Smart materials besitzen die Fähigkeit, sich selbstständig an veränderte Umweltbedingungen anzupassen bzw. ihre Eigenschaften durch äußere Einflüsse gezielt so zu verändern, dass sie optimal an ihre Umgebung angepasst sind. Damit ermöglichen smart materials hohe Funktionalität in vereinfachten Strukturen und damit völlig neue Perspektiven im Produktdesign. Statt der bisherigen Trennung von Funktion und Struktur strebt smart³ eine Integration der Funktionalität in die Struktur des Werkstoffes an.

 

Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL)

Thermische Formgedächtnislegierungen sind Bleche oder Drähte, die durch Wärmeenergie vordefiniert ihre Form ändern. Sie erkennen selbstständig einen äußeren Stimulus und reagieren vordefiniert, verlässlich, wiederholbar und reversibel darauf. Gleichzeitig weisen sie relativ zu ihrer Leistungsdichte ein äußerst geringes Gewicht auf. Damit ermöglichen FGL elegante Lösungen für eine Vielzahl aktorischer und sensorischer Aufgaben.

So können beispielsweise Stellantriebe, etwa im Automobilbau oder der Luftfahrt, gegenüber bisherigen Lösungen stark vereinfacht und um temperaturgestützte Zusatzfunktionen erweitert werden.

Funktionsprinzip Formgedächtnislegierungen

 

Dielektrische Elastomeraktoren (DEA)

Als Teilbereich der elektroaktiven Polymere können DEA in der Aktorik, der Sensorik und der Energieumwandlung Anwendung finden. Sie sind leicht und kompakt, schalten schnell und geräuschlos.

Energy-Harvesting-Module zur Gewinnung elektrischer Energie aus Vibrationen oder Schwingungen können beispielsweise aus DEA hergestellt werden. Diesen Modulen werden Wirkungsgrade von über 80 % prognostiziert. Damit sind sie konventionellen Techniken und Solarmodulen deutlich überlegen.

Funktionsskizze Dielektrische Elastomeraktoren

 

Piezokeramiken

Piezokeramische Werkstoffe erzeugen unter Einwirkung einer mechanischen Kraft eine Ladungstrennung; verformt sich das Material, bilden sich elektrisch geladene Bereiche entweder an Ober- und Unterseite oder an den gegenüberliegenden Mantelflächen. Die Funktionswerkstoffe verfügen über extrem kurze Reaktionszeiten und erlauben über den quasistatischen Bereich hinausgehend auch das Anregen hochfrequenter Schwingungen bis in den Gigahertzbereich. Daraus lassen sich unter anderem Anwendungen als Ultraschallumwandler und elektromechanische Transformatoren ableiten. Serienmäßig eingesetzt werden Piezokeramiken bereits in der Automobilindustrie, etwa als Injektoren für verbrauchsarme Diesel- und Ottomotoren, sowie in der Medizintechnik als Ultraschallsensoren.

Funktionsskizze Piezokeramiken

 

Magnetische Formgedächtniswerkstoffe (MSM)

Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes können MSM ihre Form um bis zu 12% verändern und bilden somit eine zukunftsträchtige Klasse unter den smart materials. Sie eignen sich hervorragend als Aktoren, zur Gewinnung kleiner Mengen elektrischer Energie sowie als Sensoren. MSM-Aktoren bieten signifikante Vorteile der Arbeitsabgabe im Verhältnis zu Betriebsfrequenz, Energieeffizienz und Lebensdauer.

Funktionsskizze Magnetische Formgedächtnislegierungen