Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von formgedächtnisbasierten elastisch-adaptiven und dämpfenden Elementen zum Einsatz in Sport- und Rehabilitationsgeräten

Sport- und Rehabilitationsgeräte zum Training der menschlichen Muskulatur werden nach heutigem Stand der Technik mit konstanten Gewichten realisiert. Der menschliche Muskel arbeitet also gegen eine voreingestellte Last. Diese konstante Last ist während des Ziehens nicht adaptierbar an die aktuelle Muskelkraft oder an die aktuelle Benutzerkondition. Zudem machen die Gewichte durch Ihre Masse eine von der Reha-branche gewünschte Mobilität unmöglich. Der Sportgerätemarkt wächst weltweit rasend (2014 bei 91 Mrd. $/Jahr), ebenso wie der deutsche Rehabilitationsmarkt (8,7 Mrd. €/Jahr 2012).

Um neue mobile, aber vor allem adaptiv an die variierende menschliche Muskelkraft einstellbaren, Trainingsgeräte zu entwickeln werden in dem Projekt Formgedächtnislegierungen (FGL) eingesetzt. Diese Smart Materials werden in zwei funktionalen Ausprägungen im Projekt auf die Anwendungen in Sport- und Rehageräte appliziert: zu einem wird das adaptive pseudoelastische Verhalten dieser Materialien erforscht um elektrisch justierbare elastische Kraftverläufe mit Federdehnungen von bis zu 600% zu erzeugen. Zum anderen wird das Aktorpotential von FGL zur Schaltung von Kraftniveaus verwendet. Beide Materialklassen werden auch hinsichtlich der sensorischen Eigenschaften für die Analyse des Nutzerverhaltens angepasst, so dass eine telemedizinische Applikation der aufgebauten Demonstratoren entstehen wird. Mit einem PA bestehend aus Herstellern von Sport- und Rehageräten, Physiotherapieunternehmen, Softwareanbietern und Maschinenbauunternehmen werden die erzeugten Ergebnisse in Einsatzszenarien getestet und auf adaptive Dämpfungssysteme übertragen. Die Ergebnisse fließen in die VDI2248 und in eine Buchpublikation ein. Die stark KMU-geprägten Gerätehersteller und -anbieter profitieren von einer innovativen Weiterentwicklung der Geräte im Sport- wie im Physiobereich und sichern sich einen technischen Vorteil gegenüber preisgetriebenen Wettbewerb aus Asien.

Ergebniszusammenfassung:

-Es wurden Anwendungsfälle diskutiert, die aus Sicht der Unternehmen das vielversprechendste Potential im Hinblick auf die Funktionserfüllung durch die Implementierung von FG-Elementen sowie in Bezug auf eine spätere Serienentwicklung aufweisen. Hierbei wurde besonders die adaptive Kraftanpassung der FG-Elemente in den Fokus gerückt. Als Anwendungsfall wurde die Substitution eines Kraftzuggerätes festgelegt. Hierfür wurden ein Kraftbereich bis ca. 100 N bei Raumtemperatur und ein Bewegungsbereich bis ca. 1000 mm empfohlen.

-An anforderungsgerecht ausgewählten FG-Drahthalbzeugen wurden Zugversuche entsprechend der VDI 2248-3 durchgeführt, durch die eine große Abhängigkeit der Spannungs-Dehnungs-Charakteristik von den Einflussfaktoren Wärmebehandlung, Vorzyklierung, Prüfgeschwindigkeit und Umgebungstemperatur deutlich gemacht werden konnte.

-Unter Einbezug der Erkenntnisse aus den Zugversuchen mit den Drahthalbzeugen wurden FG-Federelemente hergestellt und experimentell an die empfohlenen Anwendungsparameter des Funktionsmusters angepasst.

-Das FG-Federelement als Lasteinheit stellt das zentrale Element des zunächst konstruktiv geplanten und anschließend erstellten Funktionsmusters "Kraftzuggerät" dar.

-In Anwendertests am Funktionsmuster wurden Nutzungsmöglichkeiten in Bezug auf Flexibilität und Handhabbarkeit aufgezeigt sowie die Zyklenstabilität der Kraftkurve nachgewiesen.

-Gemeinsam mit Unternehmen des PA wurde ein optimiertes Funktionsmuster in Bezug auf die Kabelführung, die Abschirmung der FG-Komponente sowie die Baugröße konstruktiv erstellt.

-Es entstand eine internationale Publikation.

- Mit Hilfe der Ergebnisse aus dem Projekt bietet sich für Hersteller von Geräten aus dem Sport- und Gesundheitsbereich eine gute Grundlage zu weiteren Entwicklungsschritten auf dem Weg zu Serienprodukten. Als Folge daraus bieten sich für Anwender neue und innovative Möglichkeiten der Trainingsgestaltung.