Dissertationen

Magneto-sensitive Elastomere sind magnetische Hybridwerkstoffe, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften aktuell im Fokus der anwendungsorientierten Forschung stehen. Die Kopplung von elastischer und elektromagnetischer Energie innerhalb des Werkstoffes bietet besonderes Potential im Bereich der mechanischen Sensoren. Hier werden für die Erfassung mechanischer Größen (beispielsweise Kraft und Verschiebung) bevorzugt biegeelastische Strukturen (Verformungskörper) eingesetzt. Die Arbeit ist in zwei Bereiche unterteilt. Der erste Teil stellt die Simulation einer zweischichtigen biegeelastischen Struktur mit magneto-sensitiven Elastomer vor. Mit einem analytischen Modell gelingt es, die dynamische Verformung des Balkens vorherzusagen. Dieses basiert auf einem Timoshenko-Balken und berücksichtigt ein äußeres Magnetfeld. Mit asymptotischen Methoden erfolgt eine Näherungslösung für die Durchbiegung des Balkens. Ein Vergleich mit numerischen Lösungen zeigt, dass die verwendete Methode für mehrere Periodendurchläufe eine ausreichende Güte aufweist. Im zweiten Teil der Arbeit wird die modellbasierte Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines neuartigen taktilen Sensors vorgestellt. Dieser zeichnet sich durch einen Schichtaufbau mit einem Spulen-Array und magneto-sensitiven Elastomer aus. Die Messaufgabe des Sensors beinhaltet in erster Linie die Erfassung der Kontaktstelle einer Beanspruchung an der Sensoroberfläche. Zu der Entwicklung des Sensors zählt das Abbilden des magneto-mechanischen Verhaltens des Systems auf Basis von analytischen und numerischen Methoden. Dabei gelingt die theoretische Vorhersage des Sensorsignals, die Identifikation kritischer Systemparameter und die Grobauslegung des Sensors selbst. Im Anschluss erfolgt der Entwurf eines Prototyps, der eine Positionsbestimmung eines eindringenden Körpers in einer Richtung erlaubt. Unter anderem erfolgt die Untersuchung einer variablen Verschaltung mehrerer Spulen und eine mathematische Analyse der Signale. Hiermit gelingt die Positionsbestimmung unabhängig vom Querversatz und der Eindringtiefe. Schließlich bietet die Arbeit einen Funktionsnachweis für den taktilen Sensor, der eine Positions- und Kraftbestimmung erlaubt.

Die taktile Sensorik birgt große Potenziale für die Weiterentwicklung von technischen Geräten und deren Einsatz in unstrukturierten Umgebungen. Häufig sind taktile Sensorkonzepte von der Natur inspiriert, z.B. durch die mystazialen Vibrissen der Ratte. Diese speziellen Tasthaare dienen als multimodale Sensoren, die Ratten u.a. zur Objektformkennung befähigen. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen biomimetischen Ansatz mit dem Ziel der Weiterentwicklung vibrissen-inspirierter Sensoren für die 3D-Objektformerkennung unter Reibungseinflüssen. Das biologische Vorbild Vibrisse besteht im Wesentlichen aus einem hochflexiblen, nicht-sensorischen Haarschaft, welcher in seinen eigenen Follikel-Sinus-Komplex eingebettet ist, der sensorische Komponenten enthält. Diese Struktur wird abstrahiert und auf ein technisches Sensorkonzept übertragen. Zur Realisierung der Objektabtastung wird ein schlanker, einseitig eingespannter, hochflexibler Taster durch lineare Verschiebung der Einspannung entlang des Zielobjekts gestrichen. Die resultierenden Lagerreaktionen dienen als einzige Observablen für die Rekonstruktion von Kontaktpunktfolgen zwischen Taster und Objekt, die schließlich auf die Form des letzteren schließen lassen. Zu diesem Zweck wird das Sensorkonzept mechanisch modelliert und mithilfe von Modellgleichungen beschrieben. Aufbauend auf der Analyse der 2D-Objektabtastung und -Rekonstruktion unter Reibungseinflüssen wird das Modell auf den allgemeinen 3D Fall erweitert. In Simulationen und Experimenten wird die allgemeine Umsetzbarkeit der Objektformerkennung demonstriert. Simulationsbasierte Parameterstudien verdeutlichen zudem den Einfluss der (Coulomb) Reibung auf die Lagerreaktionen und die Rekonstruktionsergebnisse. Während die Lagerreaktionen signifikant von Reibungseffekten beeinflusst werden, ist der Fehler der rekonstruierten Kontaktpunkte reibungsinvariant (unbeeinflusst durch den Reibungskoeffizienten). Diese Erkenntnisse werden im Zusammenhang mit den experimentellen Ergebnissen diskutiert. Darüber hinaus wird für den Fall der 2D-Objektabtastung ein Ansatz zur Rekonstruktion von Reibungsparametern vorgestellt, für den ein erster experimenteller Konzeptnachweis erbracht wird. Schließlich wird das Sensormodell mit Blick auf das biologische Vorbild durch Implementierung einer elastischen Lagerung und einer rotatorischen Abtastkinematik angepasst.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, die Untersuchung der Feuchteaufnahme und -weiterleitung in Furnieren, wie sie während der industriellen Verarbeitung vorkommt. Es steht damit die Aufnahme von freiem Wasser einschließlich der damit einhergehenden quellungsbedingten Form- und Eigenspannungsänderungen bei Furnieren im Fokus der Betrachtungen. Hierzu werden, nach Vorstellung ausgewählter Grundlagen aus Forschung und Technik, Konzeption und Realisierung experimenteller Untersuchungen erläutert. Die am Beispiel von Rotbuchenfurnier (Fagus Sylvatica L.) durchgeführten Untersuchungen unterscheiden dabei zwischen Versuchsreihen zur Wasseraufnahme und der damit verbundenen Verformungsentwicklung. Die Randbedingungen der verschiedenen Messreihen berücksichtigen für Holz typische anatomische Eigenschaften (z. B. Faserausrichtung), relevante Befeuchtungsszenarien aus der industriellen Furnierverarbeitung (einseitige, zweiseitige und allseitige Feuchtezufuhr) sowie Einflüsse aus der Furnierherstellung (Unterscheidung rissbehaftete/rissfreie Furniersichtseite). Darüber hinaus ist die mathematische Beschreibung der Feuchtebewegung in Furnieren Gegenstand der Arbeit. So werden auf Basis der Fick’schen Diffusionsgesetze, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode, feuchteabhängige Kennwertverläufe (Transportkoeffizienten) für longitudinalen und radialen Feuchtetransport in Rotbuchenfurnier abgeleitet. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass der Feuchtetransport in Furnier sehr gut mit Hilfe der entwickelten Modelle beschrieben werden kann. Ferner werden, basierend auf den durchgeführten Untersuchungen, ein für Furnier typisches und von Vollholzerzeugnissen abweichendes Verformungsverhalten herausgestellt sowie allgemeine Aussagen zur Formstabilität von Furnieren abgeleitet.

Die Weiterentwicklung taktiler Sensoren gewinnt an Bedeutung bspw. durch eine verstärkte Anwendung taktiler Sensoren zur Navigation in unbekannten Umgebungen von autonomen mobilen Robotern. Eine Möglichkeit taktile Sensoren weiter zu entwickeln ist, sich - wie auch schon andere Entwicklungen zeigen - der Natur zu bedienen, Vorbilder zu identifizieren, diese fundamental zu analysieren und als wesentlich befundene Eigenschaften und Funktionstüchtigkeiten zu adaptieren. Ratten besitzen auffällige Tasthaare an beiden Seiten der Schnauze, sogenannte Vibrissen. Diese sind gekennzeichnet durch einen langen, schlanken und natürlich vorgekrümmten Haarschaft mit konischem Querschnittsverlauf. Der Haarschaft wird von einem Haarfollikel gehalten, der sich unter der Haut befindet und in dem überdies Mechanorezeptoren zur Reizdetektion zu finden sind. Während der Erkundung von unbekannten Umgebungen und Objekten setzen Ratten ihre Vibrissen ein, um bspw. die Form oder Textur eines Objektes zu bestimmen, indem die Vibrisse daran entlang bewegt wird. Die Informationsaufnahme wird im Haarfollikel durch die Mechanorezeptoren realisiert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum übergeordneten Ziel, die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten dieses komplexen und hochentwickelten Sensorsystems der Natur für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Eigenschaften einer Vibrisse sind synergetisch und beeinflussen ihre Funktionen in bedeutendem Maß. Deshalb wird das natürliche Vorbild detailliert analysiert und mit den Konzepten des biomechatronischen Systems und des Reizleitungsapparats beschrieben und auf dieser Basis ein Vibrissen-ähnlicher Sensor entworfen, um die inhärenten Eigenschaften eines solchen Sensorsystems zu untersuchen. Um die Funktionstüchtigkeit des entworfenen Protoyps, aufgebaut auf Basis der detaillierten Vorabanalyse, zu untersuchen, werden verschiedene Testobjekte, einschließlich verschiedener Oberflächenbeschaffenheiten, mit dem Sensor vermessen. Anhand der aufgezeichneten Messsignale zeigt sich, dass ein Objekt durch seine generelle Form sowie seine makroskopische und mikroskopische Oberflächenstruktur beschrieben werden kann. Die genannten Informationen überlagern sich in den gemessenen Signalen und müssen für eine weiterführende Auswertung extrahiert werden. Der Abstand zwischen Sensorlagerung und Objekt hat entscheidenden Einfluss. Makroskopische Oberflächenelemente lassen sich im Abstand von 80% der Länge des Sensorschafts besonders gut detektieren. Ein mittlerer Abstand, ca. 60% der Länge des Sensorschafts, unterstützt die Erfassung der Eigenschaften einer mikroskopischen Textur. Hingegen ist ein kleiner Abstand von 45% der Sensorschaftlänge besonders geeignet zur Detektion der generellen Form des Objekts. Diese Effekte sind in enger Verbindung zur Elastizität des Sensorschafts zu interpretieren. Beispielsweise verhindert die starke Krümmung des Sensorschafts in Folge eines kleinen Objektabstandes eine Detektion von makroskopischen Oberflächenelementen wie Rillen und Stufen, da sich der Sensorschaft in dieser Konfiguration wie ein adaptiver morphologischer Filter auswirkt und damit eine inhärente Eigenschaft des Sensorsystems ist. Der Übergang zwischen der makroskopischen und mikroskopischen Oberflächenstruktur wird durch den Durchmesser der Spitze des Sensorschafts bestimmt. Oberflächenstrukturelemente, die kleiner als dieser Durchmesser sind, gehören zur mikroskopischen Oberflächenstruktur. Daraus folgt, dass auch der Durchmesser der Spitze eine inhärente Eigenschaft ist. Eine weitere inhärente Eigenschaft wird bei der Detektion einer mikroskopischen Oberflächenstruktur erkennbar. Wenn der, sich im Kontakt befindende, stark verformte, Sensorschaft so bewegt wird, dass die konkave Seite des Sensorschafts in Bewegungsrichtung zeigt, werden die erfassten Signale verstärkt - im Vergleich zur entgegengesetzten Bewegungsrichtung. Unter Berücksichtigung der genannten und weiterer Ideen, wird der durch eine natürliche Vibirsse inspirierte Sensor in der vorliegenden Arbeit untersucht.

Zum Greifen verschiedener Greifobjekte finden fluidmechanische nachgiebige Aktuatoren (FNA) auf Silikonbasis als Greifer zunehmend Verbreitung. Aufgrund der stoffschlüssigen Bauweise ermöglichen diese die Integration verschiedener Funktionen auf Strukturebene. Vor allem zur Senkung des Hygienerisikos sind FNA für Greifaufgaben in Reinräumen und der Verpackungsindustrie in Form geschlossener Sauggreifer besonders geeignet. Die Untersuchung derartiger Sauggreifer ist Gegenstand dieser Arbeit. Im Rahmen der Arbeit wird ausgehend von verschiedenen Anwendungen eine allgemeine Klassifikation für FNA vorgestellt und entwickelte FNA anhand dieser eingeordnet. Die Entwicklung von FNA wird am Beispiel des geschlossenen Sauggreifers detailliert beschrieben. Eine der Besonderheiten des geschlossenen Sauggreifers ist, dass er im Gegensatz zu offenen Sauggreifern greifobjektseitig eine Membran aufweist. Die Membran ermöglicht neben der Trennung des Mediums im Innenraum des Sauggreifers vom Umgebungsmedium, auch das aktive, zeitlich sowie örtlich gezielte Ablegen von Greifobjekten. Eine weitere Besonderheit des gewählten Beispiels ist dessen nichtlineare Federkennlinie. Diese führt zu einem Bewegungsverhalten mit Durchschlag und ermöglicht die Adaption an verschiedene Objektlagen und -formen. Durch Modellbetrachtungen und experimentelle Untersuchungen von ausgewählten Geometrie und Materialparametern werden Beeinflussungsmöglichkeiten der Durchschlaggrößen aufgezeigt. Die Formulierung einer allgemeinen Vorgehensweise für das Erreichen festgelegter FNA-Kennwerte bilden dabei einen wesentlichen Beitrag dieser Arbeit. Darüber hinaus werden prinzipielle Lösungen für die Implementierung einer stoffkohärenten sowie nachgiebigen Sensorik für FNA auf Silikonbasis vorgestellt. Die Umsetzung der Sensorik wird am Beispiel des Sauggreifers beschrieben. Die Möglichkeit zur Ableitung qualitativer Aussagen zu Greifzustand, Greifobjektleitfähigkeit sowie zu den Greifprozessphasen wird diskutiert. Die für die Herstellung und Erprobung des multifunktionalen Sauggreifers notwendigen neuartigen Werkzeuge, Vorrichtungen und Prozesse werden im Rahmen der Arbeit jeweils beschrieben. Durch die Gesamtschau der untersuchten FNA-Eigenschaften, nichtlinearen Kennlinie, Adaptivität sowie Sensorisierung liefert die Arbeit einen Beitrag zu multifunktionalen FNA sowie auch zum Vorgehen bei deren Entwicklung.