Designtool für Werkstoffe mit Erinnerung

Es mutet an wie ein Zaubertrick: Ein Mann nimmt eine Büroklammer und verbiegt sie so, dass sie nur noch einem krummen Draht ähnelt. Dann wirft er sie in eine Schale mit heißem Wasser. Im Bruchteil einer Sekunde nimmt der Metalldraht wieder die Form einer Büroklammer an.

Dieses Phänomen nennt sich Formgedächtniseffekt. Man kann ihn in bestimmten metallischen Legierungen beobachten. Diese Formgedächtnislegierungen sind für viele Anwendungen ideal. Beispielsweise in der Weltraumtechnik: Sonnensegel können sich dank Formgedächtnismetallen im Weltall entfalten. Auch in der Medizin setzt man auf ihre Eigenschaften, etwa in der Kardiologie: Stents sind kleine röhrchenförmige Gittergerüste aus Metall. Sie werden zusammengefaltet in Blutgefäße eingeführt, dehnen sich hier aus und verhindern, dass die Gefäße verstopfen.

Der Weg zum ausgereiften Produkt ist jedoch lang. Die Eigenschaften dieser Formgedächtnis-Werkstoffe sind komplex und daher nur schwer vorherzusagen. Ingenieure müssen viele Prototypen herstellen, bevor sie ein Bauteil mit den gewünschten Eigenschaften zum Einsatz bringen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM haben einen schnelleren Weg gefunden: »Wir haben eine numerische Simulation entwickelt, die viele Fragen bereits im Vorfeld beantwortet – lange bevor ein Prototyp existiert«, erklärt Dr. Dirk Helm, Projektleiter am IWM.

Mit dieser Simulation haben die Wissenschaftler unter anderem einen winzigen Greifer für die Endoskopie entwickelt. Normalerweise kann solch ein Mikrogreifer nur mit Hilfe von Gelenken realisiert werden. Wie kann man ein Bauteil herstellen, das solche kleinen Abmessungen hat, elastisch und gut sterilisierbar ist und ohne Gelenke auskommt? Die Antwort liefert der Computer: Über numerische Simulationsmodelle konnten die Forscher die wichtigsten Eigenschaften des Bauteils, wie dessen Festigkeit oder Schließkraft, vorausberechnen und das elastische Bauteil effizient entwickeln und herstellen. »Normalerweise hätte man dafür viele Versuche mit unterschiedlichen Prototypen durchführen müssen«, erklärt Dr. Helm. »Dank der Simulation können wir auf die meisten dieser Prototypen verzichten. Das spart Kosten, denn die Rohstoffe für Formgedächtnislegierungen sind sehr teuer und lassen sich teilweise nur schwer verarbeiten.« Mit der Simulation können die Forscher zudem abschätzen, wie langlebig diese modernen Werkstoffe sind.