Advanced design and control concepts for actuators based on shape memory alloy wires

Abstract

Intelligente Materialien eröffnen durch ihre einzigartigen Formfaktoren ganz neue Designmöglichkeiten und ihre Eigenschaft, Aktorik mit Sensorik zu kombinieren, kann in multifunktionalen Systemen zu bisher ungenutzten Mehrwerten führen. Gleichzeitig führt die hiermit verbundene Komplexität zu neuen Herausforderungen bei der Entwicklung und Ansteuerung von Systemen, sodass es bisher trotz der Vielzahl an Vorteilen noch vergleichsweise wenige kommerzielle Produkte gibt. Diese Dissertation setzt sich als Ziel, diese Herausforderungen zum einen durch die Entwicklung einer systematischen Konstruktionsmethodik als auch durch die beispielhafte Illustration von Konstruktionslösungen anzugehen. Sie konzentriert sich dabei speziell auf das Technologiefeld der Formgedächtnislegierungen (FGL) und erläutert nach einer grundlegenden Einführung in den Entwurf von FGL-Aktorsystemen die intelligente Kopplung von FGL-Aktordrähten mit bistabilen, nichtlinearen Federelementen. Durch diese Kombination lassen sich die oft zitierten Nachteile von FGL – langsame Aktuierung und Energieineffizienz – für viele Anwendungen eliminieren. Ein zweiter Weg zu hoher Geschwindigkeit und Energieeffizienz liegt in der Ansteuerung mit Pulsen bei hohen elektrischen Spannungen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit innovative und gleichzeitig systematische Konzepte zur Entwicklung von FGL-Aktoranwendungen auf und möchte damit einen Beitrag zur weiteren zukünftigen Verbreitung dieser noch jungen Technologie leisten.

Versatility and variability in form factor of smart materials, combined with their actuation and sensing abilities, allow for the design and construction of multifunctional systems. These systems add value to industrial and consumer products. Despite the considerable number of advantages, only a few smart-material-based actuator-sensor-systems are commercially available, mainly due to challenges in design, fabrication, and control of these materials. This dissertation attacks these challenges by providing a systematic design framework, as well as exemplary illustrations of design solutions. Special focus of this work is on the technological field of shape memory alloys (SMA). After a basic introduction to the design of SMA actuator systems, the intelligent combination of SMA actuator wires with bi-stable, nonlinear spring elements is described. This combination eliminates oftentimes-quoted disadvantages of SMAs – slow actuation and energy-inefficiency – for a wide range of applications. A second approach for the realization of high-speed actuation and energy-efficiency is the activation of SMA wires with high voltage pulses, which leads to actuation times in the millisecond-range and energy-savings up to 80 % in comparison to the suppliers’ recommendations. In summary, this thesis demonstrates innovative, and at the same time systematic concepts for the design and control of SMA actuator systems. Thus, it aims at contributing to future spreading of this still young technology.