Experimentelle Untersuchung und Methodik zur Konditionierung und Fertigung von Aktor-Sensor-Systemen auf Basis von Nickel-Titan Drähten

Abstract

Die Dissertation gliedert sich in zwei Themenbereiche. Im ersten Block wird die Entwicklung eines multifunktionalen Prüfstands für Zugversuche und aktorische Tests an FGL-Mikrodrähten diskutiert. Er erlaubt präzise Messungen ihrer anwendungsrelevanten Eigenschaften. Damit werden Methoden entwickelt, um den Einfluss von Training auf das Verhalten der Drähte zu untersuchen. Es zeigt sich, dass elektro-thermisches Training bei hoher Last die Widerstandshysterese reduziert, das mechanische Verhalten beeinflusst und die funktionale Stabilität verbessert. Zusätzlich wird das Verhalten der FGL bei hohen Umgebungstemperaturen untersucht, wobei sich mit Training und Belastung das Hochtemperaturverhalten verändert. Im zweiten Teil wird die Entwicklung eines Widerstandsschweißprozesses für die Herstellung von kompakten NiTi-Mikrodrahtbündeln beschrieben. Der Schweißprozess ermöglicht die zuverlässige Verbindung von NiTi-Drähten mit verschiedenen Legierungen und die Fertigung flacher Bündelaktoren. Die geschweißten Bündel zeigen eine schnelle Abkühlgeschwindigkeit und skalierbare Abtriebskraft. Insgesamt ergänzen sich beide Bereiche, indem sie eine Brücke von der detaillierten Charakterisierung und Optimierung einzelner FGL-Mikrodrähte hin zur praktischen Fertigung und Anwendung von FGL-Aktor-Sensor-Systemen schlagen. Diese Herangehensweise ermöglicht es, theoretische Erkenntnisse in praxisrelevante Systeme zu überführen und somit die Einsatzmöglichkeiten von FGL-Aktuatoren zu erweitern.

The dissertation is divided into two main thematic areas. In the first part, the development of a multifunctional test rig is discussed, enabling tensile and actuation tests on shape memory alloy (SMA) microwires. It allows precise measurements of the wires' properties that are relevant for applications. With it, methods are developed to investigate the influence of training on the wires' behavior. It is found that electro-thermal training under high load reduces the hysteresis of the resistance signal, influences the mechanical behavior, and improves functional stability. Additionally, the behavior of SMA at high ambient temperatures is examined, revealing that training and load significantly influence high-temperature behavior. The second part describes the development of a resistance welding process for producing compact NiTi microwire bundles for actuator-sensor systems. The welding process ensures the reliable bonding of NiTi wires with various alloys and the manufacturing of flat bundle actuators. The welded bundles feature rapid cooling and scalable output force. Overall, both topics complement each other by bridging detailed characterization and optimization of individual SMA microwires with the practical production and application of high-performance SMA actuator-sensor systems. This approach enables the direct transfer of theoretical insights into practical technologies, thereby expanding the application possibilities of the material.