Formgedächtnis-Materialien: Wie sie sich biegen, zurückfedern und unter Hitze transformieren

Heute stellen wir Ihnen in unserem Blog eine Materialklasse vor, die zunehmend an Bedeutung gewinnt: Formgedächtnis-Materialien.

Diese Materialien besitzen die Besonderheit, dass sie verformt werden können und später durch einen externen Reiz – meist Temperaturänderung – ihre ursprüngliche Form wiedererlangen. Wie wir bereits in einem anderen Beitrag erwähnten, handelt es sich um intelligente Materialien.

Als Beispiel: Wem ist noch nie ein Besteckteil oder eine Nadel verbogen? Stellen Sie sich vor, diese würden auf dem Heizkörper wieder ihre ursprüngliche Form annehmen. Mit dieser Materialart ist das möglich – und ihre Vorteile hören hier nicht auf.

Was sind Formgedächtnis-Materialien?

Wie erwähnt können Formgedächtnis-Materialien nach einer Verformung ihre Ausgangsform zurückgewinnen. Klingt das nach elastischem Verhalten, so sind sie doch grundlegend anders. Ihre Einzigartigkeit liegt darin, dass die verformte Form nach Wegfall der Kraft beibehalten wird und eine Temperaturerhöhung nötig ist, damit das Material in seinen Urzustand zurückkehrt.

Diese formwiederherstellende Wirkung durch Temperatur beruht auf einem Wechsel der inneren Struktur. Bei niedrigen Temperaturen weisen diese Materialien eine lamellar-fibrilläre Anordnung auf, die Verformungen leicht zulässt, da sich Schichten gegeneinander verschieben können – der sogenannte martensitische Zustand. Beim Erhitzen geht das Material in eine kubische, starre Anordnung über, die keine Bewegung und somit keine Verformung mehr zulässt; dies ist der austenitische Zustand. Dieser Phasenübergang von der lamellaren zur kubischen Struktur erfolgt mit solcher Kraft, dass das Material in seine Ursprungsform zurückkehrt und alle Verformungen rückgängig macht. Beim Abkühlen stellt sich die lamellare Struktur wieder ein, und der Zyklus kann beliebig oft wiederholt werden – ohne Ermüdung oder Verschleiß, was etwa bei Sensoren oder Ventilen mechanische Brüche vermeidet.

Wozu dienen Formgedächtnis-Materialien in der Industrie?

Um den Übergang von der martensitischen in die austenitische Phase zu bewirken, muss die Temperatur erhöht werden – durch direkte Wärmezufuhr oder, besonders praktisch, durch elektrischen Strom. Da sich die Temperatur so elektrisch steuern lässt, sind diese Materialien ideale Kandidaten für Aktuatoren und Sensoren. Die Formrückgewinnung erfolgt bei gleicher Temperatur immer identisch, was extrem präzise Aktuatoren und Sensoren ermöglicht. Zudem laufen die Verformungen schneller ab als bei herkömmlichen Materialien für solche Anwendungen.

Bisher ging es um Materialien, die sich verformen und per Wärme zurückstellen lassen. Für Aktuatoren wird jedoch oft ein Wechsel zwischen zwei festen Positionen benötigt. Ist das möglich? Ja – denn es gibt Formgedächtnis-Materialien mit zwei Formgedächtnissen bei unterschiedlichen Temperaturen. Damit lassen sich zwei Geometrien an zwei bekannten Temperaturen festlegen, was für viele Anwendungen äußerst praktisch ist.

Arten von Formgedächtnis-Materialien

Die bislang am häufigsten eingesetzten Formgedächtnis-Materialien sind metallischer Natur. Allen voran Nitinol (Nickel-Titan-Legierung), das wegen seiner hervorragenden Eigenschaften am weitesten verbreitet ist. Weitere Legierungen mit Formgedächtniseffekt sind Kupfer-Zink-Aluminium (Cu-Zn-Al), Kupfer-Aluminium-Nickel (Cu-Al-Ni) sowie Eisen-Mangan-Silicium (Fe-Mn-Si).

Lange waren nur metallische Formgedächtnis-Materialien bekannt, doch die Forschung der letzten Jahre brachte polymerbasierte Formgedächtnis-Materialien hervor. Durch ihre geringere Dichte sind sie vielversprechend für Anwendungen, bei denen leichte Bauteile gefragt sind. Auch formverändernde oder selbstheilende Polymere zeigen ähnliche Eigenschaften.

Weitere Typen, die noch erforscht werden und deren Einsatz sich noch nicht breit etabliert hat, sind Formgedächtnis-Keramiken und ferromagnetische Formgedächtnis-Materialien. Doch wir sind überzeugt: In Zukunft werden all diese Materialklassen großen Einfluss gewinnen.

Anwendungsbeispiele

Hier einige konkrete Einsatzgebiete:

Eine aktuell stark wachsende Anwendung ist das Fügen von Rohren ohne Schweißen. Das Prinzip ist simpel: Ein Formgedächtnis-Element wird in die Rohre eingesetzt und durch Erhitzen auf seinen ursprünglichen, größeren Durchmesser ausgedehnt. Der dabei entstehende Innendruck verbindet die Rohre fest – teils widerstandsfähiger als Schweißnähte.

Dasselbe Prinzip nutzt die Medizintechnik zur Eröffnung von Verengungen im Körper. Kleine Stents werden in verengte Venen oder Arterien eingeführt und dehnen sich bei Körpertemperatur auf, sodass der Blutfluss wiederhergestellt wird.

Neben röhrenförmigen Geometrien ist das Anwendungsspektrum sehr breit. Etwa an Fahrzeug- oder Flugzeugkarosserien, um deren Geometrie während der Fahrt anzupassen und so die Aerodynamik zu verbessern – was den Treibstoffverbrauch senkt. Denken wir an Aktuatoren, deren Funktion darin besteht, zwischen zwei Positionen zu wechseln: In Zukunft könnten die allermeisten aus Formgedächtnis-Materialien gefertigt sein!

Bereits heute finden sich Formgedächtnis-Materialien in medizinischen Geräten und Produkten, von Zahnimplantaten bis zu chirurgischen Instrumenten (leicht zu sterilisieren). Auch in Alltagsgegenständen: Büstenhalter mit Formgedächtnis-Draht, der durch Körperwärme seine Form behält, oder Matratzen, die nach Belastung ihre Form zurückgewinnen. Aufgrund ihrer Leichtigkeit, Festigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit kommen sie zudem in Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Raketen und Sonden zum Einsatz.

Angesichts der vielfältigen Anwendungen und Vorteile werden uns Formgedächtnis-Materialien in den kommenden Jahren noch häufiger begegnen – oft ohne dass wir es bemerken, da sie in voller Entwicklung sind und intensiv erforscht werden.

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