Leichte Bauteile für Autos und Maschinen Künstliche Muskeln machen Antriebe klein und nachhaltig

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Neuartige, an der Universität des Saarlandes entwickelte Formgedächtnisantriebe kommen mit einem Durchmesser von 300 µm bis 400 µm aus, sind leicht und energieeffizient. Diese „künstlichen Muskeln“ aus Nickel-Titan ermöglichen besonders kompakte Bauteile mit dennoch hoher Zugkraft.

Der Platz ist knapp im Auto, Flugzeug und in sonstigen Maschinen und Geräten, denn immer mehr Technik muss heute auf kleinem Raum unterkommen – und unter Energiespar-Aspekten darf das Ganze auch nicht zu schwer werden.

Hier wollen die Forschungsteams der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki von der Universität des Saarlandes mit ihrer neuen Antriebstechnologie ansetzen und zeigen auf der Hannover Messe vom 17. bis 21. April in Halle 2 am Stand B34 technische Bauteile, die nicht nur kleiner sind und weniger Gewicht auf die Waage bringen als herkömmliche Antriebskomponenten, sondern zusätzlich auch weniger Energie verbrauchen – und nach Vorstellung der Professoren bald zur Katalogware werden sollen. Sie bieten Lösungen, wo Elektromotoren oder -magnete in technischen Bauteilen zu groß oder zu schwer sind.

Haarfeine Muskelstränge aus Nickel-Titan-Draht

Die Saarbrücker Forscherinnen und Forscher nutzen die Eigenschaften intelligenter Formgedächtnis-Materialien, um den technischen Bauteilen künstliche Muskelstränge aus haarfeinen Nickel-Titan-Drähten zu verleihen, die auf Stromimpulse hin anspannen und entspannen können. Auf kleinstem Raum entfalten diese Formgedächtnisdrähte hohe Zugkraft. „Von allen bekannten Antriebsmechanismen haben die künstlichen Muskeln aus Nickel-Titan die höchste Energiedichte“, sagt Professor Stefan Seelecke.

Ihren Einsatz finden die neuartigen Aktoren, wo immer sich etwas drehen soll oder Schalter auf kleinem Bauraum gebraucht werden. Sie bringen dabei Rotationsbewegungen, auch größere Drehmomente und Drehwinkel, ebenso kraftvoll in Gang, wie es bisher nur Motoren, Hydraulik oder Druckluft können. Fließt Strom durch einen solchen Nickel-Titan-Draht, erwärmt er sich und seine Kristallstruktur wandelt sich so um, dass er sich verkürzt – er kontrahiert wie eine natürliche Muskelfaser. Wird der Strom abgeschaltet, kühlt der Draht ab und wird lang wie zuvor.

Faserbündel kontrahieren schneller

Seeleckes Team bündelt die feinen Drähte wie echte Muskelfasern, die von Natur aus in Bündeln zusammengefasst sind. „Mehrere Drähte geben durch die größere Oberfläche mehr Wärme ab, dadurch erreichen wir schnelle Kontraktionen“, erklärt Professor Paul Motzki, der mit „Smarte Materialsysteme für innovative Produktion“ eine Brückenprofessur zwischen Universität des Saarlandes und dem Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik Zema innehat.

Mit diesen steuerbaren künstlichen Muskeln bauen die Forscher technische Bauteile modular auf und passen sie verschiedensten Anforderungen an. Um dabei zum Beispiel etwas in Drehung zu versetzen, lassen die Ingenieure die Drähte kontrahieren und so etwa an einem Zahnrad ziehen. Wie bei echten Muskeln nutzen sie dabei muskuläre Gegenspieler (Agonist und Antagonist, Beuger und Strecker), sodass eine Rotation in beide Richtungen möglich ist. Ein Hebel übersetzt dabei die lineare Kontraktion in den entsprechenden Drehwinkel, hier kommt auch ein patentierter Zahnstangenmechanismus zum Einsatz, der die Linearbewegung in eine Rotation überführt, wie im auf der Hannover Messe gezeigten Prototyp.

Aktoren sind zugleich Sensoren

Bei der Ansteuerung kommen die Draht-Aktoren ohne zusätzliche Sensoren aus, denn die künstlichen Muskeln selbst dienen zugleich als Sensoren des Systems – was ebenfalls platz- und energiesparend ist. „Verformen sich die Drähte, ändert sich der elektrische Widerstand. Wir können jede Verformung des Drahts präzisen Messwerten zuordnen und können hierdurch sensorische Daten ablesen“, sagt Motzki. Anhand der Messwerte können die Ingenieure schnelle und präzise Bewegungsabläufe der Drähte modellieren und programmieren.

Weil die Technologie skalierbar ist, sind mit ihr auch größere technische Bauteile möglich. Das Forschungsteam nutzt sie für die verschiedensten Anwendungen vom neuartigen Kühlsystem über Robotergreifer bis hin zu Ventilen und Pumpen. Anders als Elektromotoren, pneumatische oder hydraulische Maschinen verursacht das Verfahren keinen Lärm, kommt ohne zusätzliches Equipment und auch ohne seltene Erden aus. Auf der Hannover Messe suchen die Forscherinnen und Forscher Partner, um ihr Verfahren für verschiedene Anwendungen weiterzuentwickeln. (cg)

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