Energieeffiziente nachgiebige Strukturen mit funktionellen Feder-Dämpfer-Eigenschaften

Technischer Hintergrund der Entwicklung

Schwingungen und Stoßbelastungen führen einerseits zu dynamischen Spannungsüberhöhungen, die Festigkeitsprobleme von Geräten, Maschinen und Anlagen verursachen können. Andererseits sind in bestimmten technischen Systemen, wie z. B. medizinischen Hilfsmitteln (Prothesen) oder Handlingsystemen weg- oder geschwindigkeitsabhängig definierte Übertragungseigenschaften (Feder-Dämpfer Charakteristiken) an Bauteilen oder Koppelstellen gefordert. Zur Kompensation und Funktionsanpassung (z. B. Kennlinie) werden aktuell immer komplexere automatisierte Feder-Dämpfer-Systeme entwickelt. In vielen Fällen kann die gewünschte Charakteristik jedoch ganz oder teilweise durch die gezielte Auslegung nachgiebiger Strukturen erreicht werden.

Für die Entwicklung der Aktuatoren wurde ein modellbasiertes Syntheseverfahren entwickelt, welches die Finite Elemente Methode und die analytische Methode verbindet. Durchgeführte Skalierungsbetrachtungen zeigten, dass geometrisch ähnliche hohlzylinderförmige Stäbe mit eingebettetem Faden und bei identischem Material und Innendruck eine geometrisch ähnliche Form erzielen. Diese Erkenntnis ermöglichte die theoretischen und experimentellen Untersuchungen im vergrößerten Maßstab durchzuführen.

Es konnte an zwei Arten von Aktuatoren (im Ausgangszustand gerade und vorgekrümmte Aktuatoren), nachgewiesen werden, dass die angestrebten Verformungen der Aktuatoren erreicht werden können. Hierdurch konnte das entwickelte Syntheseverfahren verifiziert werden. Weiterhin zeigten experimentelle Insertionsversuche am skalierten Cochleamodell, dass die bei der Insertion auf die Cochlea wirkenden Insertionskräfte verringert werden können.

Zielstellung

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von nachgiebigen Strukturen mit funktionellen Feder-Dämpfer-Eigenschaften, die keine zusätzliche Energiezufuhr benötigen, um sich wechselnden Einsatz- und Umgebungsbedingungen anzupassen. Dazu sollen klassische Federmaterialien, wie z. B. Metalle und Kunststoffe, mit intelligenten Materialien kombiniert (z. B. gefüllt oder umhüllt) werden. Es sollen neuartige, energieeffiziente Bauteile entstehen, um die Komplexität, den benötigten Bauraum, das Gewicht und den hohen Energiebedarf herkömmlicher Systeme zu verringern. Die zu entwickelnden Strukturen passen sich bei vergleichbarem Leistungsprofil rein mechanisch und somit energieeffizient an unterschiedliche Bedingungen an. Es sollen Grundlagen erarbeitet werden, wie ein anpassungsfähiges Strukturverhalten durch die Verwendung von funktionellen Werkstoffen mit belastungsabhängigen Eigenschaften (z. B. Parameter Weg, Geschwindigkeit oder Temperatur) und eine zielgerichtete geometrische Gestaltung erreicht werden kann. Zur Realisierung der temperaturabhängigen Eigenschaften sollen ausschließlich parasitäre (Wärmeentstehung durch Reibung) oder periphere Energiequellen (Änderung der Umgebungstemperatur) genutzt werden. Zum Nachweis der funktionellen Eigenschaften werden Demonstratoren aufgebaut und getestet.

Abbildung: Nachgiebige Strukturen mit geschwindigkeitsabhängigem FüllmaterialTU Ilmenau
Abbildung: Nachgiebige Strukturen mit geschwindigkeitsabhängigem Füllmaterial: (a) – Schraubendruckrohrfeder aus Metall, hergestellt im Fachgebiet Maschinenelemente, gefüllt mit Silikonkautschuk „RTV-2 Hüpfender Kitt“; (b) – Elastomerstruktur gefüllt mit Silikonkautschuk „RTV-2 Hüpfender Kitt“ sowie (c) – Elastomerstruktur gefüllt mit Silikonkautschuk „Elastosil R plus 4105“; jeweils nach Belastung mit niedriger (l.) und hoher (r.) Geschwindigkeit

Projektpartner

TU Ilmenau - FG Maschinenelemente

Projektlaufzeit

03/2015 - 12/2017

Förderung