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Miniatur-Aktoren aus Formgedächtnislegierungen

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Mikrofluidische KomponentenFolienbasierte Miniatur-Aktoren aus Formgedächtnislegierungen

Die Ausgründung memetis am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt folienbasierte Miniatur-Aktoren aus Formgedächtnislegierungen (FGL).

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Durch Folien aus Formgedächtnislegierung (FGL) lassen sich auch komplexe Aktorgeometrien auf kleinstem Bauraum umsetzen. (Foto: © memetis)

Die Forschung zu folienbasierten Miniatur-Aktoren aus Formgedächtnislegierungen und deren Einsatz in der Mikrofluidik (insbesondere FGL-Miniaturventile) hat am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine lange Tradition. Diese Arbeit wird nun durch das Spin-Off memetis erweitert, welches FGL-Technologie für ein breites Spektrum an Anwendungen verfügbar machen möchte.

Aufgrund der bisherigen Forschungsaktivitäten an Formgedächtnislegierungen verfügt memetis über umfangreiches Know-how in der Auslegung, Strukturierung, Verarbeitung und Charakterisierung von FGL-Folien mit kritischen Abmessungen bis in den Mikrometerbereich. Für Anwendungen der Mikrofluidik wurden bereits funktionsfähige Demonstratoren mono- und bistabiler FGL-Miniaturventile erarbeitet.

Das Gründungsteam von memetis besteht aus vier Gründungsmitgliedern. Die wissenschaftlichen und technischen Aspekte werden durch Dr. Marcel Gültig, Dr. Christof Megnin und Hinnerk Oßmer abgedeckt, welche im Rahmen ihrer Forschungstätigkeiten am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT umfassende Erfahrung in der Mikrostrukturtechnik und Arbeit mit FGL sammeln konnten. Christoph Wessendorf blickt auf eine langjährige Tätigkeit in der Strategieberatung zurück und zeichnet für den kaufmännischen Bereich der Ausgründung verantwortlich.

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Formgedächtniseffekt ermöglicht Miniatur-Aktorik

Die Besonderheit der Miniatur-Aktoren des Karlsruher Spin-Offs memetis liegt in der Verwendung von FGL-Folien als Aktor. „Formgedächtnislegierungen sind metallische Legierungen, welche sich im kalten Zustand sehr leicht verformen lassen und unter Einfluss von Wärme selbstständig in ihre Gedächtnisform zurückwandeln – dies wird als Formgedächtniseffekt bezeichnet“, erklärt Hinnerk Oßmer, welcher sich seit Jahren intensiv mit Formgedächtnislegierungen auseinandersetzt.

Auf Basis des Formgedächtniseffekts lassen sich thermisch aktivierbare Aktoren mit unübertroffener Kraftdichte realisieren. Formgedächtnislegierungen sind in Form von Drähten, Blechen, Folien und Rohren kommerziell erhältlich und werden aufgrund ihrer Biokompatibilität auch im Rahmen der direkten Implantation in den Körper (z.B. in Form von Stents oder orthopädischen Implantaten) verwendet. Drahtbasierte Aktoren aus FGL konnten ihre Marktreife bereits beweisen und werden schon in Großserien produziert und in der Automobilindustrie erfolgreich verbaut.

memetis verbindet nun jedoch erstmals die Vorteile der FGL-Aktuierung mit der enormen Flexibilität der Fertigung sowie Aufbau- und Verbindungstechnik auf Basis von Folien. Hierdurch lassen sich neue und innovative Miniatur-Aktoren entwickeln. „Die Verwendung von Folien erlaubt das Umsetzen komplexer Aktorgeometrien sowie mehrerer Freiheitsgrade der Aktuierung auf kleinstem Raum und in einem einzigen Bauteil“, verdeutlicht Dr. Marcel Gültig die Vorteile von FGL-Folienaktoren. Die entwickelten Aktor-Layouts lassen sich mit einem begrenzten Aufwand anpassen, was durch die Kombination von Computer Aided Design-(CAD-)Software mit schnellen Fertigungsverfahren wie Laserschneiden zu kurzen Produktentwicklungszyklen führt. FGL-Folien zeigen ausgezeichnetes Miniaturisierungspotential, da bei kleiner werdenden Bauteilen die Arbeitsdichten konstant bleiben und die Schaltzeiten kürzer werden. Kräfte und Stellwege der Aktoren können unabhängig von der Foliendicke durch Geometrieanpassung eingestellt werden.

Komplexe, folienbasierte FGL-Aktoren sind bislang im Wesentlichen Gegenstand akademischer Forschung und werden höchstens im Labormaßstab gefertigt. Dies soll sich nun ändern. „memetis hat es sich zur Aufgabe gemacht, solche Aktoren für kommerzielle technische Anwendungen zu entwickeln, an Kundenspezifikationen anzupassen und die für eine Serienproduktion benötigten Herstellungsverfahren und automatisierte Fertigung bereitzustellen. Dies stellt die Kernkompetenz von memetis dar und ermöglicht eine deutliche Differenzierung“, führt Christoph Wessendorf den Kern des Vorhabens aus.

Auf dieser Basis sind Aktoren für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern in verschiedenen Branchen denkbar. Von Automotive über den Prüfgerätebau und der Luft- und Raumfahrt bis hin zu Medizintechnik und Bioanalytik sind die spezifischen Vorteile von FGL-Miniatur-Aktoren hochgeschätzt. Allen gemeinsam ist jedoch, dass eine leistungsstarke, aber miniaturisierte Lösung im Fokus steht, welche sich auf spezifische Anforderungen einstellen können muss.

Entwicklung von Vorserienmodellen steht bevor

Ein besonderes Augenmerk von memetis liegt derzeit auf der Mikrofluidik im Bereich der Medizintechnik und Bioanalytik. Das Produktportfolio umfasst Mikrofluidik-Lösungen, wie z.B. Miniaturventile in verschiedensten Ausführungsgen, welche den Ansprüchen an höchste Sorgfalt und Genauigkeit in einer Vielzahl von Applikationen gerecht werden.

Prototypen für normal geöffnete (NO), normal geschlossene (NC) sowie bistabile FGL-Miniaturventile hat Dr. Christof Megnin bereits im Rahmen seiner Dissertation erfolgreich aufgebaut und auf Schaltzeit, Druckbereich, Durchfluss sowie Baugröße ausgelegt. Laut Dr. Megnin hat memetis „die bisherigen Ergebnisse in den vergangenen Monaten erheblich weiterentwickelt und damit die Grundlage für Vorserienmodelle der neuesten Generation geschaffen, welche sich in einem weiten Parameterbereich an Kundenspezifikationen anpassen lassen werden.“ Neben Ventilen wurden weitere FGL-basierte Demonstratoren für weitere Mikrofluidik-Anwendungen aufgebaut bzw. befinden sich derzeit in der Entwicklung (z.B. im Bereich Mikropumpen und weitere Liquid Handling-Anwendungen).

Um den Anforderungen an höchste Präzision sowie die Adressierung anwendungsspezifischer Herausforderungen gerecht zu werden, arbeitet memetis mit starken Partnern im Bereich der Mikrofluidik in der Laborautomatisierung und Medizintechnik zusammen. Dieser enge Austausch ermöglicht die Entwicklung eines leistungsstarken und breit einsetzbaren Produktportfolios.

Großes Potenzial in der Mikrofluidik

Aufgrund der hohen Relevanz und der breiten Anwendungsmöglichkeiten fokussiert sich die Entwicklungsarbeit von memetis besonders auf die Bereiche Diagnostik und Bioanalytik. Durch schnellen Fortschritt und ständig neue Entwicklungen im hochinnovativen Umfeld der Life-Sciences können eine Vielzahl neuer Anwendungen erschlossen beziehungsweise ermöglicht werden. Als Beispiele sind das Mischen personalisierter Medikamente, die automatisierte Sequenzierung von Gen-Proben, die Schnelldiagnose von Krankheiten und chemisch-biologische Analysen in transportablen Feldgeräten zu nennen. Viele dieser Anwendungen benötigen eine kompakte Aktuierung, z.B. bei Dosiervorgängen, beim Pumpen und Steuern von Fluiden (i.e. Mikropumpen/-ventile). Die von memetis entwickelten Prototypen zeigen die Potenziale der FGL-Technologie in diesem Bereich auf und geben einen Ausblick auf künftige Produktentwicklungen.

Perspektivisch finden die FGL-Miniatur-Aktoren von memetis jedoch auch in weiteren Bereichen neben der Mikrofluidik Anwendung. Gerade in der Luft- und Raumfahrt sowie aber auch hochmoderner Consumer-Elektronik versprechen die spezifischen Vorteile von folienbasierten FGL-Miniatur-Aktoren ein großes Potenzial, welches es durch kontinuierliche Weiterentwicklung und innovative Fertigungsmethoden zu heben gilt. Dies hat memetis erkannt und beabsichtigt sich mittelfristig aktiv in diesen Märkten zu positionieren.

Autor: Christoph Wessendorf

Kontakt:

Christoph Wessendorf
Memetis
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
E-Mail: christoph.wessendorf@memetis.com

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