Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung magneto-sensitiver, adaptiver Funktionsbauteile auf der Basis elastomerer Faserverbundwerkstoffe

Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Schaffung von Basiswissen für die Entwicklung von hochbeanspruchten faserverstärkten Elastomersystemen mit Smart-Material-Eigenschaften insbesondere für KMU. Hierbei sollen zwei Ansätze weiterentwickelt werden: zum einen faserverstärkte Elastomere mit magnetisierbaren Füllstoffen, die durch Zuschalten eines äußeren Magnetfelds ihre Steifigkeit verändern und sich dadurch als adaptive Dämpfer eignen. Zum zweiten faserverstärkte Elastomere mit integrierten Formgedächtnislegierungsdrähten (FGL), die bei Erwärmung der FGL durch Stromfluss ihre äußere Geometrie ändern. Die Realisierung von hochbeanspruchten faserverstärkten Elastomeren mit hohem Schalteffekt erfolgt durch interdisziplinäre Forschungsarbeiten in den Bereichen Textil-, Elastomer- und Grenzflächen- und Beschichtungstechnik.

Beide Ansätze – schaltbare Steifigkeit und adaptive Geometrie – ermöglichen die Integration neuer Funktionen zur Erhöhung der Sicherheit und zur Verbesserung der Betriebseigenschaften dynamischer Systeme. Sie bieten daher KMU die Möglichkeit zur Entwicklung innovativer Produkte für eine Vielzahl von Märkten: adaptive Dämpfer ermöglichen in allen Fällen, wo Schwingungen mit schnell wechselnder Frequenz (Anfahr- und Bremsvorgänge von Fahrzeugen und Maschinen, Erdbebensicherung von Gebäuden) gedämpft werden müssen, eine schnellere und effizientere Dämpfung gegenüber herkömmlichen, in ihren Dämpfungseigenschaften festgelegten Dämpfern. Formvariable Strukturen besitzen gegenüber herkömmlichen, auf externen Motoren und Kinematiken beruhenden Bauweisen die Vorteile des geringen Platzbedarfs und Gewichts und der Reduktion der notwendigen Teilezahl. Einsatzgebiete sind neben schaltbaren Abdeckungen und Verschlüssen vor allem verformbare textile Membranen (z.B. in der Architektur), Bauteile zur Strömungslenkung sowie Greiferanwendungen in der Robotertechnik.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung von Elastomer-Dämpfungselementen mit magnetisch schaltbarer Steifigkeitsveränderung. Als zweites Projektziel sollen im Rahmen des geplanten Vorhabens Elastomerbauteile mit textiler Faserverstärkung und elektrisch schaltbarer Formänderbarkeit entwickelt werden. Zur Erreichung der Projektziele werden unterschiedliche magnetische Füllstoffe (z. B. Eisenpartikel) in die ausgewählten Elastomere integriert. Wird ein äußeres Magnetfeld zugeschalten, so erhöht sich die Steifigkeit des Dämpfungselements, da zwischen den Magnetpartikeln eine zusätzliche Kraftwirkung entsteht. Durch eine definiert eingestellte Magnetfeldstärke kann damit die Resonanzfrequenz des Dämpfungselements aktiv verschoben werden, so dass auf Schwingungen mit veränderlicher Frequenz aktiv reagiert werden kann (z. B. bei Erdbeben, Anfahrvorgängen von Maschinen, im Automobilbereich). Zur Erzielung der elektrisch schaltbaren Formänderbarkeit werden Formgedächtnislegierungen eingesetzt, die in die textilen Verstärkungshalbzeuge integriert werden. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Formgedächtnis-Drähte erfolgt eine sehr schnelle Erwärmung und Formänderung, die zu einer Auslenkung des Bauteils führt. Ziel ist dabei die Erreichung großer Kräfte und großer Verformungen, wofür auch eine Kombination beider Ansätze durchgeführt werden soll. Potentielle Anwendungsfelder sind Greif- und Anpresselemente, Strömungssteuerung und temporärer Verschluss von Öffnungen. Die Elastomerbauteile mit veränderbarer Geometrie besitzen gegenüber herkömmlicher Aktorik den Vorteil eines geringen Verschleißes, geringer Größe und geringen Platzbedarfs und einer Reduktion der Anzahl mechanischer Komponenten in der Montage.