Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochfrequent stellbare, textilbasierte Aktorstrukturen für komplexe FKV-Kinematiken mit hohen Verformungsgraden

Das Ziel des geplanten Forschungsvorhabens besteht in der KMU-gerechten Bereitstellung von neuem Basiswissen, aktuellen Fertigungstechnologien und Auslegungsrichtlinien zur Entwicklung, anforderungsgerechten Umsetzung und Erprobung von textilbasierten hochfrequenten Aktoren. Diese sind textil- und kunststofftechnologisch herzustellen sowie textiltechnologisch in textile Verstärkungshalbzeuge für geometrisch komplexe FKV-Anwendungen mit schnellem adaptiven Einstellungspotenzial zu integrieren. Die adressierte hochfrequente Adaptivität umfasst dabei sowohl die Fähigkeit zur Formveränderung als auch zur gezielten Einstellung der Bauteilsteifigkeit, z. B. für Anwendungen in neuartigen Feder-Dämpfersystemen von Fahrzeugen oder dynamischen Manipulationskomponenten in der Automatisierungs- und Fertigungstechnik. Die adaptiven Eigenschaften sollen dabei durch den gezielten Einsatz neuartiger, anforderungsgerechter Aktoren mit textilem Charakter auf Basis dielektrischer Elastomere (DEA) erreicht werden. Übergeordnetes Ziel ist die signifikante Reduktion der Ansprechzeiten von textilen Aktoren als Grundlage für hochfrequente komplexe Bewegungen. Hierfür werden neben der funktionsspezifischen Aktorauslegung und -entwicklung auch systematische Anpassungen des Verbundaufbaues etwa durch simulationsgestützt ausgelegte textile Verstärkungssysteme mit Gradienteneigenschaften untersucht. Die textilbasierten DEA sollen während der Flächenbildung mittels des hochflexiblen in KMU-verfügbaren Strickverfahrens als integrale Strukturelemente in die textile Verstärkungsstruktur eingearbeitet werden. Die Ergebnisse sind in angepasster Form dann auch für das Weben oder Wirken nutzbar. Zugehörige Konzepte zur Übertragung auf diese ebenfalls in KMU etablierten Flächenbildungsverfahren sind zu erarbeiten. Nach Konsolidierung derartiger Verstärkungshalbzeuge zu FKV sollen mit Hilfe der integrierten DEA anwenderseitig definierbare frei programmierbare Bewegungsabläufe durchführbar sein.

Ergebniszusammenfassung:

Projektziel war die Realisierung formveränderlicher elastomerbasierter faserverstärkter Funktionswerkstoffe (FKV) über die Integration hochfrequenter Aktoren aus dielektrischen Elastomeren (DEA). Hierfür erfolgte in unmittelbarer Kopplung mit einer gezielten Materialentwicklung für hochdehnbare Elektroden- und dielektrische Funktionsschichten die Modellentwicklung und Simulation funktionsgerechter DEA-Strukturen. Zur Steigerung der aktorischen Wirkung und zur Realisierung einer anforderungsgerechten Leitfähigkeit der Elektrodenschichten wurden den elastomeren Materialien Füllpartikel zugegeben und jeweils funktionale Optima identifiziert. Anschließend wurden für diese Materialien zunächst neue Technologierouten für faserartige und für planare DEA entwickelt. Beide Konfigurationen wurden umgesetzt, evaluiert und der jeweilige Funktionsnachweis erbracht. Darauf basierende adaptive elastomere FKV wurden gezielt ausgelegt, umgesetzt und erprobt. Anhand von zwei Funktionsdemonstratoren wurde das erarbeitete technisch/technologische Know-how zusammengeführt und anwendungsnah aufbereitet.

Somit ist die Voraussetzung geschaffen, bisher eingesetzte konventionelle Mechanismen bzw. Kinematiken inklusive der Antriebselemente zu substituieren, indem die spezifischen Vorteile der hier entwickelten technischen Lösungen, wie Senkung der Systemmassen, Erhöhung der Stelldynamiken und starke Vereinfachung der mechanischen Konstruktionen, gezielt ausgenutzt werden. Insbesondere für die Bereiche Robotertechnik (z. B. Greifmechanismen), Medizintechnik (z. B. heilungsfördernde Stimulationselemente), Architektur (z. B. aktive Vibrationssysteme zur Eisentfernung) und Energietechnik (z. B. adaptive Flaps für Windkraft-Rotorblätter) entstehen so Lösungen, mit denen die Funktionalität aktiver Verformungs- bzw. Bewegungsmechanismen in FKV-Systeme dort implementierbar wird, wo dies bisher aufgrund der Bauteilgrößen bzw. -masse nicht bzw. nur eingeschränkt möglich ist.