Nitinol-Kochfest

Von Conrad Laskowski

Formgedächtnislegierungen sind speziell formulierte Kombinationen von Metallen, die in kaltem Zustand verformbar sind und bei Erwärmung über eine Übergangstemperatur in eine vorverformte oder "feste" Form zurückkehren. Viele verschiedene Kombinationen von Metallen oder Legierungen aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold, Eisen, Titan und/oder Zink sind heute für ihre Formgedächtniseigenschaften bekannt. Zwei der heute am häufigsten verwendeten Formgedächtnislegierungen sind Kupfer-Aluminium-Nickel und Nickel-Titan, mit letzterem werden wir hier "kochen".

Die NiTi-Legierung wird oft einfach als "Nitinol" bezeichnet, weil sie in den 1960er Jahren im US Naval Ordnance Laboratory entwickelt wurde. Der Name "Nitinol" setzt sich aus den Symbolen des Periodensystems für Nickel-Titan (NiTi) und dem Akronym für Naval Ordnance Laboratory (NOL) zusammen. Die Formgedächtniseigenschaften von Materialien wie Nitinol machen sie in einigen Anwendungen zu einer möglichen Alternative zu pneumatischen oder hydraulischen mechanischen Aktuatoren. Darüber hinaus können sie passiv durch Änderungen der System- und Umgebungsbedingungen oder aktiv durch Erhitzen der Elemente, häufig auf elektrischem Wege, aktiviert werden.^[1]

Nitinol - und alle Formgedächtnislegierungen - ändern ihre Form aufgrund von Übergängen in der kristallinen Struktur der Legierung als Reaktion auf Temperatur und Spannung. Es stimmt, dass auch andere Werkstoffe, wie z. B. Kohlenstoffstahl, ihre kristalline Struktur in Abhängigkeit von der Temperatur verändern. Kohlenstoffstahl verwandelt sich beim Erhitzen und Abschrecken von Austenit in Martensit. Worin besteht nun der Unterschied zu Formgedächtnislegierungen? Im Falle von Kohlenstoffstahl sind die Veränderungen sind nicht vollständig reversibel, während bei Formgedächtnislegierungen wie Nitinol die Änderungen der kristallinen Struktur sind vollständig umkehrbar. Es ist die Fähigkeit der Legierung, sich an ihre vorherige Form in dieser Kristallstruktur zu "erinnern", die ihr die einzigartige Eigenschaft des "Formgedächtnisses" verleiht.

Wie kommt man also zu dem Teil aus einer Formgedächtnislegierung, das man braucht? Wenn man nicht das Glück hat, eine vorgefertigte Form, wie z. B. eine Feder, zu finden, die von einem Anbieter ab Lager verfügbar ist, kann es schwierig sein, ein kundenspezifisches Nitinol-Teil herzustellen und es dann erfolgreich auf diese Form hitzezubehandeln, wenn man ein kleines Budget hat. Glücklicherweise hat Root3 Labs eine Lösung gefunden. Zunächst kann das Nitinol-Rohmaterial mit den meisten herkömmlichen Metallbearbeitungswerkzeugen geformt und gestaltet werden. Super! Geschafft (siehe Abb. 1).

Abb. 1 - Das rohe NiTi-Stück wird in die gewünschte Geometrie gebracht.

Zweitens sollte eine Vorrichtung angefertigt werden, die die geformte Nitinol-Geometrie festhält, damit sie sich beim Warmaushärten nicht in die Ausgangsform (d. h. gerader Draht, flaches Blech usw.) zurückverformt. Achten Sie darauf, dass die Halterung aus Materialien besteht, die auch hohen Temperaturen standhalten können. Perfekt! Mit denselben Metallbearbeitungswerkzeugen und etwas Stahlschrott (siehe Abb. 2).

Abb. 2 - Das rohe NiTi-Stück wird in einer dicken Stahlschablone befestigt.

 

Zum Schluss setzen Sie die geformte Form durch Wärmebehandlung fest, so dass sie zur neuen "gespeicherten" Standardgeometrie wird. Hmmm? Leichter gesagt als getan. Auf dem Markt gibt es mehrere Arten von präzisen, gleichmäßig beheizten Hochtemperaturöfen für das Warmaushärten von Teilen aus Formgedächtnislegierungen, die jedoch Tausende bis Zehntausende von Dollar kosten. Igitt. Wie wäre es mit einem Lötbrenner (dem Lieblingswerkzeug von Christina Krueger)? Root3 Labs hat festgestellt, dass die Verwendung eines Lötbrenners, bis das Nitinol sichtbar rot glüht - wie manchmal vorgeschlagen - zu Überhitzung, schlechter Leistung und lokalem Versagen des Teils an "heißen Stellen" durch wiederholte Zyklen führt. Was also, wenn Sie nur eine Handvoll Nitinolteile für einen kostengünstigen Proof-of-Concept herstellen müssen? Wie so oft: Grillen ist die Rettung! Oder genauer gesagt, schwelende Holzkohlen zur Rettung (Abb. 3)! Lassen Sie mich das erklären.

Abb. 3 - Die (heißen) Hundstage des Sommers.

 

Anstelle von Tausenden oder Zehntausenden von Dollars für einen neuen Präzisionsofen kann ein $13.00-Sack Holzkohle Ihnen eine "ausreichend kontrollierte" Temperaturbedingung bieten, um Ihre Teile hitzebeständig und funktionsfähig zu machen. Chef - *hust hust*... Senior Mechanical Engineer - Conrad von Root3 Labs wählte ein Nitinol-Material mit einer Aktivierungstemperatur von 176^⁰F (80^⁰C) und - was noch wichtiger ist - einen Wärmestabilisierungsbereich von 1.022^⁰F-1,382^⁰F (550^⁰C-750^⁰C). Typische Spitzentemperaturen für schwelende Holzkohlen liegen im Bereich von 842^⁰F-1,292^⁰F (450^⁰C-700^⁰C), obwohl sehr energiereiche und dichte Brennstoffe wie Kohle Spitzenwerte von etwa 1.832 °C erreichen können.^⁰F (1000^⁰C).^[2]  Es ist wichtig, den Unterschied zwischen aktiv brennenden Holzkohlen zu erkennen, bei denen die Spitzentemperaturen von 1.000^⁰C, über 1.500^⁰C gefunden werden - und schwelende Holzkohlen, bei denen der für unsere Zwecke wünschenswerte Temperaturbereich genau richtig ist. Wenn man bedenkt, dass das obere Ende des Potenzials der schwelenden Holzkohlen wahrscheinlich nicht unsere maximale Setztemperatur für das Nitinol übersteigt, dann wissen wir, dass wir das Nitinol im schlimmsten Fall nicht ausreichend erhitzen können. Daher sollte das Ziel darin bestehen, das Nitinol und die Halterung mit frisch glühenden Kohlen zu umgeben und dem Luftstrom und der Zeit zu erlauben, den Rest zu erledigen (siehe Abb. 4).

Abb. 4 - Schwelendes Holzkohle-"Bad" für das eingespannte NiTi.

 

Root3 Labs ließ das auf den Bildern und im Video gezeigte Teil für die empfohlene Verweildauer von 30-45 Minuten in den glühenden Kohlen sitzen, wobei die Kohlen gelegentlich leicht verschoben wurden, um die Glut aufrechtzuerhalten und die Erwärmung zu variieren. Nach Ablauf der 30-45 Minuten wurde das Teil mit einer Zange aus den Kohlen genommen (bitte denken Sie daran, dass die Vorrichtung heißer ist als ein Sommer in Maryland, mit Betonung auf ER!) und sofort in einem Wasserbad abgeschreckt, um die neue kristalline Struktur auf der Mikroebene - und die gewünschte Form auf der Makroebene - "einzuschließen" (Abb. 5 und Video).

Abb. 5 - Erhitztes NiTi und Halterung vor dem Abschrecken.

 

Um Ihre neuen Kochkünste zu überprüfen, nehmen Sie das abgeschreckte Teil aus dem Wasser, sobald es sich vollständig abgekühlt hat. Biegen Sie es ein wenig. Benutze die bereits erwähnte Zange - oder deine neue bionische Titanhand, die du von SHOCK Trauma erhalten hast, falls du die letzten Sätze übersprungen hast - und führe das Teil erneut in die Nähe der Holzkohle, aber berühre es dieses Mal nicht direkt. Wenn du Erfolg hast, wirst du sehen, wie sich deine Kreation in die hitzebeständige Form zurückverwandelt!

Jetzt ist der richtige Zeitpunkt, um Ihre Arme und Augen zum Himmel zu erheben und ein "MWUAHAHA!" eines verrückten Wissenschaftlers auszustoßen. Kein Urteil. Denken Sie daran, dass diese Umwandlung bei der niedrigeren Aktivierungstemperatur stattfindet, in unserem Fall 176^⁰F (80^⁰C), weshalb man das Teil nur in die Nähe der Holzkohle bringen muss. Noch besser ist, dass dieser Prozess theoretisch unbegrenzt wiederholt werden kann, obwohl in der Praxis eine gewisse Verschlechterung des Materials über viele thermische Zyklen möglich ist.

Einige Vorbehalte zu diesem Verfahren: (1) Es ist wahrscheinlich definitiv nicht ideal für wiederholbare, streng kontrollierte und reproduzierbare Teile. Investieren Sie daher in einen Ofen, der genau für diese Aufgabe entwickelt wurde, und lassen Sie andere Leute den Grill benutzen, um Himmels willen! (2) Berücksichtigen Sie vor allem die Teile- und Vorrichtungsgeometrie. Unser Nitinol-Blech war beispielsweise nur 0,25 mm dick und über das gesamte Profil des Teils gleichmäßig breit (6,35 mm). Darüber hinaus bestand die Vorrichtung, die, nun ja... darüber..., aus sperrigem Stahl, um einen leitfähigen "Verteiler" mit hoher thermischer Masse zwischen dem Teil und den Holzkohlen zu schaffen und die Gleichmäßigkeit der Erwärmung zu unterstützen. (3) Schließlich hatte der Wärmesetzungs-Temperaturbereich unseres Nitinol-Materials 360^⁰F der Vergebung, mit der wir arbeiten können. Je breiter also der Aushärtungsbereich, desto besser für unsere Zwecke.

Viel Spaß beim Kochen und viel Sicherheit!

 

Abschnitt Hintergrund

1. (2020, 15. Oktober). Legierung mit Formgedächtnis. https://en.wikipedia.org/wiki/Shape-memory_alloy

 

2. Rein, Smoldering Combustion, Chapter 19 in: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 5th Edition, S. 581-603, Springer, 2016. http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4939-2565-0_19