Nitinol: Informationen und Projektbeschreibung

Die Entwicklung unserer Idee, ein Antriebsystem mit Nitinol, einer Nickel-Titan-Legierung zu bauen, begann damit, dass wir im Frühjahr 2005 zu ersten Mal von diesem Material hörten.

Wir waren fasziniert von den Eigenschaften und dem breiten Anwendungsbereich dieser Legierung und begannen uns mit diesem Material im Rahmen eines Projektes des PhysikClub Kassel näher auseinanderzusetzen.

Mit Facharbeiten und Internetrecherchen informierten wir uns zunächst über die Materialeigenschaften und Anwendungen von Nitinol. Da uns diese Informationen nicht reichten und sich immer mehr Fragen bildeten, auf die wir keine Antwort fanden, nahmen wir Kontakt mit der Universität Kassel auf. Dort bekamen wir einen guten Überblick über die aktuellen Anwendungsbereiche und viele interessante Anregungen mit diesem Material zu arbeiten.

Inspiriert von den vielen Gesprächen und Literaturrecherchen kamen wir auf die Idee ein Antriebssystem zu entwickeln, was die Eigenschaften der Legierung nutzt.

Um diese möglichst effizient nutzen zu können, experimentierten wir mit verschiedenen Nickel-Titan Legierungen und lernten mit ihnen umzugehen.

Nach einem Jahr Grundlagenforschung entdeckten wir, das der Bewegungsapparat eines Fisches Eigenschaften nutzt, die auch die Legierung Nitinol hat. Es schien prinzipiell möglich zu sein diesen aus Nitinol nachzubauen und geeignet für das von uns gesuchte Antriebssystem.

Damit wurde es zum Ziel des Projektes einen Unterwasserroboter zu bauen, der den selben Antriebsmechanismus wie ein Fisch benutzt.

Bei der gesamten Entwicklung nahmen wir die Natur als einen grundlegenden Anhaltspunkt und wussten bis zum Schluss nicht, ob das von uns entworfene Antriebsmodell funktioniert.

So begann eine fortschreitende Entwicklung eines Antriebs, den wir immer weiter miniaturi­sierten und verbesserten.

Vor allem begeistert uns, dass das Antriebssystem völlig lautlos zu funktionieren scheint und mit seiner geringen Größe das Verhalten eines Fisches nachahmen kann.

Materialeigenschaften von Nitinol

Nitinol („Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory“) ist eine Formgedächtnislegierung aus Nickel und Titan mit besonderen thermo-mechanischen Eigenschaften. Sie wurde erstmals 1962 im Naval Ordnance Laboratory, in White Oak, Maryland entwickelt.

Die besondere Eigenschaft dieser Formgedächtnislegierung beruht darauf, dass thermische Energie durch eine Gitterumwandlung in ihrer Kristallstruktur in großem Maße in mechanische Arbeit transformiert wird.

Führt man der Legierung durch Erhitzung thermische Energie zu, findet eine Verformung in eine bestimmte, der Legierung eingeprägten Form statt. Diese Eigenschaft wird als Formgedächtnis bezeichnet und wurde schon 1932  bei Cu-Cd-, In-Ti- und Cu-Zn-Legierungen entdeckt, sie findet bei Nitinol jedoch in einem deutlich prägnanteren Maße statt.

Neuerdings wurde diese Eigenschaft auch bei bestimmten Polymeren entdeckt.  

Das Zuführen thermischer Energie verursacht unter bestimmten Bedingungen gleichzeitig eine Kontraktion der Legierung um bis zu 8 Prozent der Länge. Dieser Zusammenzug überwiegt in großem Maße der thermischen Ausdehnung der Legierung, da Nitinol nur einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat. Die Kontraktion erfolgt mit einer sehr viel größeren Kraft als die Verformung in das Formgedächtnis.

Die Gitterstruktur von Nitinol ändert sich in einem für die Zusammensetzung der Legierung spezifischen Temperaturbereich. Die bei einer niedrigen Temperatur überwiegende Gitterstruktur heißt Martensitstruktur. Bei einer hohen Temperatur überwiegt die Austenitstruktur. Die Übergänge zwischen der Martensit- und Austenitstruktur verlaufen bei Erhitzung und Abkühlung in einer Hysterese (Abb.1).

Im Temperaturbereich in dem die Austenitstruktur überwiegt, befindet sich Nitinol in seinem Formgedächtnis. Bei einer Verformung tritt eine beachtliche mechanische Rückstellspannung auf, da die Legierung sich in einem pseudoelastischen Zustand befindet.

Bei einer überwiegenden Martensitstruktur kann man Nitinol verformen, ohne das es sich wieder zurückformt in sein Formgedächtnis. Je weiter die Temperatur vom Übergangsbereich entfernt ist, desto mehr Kristalle befinden sich in den spezifischen Strukturen und die jeweiligen Eigenschaften werden immer ausgeprägter

Aufgrund der besonderen Eigenschaften und der zusätzlich hohen Korrosionsbeständigkeit und guten Biokompatibilität von Nitinol, gibt es viele Anwendungen in der Medizintechnik, Automobilindustrie, Maschinenbau sowie Luft- und Raumfahrt.