methoden vorgeschlagen, um das Verhalten von FGL mit Formgedächtnis zu modellieren. Diese basieren auf den thermomechanischen Eigenschaften, die mit den makroskopischen Veränderungen der Kristallstruktur einhergehen, die mit dem Phasenübergang einhergehen. Die Formulierung konstitutiver Methoden ist naturgemäß komplex. Das am häufigsten verwendete phänomenologische Modell wurde von Tanaka28 vorgeschlagen und findet breite Anwendung in der Ingenieurwissenschaft. Das von Tanaka [28] vorgeschlagene phänomenologische Modell geht davon aus, dass der Volumenanteil von Martensit eine Exponentialfunktion von Temperatur und Spannung ist. Später schlugen Liang und Rogers29 sowie Brinson30 ein Modell vor, in dem die Dynamik des Phasenübergangs als Kosinusfunktion von Spannung und Temperatur angenommen wurde, mit geringfügigen Modellmodifizierungen. Becker und Brinson schlugen ein phasendiagrammbasiertes kinetisches Modell vor, um das Verhalten von FGL-Materialien unter beliebigen Belastungsbedingungen sowie bei partiellen Übergängen zu modellieren. Banerjee32 verwendet die Phasendiagrammdynamikmethode von Bekker und Brinson31, um einen von Elahinia und Ahmadian33 entwickelten Manipulator mit einem Freiheitsgrad zu simulieren. Kinetische Methoden, die auf Phasendiagrammen basieren und die nichtmonotone Spannungsänderung mit der Temperatur berücksichtigen, sind in technischen Anwendungen schwer umzusetzen. Elakhinia und Ahmadian weisen auf diese Mängel bestehender phänomenologischer Modelle hin und schlagen ein erweitertes phänomenologisches Modell zur Analyse und Definition des Formgedächtnisverhaltens unter beliebigen komplexen Belastungsbedingungen vor.
Das Strukturmodell von FGL-Draht liefert Spannung (\(\sigma\)), Dehnung (\(\epsilon\)), Temperatur (T) und Martensitvolumenanteil (\(\xi\)) des FGL-Drahts. Das phänomenologische konstitutive Modell wurde erstmals von Tanaka28 vorgeschlagen und später von Liang29 und Brinson30 übernommen. Die Ableitung der Gleichung hat die Form:
wobei E der phasenabhängige Elastizitätsmodul der SMA ist, der mit \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) ermittelt wird, und \(E_A\) und \(E_M\), die den Elastizitätsmodul darstellen, jeweils austenitische und martensitische Phasen darstellen, und der Wärmeausdehnungskoeffizient durch \(\theta _T\) dargestellt wird. Der Beitragsfaktor zum Phasenübergang beträgt \(\Omega = -E \epsilon _L\) und \(\epsilon _L\) ist die maximal wiederherstellbare Dehnung im SMA-Draht.
Die Gleichung der Phasendynamik entspricht der von Liang29 entwickelten und später von Brinson30 übernommenen Kosinusfunktion anstelle der von Tanaka28 vorgeschlagenen Exponentialfunktion. Das Phasenübergangsmodell ist eine Erweiterung des von Elakhinia und Ahmadian34 vorgeschlagenen Modells und wurde basierend auf den von Liang29 und Brinson30 angegebenen Phasenübergangsbedingungen modifiziert. Die für dieses Phasenübergangsmodell verwendeten Bedingungen gelten unter komplexen thermomechanischen Belastungen. Bei der Modellierung der konstitutiven Gleichung wird zu jedem Zeitpunkt der Wert des Martensitvolumenanteils berechnet.
Die maßgebliche Rücktransformationsgleichung, ausgedrückt durch die Umwandlung von Martensit in Austenit unter Erwärmungsbedingungen, lautet wie folgt:
wobei \(\xi\) der Volumenanteil von Martensit ist, \(\xi _M\) der Volumenanteil von Martensit vor dem Erhitzen ist, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) und \(C_A\) – Kurvennäherungsparameter, T – SMA-Drahttemperatur, \(A_s\) und \(A_f\) – Beginn und Ende der Austenitphase bzw. Temperatur.
Die direkte Transformationskontrollgleichung, dargestellt durch die Phasentransformation von Austenit zu Martensit unter Abkühlungsbedingungen, lautet:
wobei \(\xi _A\) der Volumenanteil des Martensits vor dem Abkühlen ist, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) und \ ( C_M \) die Parameter der Kurvenanpassung sind, T die Temperatur des SMA-Drahtes ist und \(M_s\) und \(M_f\) die Anfangs- bzw. Endtemperatur des Martensits sind.
Nachdem die Gleichungen (3) und (4) differenziert wurden, vereinfachen sich die inverse und die direkte Transformationsgleichung auf die folgende Form:
Bei der Vorwärts- und Rückwärtstransformation nehmen \(\eta _{\sigma}\) und \(\eta _{T}\) unterschiedliche Werte an. Die zugehörigen Grundgleichungen wurden in einem weiteren Abschnitt hergeleitet und detailliert erläutert.
Die zur Erhöhung der Temperatur des SMA-Drahtes erforderliche Wärmeenergie stammt aus dem Joule-Effekt. Die vom SMA-Draht aufgenommene oder abgegebene Wärmeenergie wird durch die latente Umwandlungswärme dargestellt. Der Wärmeverlust im SMA-Draht ist auf Zwangskonvektion zurückzuführen. Angesichts des vernachlässigbaren Strahlungseffekts lautet die Wärmeenergiebilanz wie folgt:
Dabei ist \(m_{wire}\) die Gesamtmasse des SMA-Drahtes, \(c_{p}\) die spezifische Wärmekapazität des SMA, \(V_{in}\) die an den Draht angelegte Spannung und \(R_{ohm} \) der phasenabhängige Widerstand des SMA, definiert als: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\), wobei \(r_M\) und \(r_A\) der spezifische Phasenwiderstand des SMA in Martensit bzw. Austenit sind, \(A_{c}\) die Oberfläche des SMA-Drahtes und \(\Delta H \) eine Formgedächtnislegierung. Die latente Übergangswärme des Drahtes, T und \(T_{\infty}\) sind die Temperaturen des SMA-Drahtes bzw. der Umgebung.
Bei Betätigung eines Drahtes aus Formgedächtnislegierung komprimiert sich der Draht und erzeugt in jedem Zweig des bimodalen Designs eine Kraft, die sogenannte Faserkraft. Die Kräfte der Fasern in jedem Strang des SMA-Drahtes erzeugen zusammen die Muskelkraft zur Betätigung, wie in Abb. 9e dargestellt. Aufgrund der Vorspannfeder beträgt die Gesamtmuskelkraft des N-ten Mehrschichtaktors:
Durch Einsetzen von \(N = 1\) in Gleichung (7) kann die Muskelkraft des bimodalen Antriebsprototyps der ersten Stufe wie folgt ermittelt werden:
Dabei ist n die Anzahl der unimodalen Beine, \(F_m\) die vom Antrieb erzeugte Muskelkraft, \(F_f\) die Faserstärke im SMA-Draht, \(K_x\) die Vorspannungssteifigkeit der Feder, \(\alpha\) der Winkel des Dreiecks, \(x_0\) der anfängliche Versatz der Vorspannungsfeder, um das SMA-Kabel in der vorgespannten Position zu halten, und \(\Delta x\) der Stellweg des Aktuators.
Die Gesamtverschiebung bzw. Bewegung des Antriebs (\(\Delta x\)) in Abhängigkeit von der Spannung (\(\sigma\)) und Dehnung (\(\epsilon\)) am SMA-Draht der N-ten Stufe, auf die der Antrieb eingestellt wird (siehe Abb. zusätzlicher Teil der Ausgabe):
Die kinematischen Gleichungen geben die Beziehung zwischen Antriebsverformung (\(\epsilon\)) und Verschiebung bzw. Auslenkung (\(\Delta x\)) an. Die Verformung des Arb-Drahtes als Funktion der anfänglichen Arb-Drahtlänge (\(l_0\)) und der Drahtlänge (l) zu jedem Zeitpunkt t in einem unimodalen Zweig ist wie folgt:
wobei \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) durch Anwenden der Kosinusformel in \(\Delta\)ABB ' erhalten wird, wie in Abbildung 8 gezeigt. Für den Antrieb der ersten Stufe (\(N = 1\)) ist \(\Delta x_1\) \(\Delta x\) und \(\alpha _1\) ist \(\alpha \), wie in Abbildung 8 gezeigt. Durch Differenzieren der Zeit aus Gleichung (11) und Ersetzen des Werts von l kann die Dehnungsrate wie folgt geschrieben werden:
Dabei ist \(l_0\) die Anfangslänge des SMA-Drahts, l die Länge des Drahts zu einem beliebigen Zeitpunkt t in einem unimodalen Zweig, \(\epsilon\) die im SMA-Draht auftretende Verformung, \(\alpha\) der Winkel des Dreiecks und \(\Delta x\) der Antriebsversatz (siehe Abbildung 8).
Alle n Einzelspitzenstrukturen (\(n=6\) in dieser Abbildung) sind in Reihe geschaltet, wobei \(V_{in}\) die Eingangsspannung ist. Stufe I: Schematische Darstellung des SMA-Drahtes in einer bimodalen Konfiguration unter Nullspannungsbedingungen. Stufe II: Es wird eine kontrollierte Struktur gezeigt, bei der der SMA-Draht aufgrund der inversen Konvertierung komprimiert wird, wie durch die rote Linie dargestellt.
Als Machbarkeitsnachweis wurde ein bimodaler Antrieb auf FGL-Basis entwickelt, um die simulierte Herleitung der zugrunde liegenden Gleichungen mit experimentellen Ergebnissen zu testen. Das CAD-Modell des bimodalen Linearaktuators ist in Abb. 9a dargestellt. Abb. 9c zeigt hingegen einen neuen Designvorschlag für eine rotierende prismatische Verbindung unter Verwendung eines zweistufigen FGL-basierten Aktuators mit bimodaler Struktur. Die Antriebskomponenten wurden mittels additiver Fertigung auf einem Ultimaker 3 Extended 3D-Drucker hergestellt. Das für den 3D-Druck der Komponenten verwendete Material ist Polycarbonat, das sich für hitzebeständige Materialien eignet, da es fest, langlebig und eine hohe Glasübergangstemperatur (110–113 °C) aufweist. Außerdem wurde in den Experimenten ein Flexinol-Draht aus einer Formgedächtnislegierung von Dynalloy, Inc. verwendet, und die dem Flexinol-Draht entsprechenden Materialeigenschaften wurden in den Simulationen verwendet. Mehrere SMA-Drähte sind als Fasern in einer bimodalen Muskelanordnung angeordnet, um die hohen Kräfte zu erzielen, die von Mehrschichtaktoren erzeugt werden, wie in Abb. 9b, d dargestellt.
Wie in Abbildung 9a dargestellt, wird der spitze Winkel, den der bewegliche Arm des SMA-Drahtes bildet, als Winkel (\(\alpha\)) bezeichnet. Mit Anschlussklemmen an der linken und rechten Klemme wird der SMA-Draht im gewünschten bimodalen Winkel gehalten. Die am Federverbinder befestigte Vorspannfeder ermöglicht die Anpassung der verschiedenen Vorspannfeder-Verlängerungsgruppen an die Anzahl (n) der SMA-Fasern. Die Position der beweglichen Teile ist so gewählt, dass der SMA-Draht der Umgebung ausgesetzt ist und so durch Zwangskonvektion gekühlt wird. Die oberen und unteren Platten der abnehmbaren Baugruppe tragen mit extrudierten Aussparungen zur Gewichtsreduzierung zur Kühlung des SMA-Drahtes bei. Beide Enden des CMA-Drahtes sind zusätzlich mittels Crimp an den linken bzw. rechten Anschlüssen befestigt. Ein Kolben ist an einem Ende der beweglichen Baugruppe angebracht, um den Abstand zwischen den oberen und unteren Platten zu gewährleisten. Der Kolben dient außerdem dazu, über einen Kontakt eine Blockierkraft auf den Sensor auszuüben und diese bei Betätigung des SMA-Drahtes zu messen.
Die bimodale Muskelstruktur SMA ist elektrisch in Reihe geschaltet und wird durch einen Eingangsspannungsimpuls gespeist. Während des Spannungsimpulszyklus, wenn Spannung angelegt wird und der SMA-Draht über die Ausgangstemperatur des Austenits erhitzt wird, verkürzt sich die Länge des Drahtes in jedem Strang. Dieses Zurückziehen aktiviert die bewegliche Armbaugruppe. Als die Spannung im selben Zyklus auf Null gesetzt wurde, kühlte der erhitzte SMA-Draht unter die Temperatur der Martensitoberfläche ab und kehrte so in seine Ausgangsposition zurück. Unter spannungsfreien Bedingungen wird der SMA-Draht zunächst passiv durch eine Vorspannfeder gedehnt, um den entzwillingten martensitischen Zustand zu erreichen. Die Schraube, durch die der SMA-Draht verläuft, bewegt sich aufgrund der Kompression, die durch das Anlegen eines Spannungsimpulses an den SMA-Draht erzeugt wird (SPA erreicht die Austenitphase), was zur Betätigung des beweglichen Hebels führt. Wenn der SMA-Draht zurückgezogen wird, erzeugt die Vorspannfeder eine Gegenkraft, indem sie die Feder weiter dehnt. Wenn die Spannung in der Impulsspannung Null wird, verlängert sich der SMA-Draht und ändert aufgrund der erzwungenen Konvektionskühlung seine Form, wodurch eine doppelte martensitische Phase erreicht wird.
Das vorgeschlagene lineare Aktuatorsystem auf SMA-Basis hat eine bimodale Konfiguration mit abgewinkelten SMA-Drähten. (a) zeigt ein CAD-Modell des Prototyps, in dem einige der Komponenten und ihre Bedeutung für den Prototyp erwähnt werden, (b, d) stellen den entwickelten experimentellen Prototyp dar35. Während (b) eine Draufsicht des Prototyps mit elektrischen Anschlüssen und verwendeten Vorspannfedern und Dehnungsmessstreifen zeigt, zeigt (d) eine perspektivische Ansicht des Aufbaus. (e) Diagramm eines linearen Aktuatorsystems mit bimodal platzierten SMA-Drähten zu jedem Zeitpunkt t, das Richtung und Verlauf der Faser- und Muskelkraft zeigt. (c) Für den Einsatz eines zweistufigen SMA-basierten Aktuators wurde eine rotierende prismatische Verbindung mit 2 Freiheitsgraden vorgeschlagen. Wie gezeigt überträgt die Verbindung eine lineare Bewegung vom unteren Antrieb auf den oberen Arm und stellt so eine Rotationsverbindung her. Andererseits ist die Bewegung des Prismenpaars identisch mit der Bewegung des mehrschichtigen Antriebs der ersten Stufe.
An dem in Abb. 9b gezeigten Prototyp wurde eine experimentelle Studie durchgeführt, um die Leistung eines bimodalen Antriebs auf SMA-Basis zu bewerten. Wie in Abb. 10a gezeigt, bestand der experimentelle Aufbau aus einer programmierbaren Gleichstromversorgung zur Versorgung der SMA-Drähte mit Eingangsspannung. Wie in Abb. 10b gezeigt, wurde ein piezoelektrischer Dehnungsmessstreifen (PACEline CFT/5kN) verwendet, um die Blockierkraft mithilfe eines Graphtec GL-2000-Datenloggers zu messen. Die Daten werden vom Host zur weiteren Untersuchung aufgezeichnet. Dehnungsmessstreifen und Ladungsverstärker benötigen eine konstante Stromversorgung, um ein Spannungssignal zu erzeugen. Die entsprechenden Signale werden je nach Empfindlichkeit des piezoelektrischen Kraftsensors und anderen Parametern, wie in Tabelle 2 beschrieben, in Leistungsabgaben umgewandelt. Wenn ein Spannungsimpuls angelegt wird, steigt die Temperatur des SMA-Drahtes, wodurch dieser komprimiert wird, wodurch der Aktuator Kraft erzeugt. Die experimentellen Ergebnisse der Abgabe von Muskelkraft durch einen Eingangsspannungsimpuls von 7 V sind in Abb. 2a dargestellt.
(a) Im Experiment wurde ein SMA-basiertes Linearantriebssystem aufgebaut, um die vom Antrieb erzeugte Kraft zu messen. Die Wägezelle misst die Blockierkraft und wird von einem 24-V-Gleichstromnetzteil gespeist. Über die gesamte Kabellänge wurde mithilfe eines programmierbaren Gleichstromnetzteils von GW Instek ein Spannungsabfall von 7 V angelegt. Der SMA-Draht schrumpft durch Hitze, und der bewegliche Arm berührt die Wägezelle und übt eine Blockierkraft aus. Die Wägezelle ist mit dem GL-2000-Datenlogger verbunden, und die Daten werden zur weiteren Verarbeitung auf dem Host gespeichert. (b) Diagramm, das die Komponentenkette des Versuchsaufbaus zur Messung der Muskelkraft zeigt.
Formgedächtnislegierungen werden durch thermische Energie angeregt, daher ist die Temperatur ein wichtiger Parameter zur Untersuchung des Formgedächtnisphänomens. Wie in Abb. 11a gezeigt, wurden experimentell Wärmebildgebungs- und Temperaturmessungen an einem Prototyp eines SMA-basierten Divalerat-Aktuators durchgeführt. Eine programmierbare Gleichstromquelle legte eine Eingangsspannung an die SMA-Drähte im Versuchsaufbau an, wie in Abb. 11b gezeigt. Die Temperaturänderung des SMA-Drahtes wurde in Echtzeit mit einer hochauflösenden LWIR-Kamera (FLIR A655sc) gemessen. Der Host verwendet die Software ResearchIR, um Daten zur späteren Nachbearbeitung aufzuzeichnen. Wenn ein Spannungsimpuls angelegt wird, steigt die Temperatur des SMA-Drahtes, was dazu führt, dass der SMA-Draht schrumpft. Abb. 2b zeigt die experimentellen Ergebnisse der SMA-Drahttemperatur über der Zeit für einen 7-V-Eingangsspannungsimpuls.
Veröffentlichungszeit: 28.09.2022
