Form

May 12, 2023

By Lisa Eitel | July 10, 2018

Jetzt verwendet ein neuer Aktuator Bündel von SMA-Drähten aus einer speziellen Nickel-Titan-Legierung für zuverlässige lineare Bewegung.

Dean Pick, P.Eng. • Präsident | Kinetikautomatisierung

Formgedächtnislegierungen (SMAs) sind Materialien, die auf Temperaturänderungen reagieren, indem sie ihren Formfaktor ändern. Ursprünglich von der US-Marine finanziert, wurden SMA-Technologien erstmals in den 1950er Jahren von Raychem Corp. (heute TE Connectivity) kommerzialisiert. Doch die Unvorhersehbarkeit früher Materialversionen erwies sich als Herausforderung. Daher haben Hersteller im Laufe der Jahrzehnte nach Möglichkeiten gesucht (mit gemischtem Erfolg), die Haltbarkeit, Konsistenz und Anwendbarkeit von SMA-basierten Designs zu verbessern.

Kraft- und Hubwerte können zur Auswahl des geeigneten Aktuatormodells von Kinitics Automation verwendet werden, und Konstrukteure können die Aktuatoren so konfigurieren, dass sie mit unzähligen Stromquellen arbeiten, um die Reaktionszeit an die Anwendung anzupassen (und für Kompatibilität mit der vorhandenen Infrastruktur).

Jetzt nutzt ein neues SMA-basiertes Linearbewegungsangebot fortschrittliches SMA-Material für wiederholbare und vorhersehbare Bewegungen. Der Hersteller bündelt Drähte aus SMA und verankert sie an einem Aktorgehäuse. Strom durch die (elektrische Widerstands-)SMA erzeugt diese Wärme; Bei Erwärmung über eine Übergangstemperatur richten sich die Atome der Drähte neu aus und bilden eine andere kristalline Struktur. Dies führt dazu, dass sich der Draht beim Erhitzen zusammenzieht und beim Abkühlen wieder ausdehnt – was wiederum zu einer linearen Bewegungsausgabe führt.

Aktuatoren von Kinitics Automation verwenden eine Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung (das NiTi in Kinitics) in einer gebündelten Drahtanordnung. Die Aktuatoren erfüllen bestimmte Anwendungen besser als andere Linearbewegungstechnologien. Auf der rechten Seite sehen Sie, wie viel einfacher die Aktuatorkonfiguration von Kinitics Automation ist als bei vergleichbaren hydraulischen Systemen.

Aufgrund dieses reversiblen Verhaltens eignen sich Aktuatoren auf SMA-Drahtbasis für eine Reihe von Bewegungsanwendungen – einschließlich solcher an Maschinenachsen mit hoher Taktfrequenz. Die Stange ist das einzige bewegliche Teil, sodass der Aktuator kein Spiel oder mechanisches Spiel aufweist – unabhängig davon, wie oft er zyklisch betätigt wird. Forschung und Tests haben quantitative, branchenübliche Informationen über die Linearaktuatoren erbracht, die eine Anwendung auf reale Bewegungsdesigns ermöglichen.

Der gebündelte Draht von Kinitics Automation verbindet mehrere SMA-Drähte mit einem Kolben im Aktor. Die direkte Verbindung zwischen Zylinderkörper und Stange durch die Drahtanordnung gewährleistet Festigkeit und Haltbarkeit. Bei Anwendung von Elektrizität (Wärme) verkürzen sich die Drähte und bewegen die Betätigungsstange. Zur Qualitätskontrolle und MTBF-Prüfung betreibt Kinitics Automation ein Labor mit mehreren Drahtprüfständen, die mehr als 2 Millionen Zyklen an einzelnen SMA-Drahtstücken aufgezeichnet haben.

Kinitics Automation Bundled Wire ist eine proprietäre Technologie zur Montage und Verbindung von Drähten aus Formgedächtnislegierungen (SMA) in einer dichten Anordnung. Die gebündelte Drahttechnologie verleiht den SMA-Linearantrieben von Kinitics Automation ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Größe. Darüber hinaus bleibt die große Drahtoberfläche erhalten, sodass Vorwärtshubzeiten in nur 200 ms (oder weniger) und vollständige Zyklen in weniger als 5 Sekunden möglich sind. Bei Anschluss an eine Kolbenpumpe, wie hier gezeigt, kann die Technologie auf Fluidtechnikanwendungen angewendet werden.

So funktioniert ein SMA-Linearaktuator über einen linearen Hubzyklus hinweg:

1. Während einer anfänglichen Hubphase verwendet der SMA-Linearaktuator mit gebündeltem Draht elektrische Energie, um einen Kolben in Richtung eines festen Endes zu bewegen. Die Menge der aufgebrachten Kraft bestimmt die Kolbengeschwindigkeit.

2.Anschließend kann der Kolben während einer optionalen Haltephase die Position für eine festgelegte Zeitspanne halten.

3. Während der Rückkehrphase nutzt der SMA-Linearaktuator mit gebündeltem Draht dann Wärmeübertragung und Kraftvorspannung, um den Kolben in die Ausgangsposition zurückzubringen. Die Abkühlgeschwindigkeit und die Größe der Vorspannkraft bestimmen die Kolbengeschwindigkeit.

Für Konstrukteure, die Maschinenachsen entwickeln, die eine Positionierung oder Kraftsteuerung erfordern, ist der Linearantrieb von Kinitics Automation eine neue Option. In Verbindung mit einem Kinitics-Controller (wie dem KCA020) kann ein analoges Controller-Eingangssignal die Stellantriebsverstärkung modulieren. Alternativ kann der Kinitics-Controller auch ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) akzeptieren, um den Aktuator dynamisch anzutreiben. Durch die Kombination eines Aktuators und Controllers von Kinitics mit einem Rückkopplungssensor und einer Anlagensteuerung entsteht ein Bewegungssystem mit geschlossenem Regelkreis. Programmierer können die lineare Reaktionsfähigkeit des Aktuators bei der Entwicklung ihrer Steuerungsstrategie nutzen. Normalerweise ist es möglich, einen PI-Funktionsblock zu verwenden – und die Entwicklung komplexer High-Order-Programme überflüssig zu machen.

Durch das Hinzufügen von Rückkopplungssensoren und einem Controller zum Design können Konstrukteure sogar SMA-Linearaktuatoren mit gebündelten Drähten erhalten, um komplexe Bewegungsprofile auszugeben … und eine Feinpositionierung und Kraftsteuerung. Für Letzteres regelt ein spezieller Antriebsregler den Stromeingang, um eine präzise lineare Bewegung am Ausgang zu steuern.

Obwohl es den Rahmen dieses Artikels sprengt, können Variationen der SMA-Anordnung mit gebündelten Drähten für den Kolbenpumpenbetrieb eine feine Drucksteuerung, Austrittstemperatursteuerung und volumetrische Verdrängungssteuerung ermöglichen.

Beim Einsatz zur Positionierung liefern die gebündelten SMA-Linearaktuatoren von Kinitics eine wiederholbare Genauigkeit und Präzision bis auf 5 µm (0,0002 Zoll). Hier sind die Leistungsmerkmale eines KLA05 SMA-Linearaktuators dargestellt, der mit 120 V Wechselstrom betrieben wird und 725 N (163 lbƒ) über drei Positionen bewegt. Durch die Begrenzung der Verstärkung des KCA020-Controllers (wie hier zwischen Schritt eins und zwei gezeigt) ist es auch möglich, die Beschleunigungsrate zu steuern.

Vergleich von SMA-Linearaktuatoren mit herkömmlichen Designs

SMA-Linearaktuatoren mit gebündelten Drähten sind einzigartig in der Linearbewegungsbranche: Sie nutzen keine Motoren oder Magnetfelder zur Krafterzeugung. Stattdessen nutzt die Technologie eine Formgedächtnislegierung, um Bewegung zu erzeugen. Sie sind häufig kostengünstiger als Elektromotoren vergleichbarer Größe. Darüber hinaus vermeiden SMA-Linearaktuatoren einige der elektrischen Geräuschprobleme elektromagnetischer Anordnungen und die akustischen Geräusche mechanischer Geräte wie Getriebe. Tatsächlich funktionieren SMA-Linearaktuatoren mit gebündelten Drähten ohne Kraftübertragungskomponenten wie Getriebe und Kugelumlaufspindeln, um eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln.

Da es sich um eine neue Technologie handelt, entziehen sich SMA-Linearaktuatoren den traditionellen Klassifizierungen traditioneller Bewegungsdesigns.

Der gebündelte SMA-Linearaktuator lässt sich am besten zusammenfassen, indem man ihn als Kurzhuboption mit hoher Kraft beschreibt – skalierbar auf etwa 2.000 N oder etwa 500 Pfund Kraft. Die Hübe betragen bis zu 10 mm bzw. etwa 0,375 Zoll. Geeignete Anwendungen sind solche, die kurze Hübe mit außergewöhnlich präziser Positionierung erfordern. Auf der MD&M West 2018 in Anaheim, Kalifornien, wurde bei einer Vorführung ein kleiner SMA-Linearaktuator mit gebündeltem Draht gezeigt, der 160 Pfund schwere Metall-Krafttrainingsplatten präzise anhebt und senkt – um das Gewicht auf 5 mm genau zu positionieren.

Eine solche lineare Bewegung ist mit den meisten anderen Technologien nicht möglich.

Magnetspulen liefern hervorragende Ein-Aus-„Bang-Bang“-Hübe – wie zum Beispiel bei Tellerventilen für Anwendungen in der Flüssigkeitsverarbeitung. Diese Ventile benötigen viel Kraft, um auf die Feder einzuwirken und den Druck im statischen Zustand aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu kann die lineare Betätigung aus einer Formgedächtnislegierung dazu dienen, dass solche Anlagen als Proportionalventile funktionieren … denn im Gegensatz zu Magnetspulen können Steuerungen den Aktuator in jede beliebige Position bringen, um den Durchfluss zu steuern.

SMA-Linearaktuatoren mit gebündelten Drähten können in einigen Fällen auch als Positionierer fungieren (um mit Piezo-Technologien zu konkurrieren). Die Hublängen gehen über die von hinausPiezosDaher können Konstrukteure, die mehr als 0,1 mm – beispielsweise bis zu 10 mm – benötigen, die SMA-Betätigung mit gebündelten Drähten als Option in Betracht ziehen.

Zu den Anwendungen gehören hier die Feinpositionierung von Bearbeitungstischen, Spiegelinstrumenten und anderen Anwendungen, die ansonsten die Genauigkeit und Präzision von Piezoaktoren, jedoch mit größerer Reichweite, erfordern.

Bei kurzen Hüben konkurrieren SMA-Antriebe sogarherkömmliche Linearantriebsanordnungen die einen rotierenden Elektromotor mit einer rotatorisch-linearen mechanischen Vorrichtung kombinieren. Die Eliminierung von Totgang, Spiel und Verschleißflächen von Kupplungen, Getrieben und anderen mechanischen Komponenten sorgt für höhere Präzision und längere Lebensdauer. Mögliche Anwendungen sind hier unter anderem in der Verbraucherrobotik und -elektronik, in HLK-Anlagen und in medizinischen Geräten.

Kinitics-Automatisierung | www.kiniticsautomation.com

Das Direktantriebskonzept der SMA-Technologie mit gebündelten Drähten von Kinitics Automation entstand aus einer Automobilanwendung innerhalb des Schwesterunternehmens Biperformance Development Corp. (ShiftFX). Kurz gesagt, ShiftFX wollte eine optimierte Kupplungssteuerung für Motorräder entwickeln, die als Hauptzylinder fungieren kann – im Wesentlichen als Kolbenpumpe.

„Herkömmliche Technologien – insbesondere Aktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb – verfügten nicht über genügend Leistungsdichte, um die Aufgabe innerhalb des im Motorrad-Fußabdrucks vorgesehenen Raums zu erfüllen“, sagte Dean Pick, Präsident von Kinitics Automation. „Also stießen wir zufällig auf die Formgedächtnislegierungstechnologie und begannen fünf Jahre lang mit Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an Anpassungen. Damals hatte noch niemand sie erfolgreich auf eine lineare Bewegungsanwendung angewendet.“

Dean Pick im Labor: Zur Qualitätskontrolle und MTBF-Prüfung betreibt Kinitics Automation ein Labor mit mehreren Drahtprüfständen, die mehr als 2 Millionen Zyklen an einzelnen SMA-Drahtstücken aufgezeichnet haben.

Tatsächlich fährt Pick Motorrad und diente als Testkaninchen für viele der frühen Anwendungen von Formgedächtnislegierungsprodukten durch Kinitics Automation. Nach der Perfektionierung erkannte das Team von Kinitics, dass die Technologie für andere lineare Anwendungen in anderen Branchen nützlich sein könnte. So wurde nun eine ganze Familie von SMA-Linearaktuatoren und -Kolbenpumpen etabliert.