Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: doi:10.22028/D291-22852
Titel: Design, fabrication, and control methods for exploiting the multifunctional sensing and actuation capabilities of shape memory alloy wires
Sonstige Titel: Konstruktion, Fertigung und Ansteuerungsmethoden für Formgedächtnisdrahtsysteme unter Berücksichtigung multifunktionaler Aktor- und Sensoreigenschaften
Verfasser: Furst, Stephen
Sprache: Englisch
Erscheinungsjahr: 2012
SWD-Schlagwörter: Aktorik
Sensortechnik
Memory-Legierung
Mathematische Modellierung
Rapid Prototyping
Freie Schlagwörter: actuators
sensors
design
shape memory alloys
rapid prototyping
DDC-Sachgruppe: 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Dokumentart : Dissertation
Kurzfassung: The benefits of replacing space and energy consuming actuators and sensors with so-called “active” materials have been well known for decades. One such material, shape memory alloys (SMAs), inspire particularly novel applications because of their unmatched power density, high force output, and ability to be multifunctional – acting simultaneously as both actuator and sensor. Recently, improved material processing techniques by companies such as Dynalloy have enabled repeatable, low-cost production of small-diameter (<100 µm) SMA wires capable of being actuated with minimal power at rates faster than 1 Hz. Additionally, a multifunctional power controller has been developed at North Carolina State University to simultaneously control the heating power input to SMA wires while measuring their changing electrical resistance. Advances such as these have enabled new applications to be considered in academia, such as steerable catheters and guidewires for use inside the human body, light-weight actuator systems for micro-air-vehicles, energy-efficient linear actuators to replace traditional solenoid or coil driven motors, and a multifunctional sensor-actuator system to control an adaptive Smart Inhaler nozzle without disrupting a delicate laminar air flow. Despite the obvious advantages and an abundance of novel application concepts, very few SMA-wire-based applications are commercially available. This development gap is caused by a number of significant practical challenges. First, the SMA material itself is non-linear and hysteretic, so design requires in-depth understanding of a complex kinematics problem. The design challenge is complicated further by a coupled thermo-mechanical interaction between a tiny SMA wire and surrounding structure that typically has a much larger thermal mass. Next, making reliable electrical and mechanical connections between the tiny SMA wires and the structure is non-trivial, and it is necessary to track the treatment history of the SMA materials during the fabrication process so that the behavior will be predictable. Finally, controlling the actuation or interpreting the sensor information of the electro-thermo-mechanically coupled SMA-structure system requires a ground-up understanding of the material’s characteristics and the physics of the coupled interactions. This dissertation provides a path for bringing miniature embedded SMA-wire applications from concept to functionality. Part 1 gives an overview of design with SMA wires, fabrication methods, and the implications of thermo-mechanical coupling. Throughout Part 1, design optimization and fabrication methods are presented in the context of an adaptive nozzle and a bio-inspired wing joint. Part 2 uses side-by-side physics-based modeling and experimental results to build an understanding of the stress, strain, and resistance characteristics of SMA wire within SMA-spring systems that provide simplified analogs for many embedded SMA applications. Then, methods for multifunctional sensing and control are outlined, implemented, and tested on the analog systems before finally being applied to the adaptive nozzle joint developed in Part 1, where SMA wires are used simultaneously to deform the joint and to measure the deformation for a closed-loop control scheme. The framework and case studies presented provide engineers with a design and control method that can be applied to a wide array of embedded SMA-wire applications in a multitude of industries.
Die Vorteile sogenannter „aktiver“ Materialien beim Einsatz in platz- und energiesparenden Anwendungen sind seit langem bekannt. Formgedächtnislegierungen (FGL) sind Beispiele für solche Materialien, die neue Anwendungen durch ihre einzigartige Leistungsdichte, hohe Kraftwirkung und Multifunktionalität als Sensor und Aktor inspirieren. Seit kurzer Zeit ist, durch verbesserte Herstellungstechniken von Unternehmen wie Dynalloy, Inc., USA, die kostengünstige Produktion von FGL-Drähten mit geringem Durchmesser (<100 µm) möglich, die zudem bei minimalem Energieeinsatz mit Raten größer 1 Hz aktuiert werden können. An der North Carolina State University wurde darüber hinaus ein multifunktionaler Leistungsregler entwickelt, mit dem sich gleichzeitig die Heizleistung der FGL-Drähte steuern, und die Veränderung ihrer elektrischen Widerstände messen lassen. Entwicklungen wie diese haben im akademischen Bereich bereits zu neuen Anwendungen geführt, wie beispielsweise steuerbare Katheter und Steuerdrähte für die Verwendung im menschlichen Körper, leichte Aktuatorsyteme für Mikro-Luftfahrzeuge, energieeffiziente Linearaktoren, welche klassische, elektromagnetisch angesteuerte Motoren ersetzen können, und ein nicht-intrusives Sensor-Aktor-System zur Steuerung der adaptiven Düse eines Inhalatorsystems („Smart Inhaler“) ohne Störung der empfindlichen laminaren Luftströmung. Trotz der offensichtlichen Vorteile und einer Fülle an neuen Anwendungskonzepten finden bis heute nur sehr wenige FGL-Draht-Anwendungen Verwendung in kommerziellen Produkten. Diese Entwicklungslücke ist durch eine Reihe von Komplexitäten in der Handhabung von FGL-Aktorsystemen bedingt. Zunächst einmal verhält sich das Material der FGL nichtlinear hysteretisch, so dass die Konzeption ein tiefgreifendes Verständnis eines komplexen kinematischen Problems voraussetzt. Eine weitere Herausforderung besteht in der gekoppelt thermo-mechanischen Interaktion zwischen dem dünnen FGL-Draht und der umgebenden Struktur mit üblicherweise viel größerer Wärmekapazität. Die nächste Schwierigkeit ist das Anbringen der elektrischen und mechanischen Verbindungen zwischen dem FGL-Draht und der Struktur. Zudem ist es notwendig, die Bearbeitungsgeschichte des Drahtes während der Herstellung nachzuvollziehen, damit das Verhalten vorhersagbar wird. Letztendlich wird für die Steuerung der Aktuierung und die Interpretation der Sensorsignale des elektro-thermo-mechanisch gekoppelten FGL-Systems ein grundlegendes Verständnis der Materialcharakteristik und der zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge benötigt. Diese Dissertation stellt das Vorgehen für die Entwicklung von FGL-Drahtanwendungen vom Konzept hin zur Funktionalität dar. Teil 1 liefert einen Überblick über die Konstruktion mit FGL-Drähten, Herstellungsmethoden und die Konsequenzen der thermo-mechanischen Kopplung. In Teil 1 werden Designoptimierung und Herstellungsverfahren im Rahmen einer adaptiven Düse und eines bioinspirierten Flügelgelenkes dargestellt. Teil 2 vergleicht physikalische Modellierung und experimentelle Ergebnisse, um ein Verständnis für den Verlauf von Spannung, Dehnung und elektrischem Widerstand von FGL-Drähten in Feder-FGL-Draht-Systemen zu entwickeln. Diese Systeme liefern vereinfachte Referenzsysteme für viele FGL-Anwendungen. Danach werden Verfahren für multifunktionales Messen und Regeln beschrieben, auf den Referenzystemen implementiert und getestet, bevor sie auf das in Teil 1 entwickelte System, das adaptive Gelenk einer Inhalatordüse, angewandt werden. Die FGL-Drähte werden in dieser Anwendung gleichzeitig dazu verwendet, die Düse zu verformen und die Verformung zu messen, wodurch eine Regelung realisiert werden kann. Das dargestellte Vorgehen und die Fallstudien bieten Ingenieuren grundlegende Design- und Regelungsmethoden, die für eine Vielzahl an FGL-Drahtaktor/sensor Anwendungen verwendet werden können.
Link zu diesem Datensatz: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-50065
hdl:20.500.11880/22908
http://dx.doi.org/10.22028/D291-22852
Erstgutachter: Seelecke, Stefan
Tag der mündlichen Prüfung: 16-Okt-2012
SciDok-Publikation: 17-Jan-2013
Fakultät: Fakultät 7 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät II
Fachrichtung: NT - Systems Engineering
Ehemalige Fachrichtung: bis SS 2016: Fachrichtung 7.4 - Mechatronik
Fakultät / Institution:NT - Naturwissenschaftlich- Technische Fakultät

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