Aktive Formvariable Hybridverbunde

Aktive Hybridverbunde kombinieren faserverstärkte Kunststoffe (FVK) und Formgedächtnislegierungen (FGL)
Formgedächtnislegierungen sind Metalle, die bereits bei geringen Temperaturveränderungen große Geometrieänderungen generieren können. Durch die direkte Integration des Aktors, die FGL-Elemente, in FKV wird die Aktorik auf die Hybridstruktur übertragen und eine aktive Formanpassung der Komponente ist möglich. Der maßgeschneiderte Hybridverbund mit integrierten Aktorelementen bietet durch einen Verzicht auf ein mechanisches System mit mechanischen Kupplungen und lokalen Lasteinleitungspunkten eine Reihe von Vorteilen. Mit diesem skalierbaren Aktorikprinzip ist es möglich eine Verstellfunktion bei:

  • minimalem Bauraum
  • geringstem Gewicht und
  • spalt- und knickfreier Kontur

zu realisieren.

Diese einzigartigen Vorteile machen die Technologie der aktiven Hybridverbunde zu einem Schlüssel für innovative Funktionen, welche auf konventionelle Art nicht möglich sind. Je nach Einsatzgebiet und realisierter Funktionen sind die aktiven Hybridverbunde in der Lage die Leistung, die Effizienz und/oder den Komfort technischer Produkte zu steigern.

Aktiver Turbulator für Flugzeugflügel

Mit adaptiven Turbulatoren kann die aerodynamische Leistungsfähigkeit bei fast jedem Tragflächenflugzeug verbessert werden. Sie bieten die Möglichkeit die   Mindestfluggeschwindigkeit ohne Nachteile für die Reiseflugeffizienz zu reduzieren. Die Randbedingungen der Anwendung – ein sehr limitierter Bauraum, ein möglichst geringes Gewicht und die Realisierung einer Vielzahl von kleinen Stellelementen – erschweren die Realisierung dieser Funktionalität mit konventionellen mechanischen Systemen. Hybridverbunde aus FGL und FKV mit materialintegrierter Aktorik ermöglichen eine aktiv Funktion auch unter derartigen Anforderungen. Ein einzelner  aktiver Turbulator mit einer Bauhöhe von 1,8 mm und einem Gewicht von 1,5 g ist in der Lage eine Spitzenauslenkung von 17 mm zu erzeugen.

Aktives aerodynamisches Profil

Die Vorteile der aktiven Hybridverbunde, speziell für  Anwendungen im Aerodynamik-Bereich, verdeutlicht dieses aktive aerodynamische Profil, welches seine Form auf “Knopfdruck” verändert.  Der benötigte Bauraum wird durch die direkte Integration des FGL-Aktors in den unteren Profilschenkel minimiert. Das Leichtbau-Potential des skalierbaren Aktorikprinzips wird hier verdeutlicht: Ein Profilabschnitt mit einer Breite von 30 mm ist bei einer Masse von 40 g in der Lage ein Gewicht von 120 g um 10 mm anzuheben. Besonders die geschlossene und kontinuierlich gekrümmte Außenkontur stellt eine innovative aerodynamische Formanpassung sowie optisch ansprechende Designlösungen in Aussicht.

Protagonis-Antagonist-System

Durch die Integration zweier FGL-Aktoren in einen einzigen Hybridverbund wurde ein Protagonist-Antagonist-System aufgebaut. Damit wird das Anwendungsspektrum erweitert, ohne dass auf die großen Vorteile der aktiven Hybridverbunde – wie geringer Bauraum, geringes Gewicht sowie spalt-/knickfreie Kontur – verzichtet werden muss. Der Hybridverbund verfügt über zwei Aktorikschichten aus FGL, die entgegengerichtet arbeiten und bei wechselweiser Aktivierung eine Krümmung in beide Richtungen erlauben. Besonders interessant ist der Aspekt, dass ein ausgelenkter Zustand ohne Energiezufuhr erhalten bleibt. 

Aktorikmodule und der 3D-Druck

Aktorikmodule mit integrierten Drähten aus einer Formgedächtnislegierung ermöglichen die flächige Krümmung von Bauteilbereichen. Der aktive Bauteilbereich ist in der Ausgangkonfiguration ohne das aufgebrachte Aktorikmodul biegeweich, d. h.  dünn, auszuführen. Mit dem Aufbringen des Aktorikmoduls wird dieser Bereich versteift und die Aktorik – also die Krümmung – des Bauteils lässt sich anschließend durch externe Wärmezufuhr oder mittels direkter Beheizung durch elektrischen Strom abrufen. Durch die Technologie des 3D-Drucks sind der Gestaltungsfreiheit nahezu keine Grenzen gesetzt und neuartige Bewegungsprinzipien für vielfältige Anwendung lassen sich einfach entwickeln und testen. Eine Übertragung auf Großserienbauteile, die z.B. im Spritzgussverfahren hergestellt werden, ist zudem möglich.