Materialforschung 13.04.2012, 11:58 Uhr

Adaptive Werkstoffe für die Automatisierungs­technik

Blitzschnell verändern adaptive Materialien ihre Eigenschaften, wenn elektrische oder magnetische Felder angelegt werden. Nutzen lassen sich diese Effekte, um intelligente Kupplungen, Greifwerkzeuge, Dichtungen und Sensoren zu entwickeln. Auf der Hannover Messe vom 23. bis 27. April zeigt dazu das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) intelligente Lösungen.

Die adaptive Strukturtechnologie gilt als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Sie verbindet mechatronische Systeme mit aktiven Werkstoffsystemen, die sich je nach Einsatzbedingungen gezielt verändern und regeln lassen. Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) bilden z. B. in einer dickflüssigen Öl- oder Polyglykol-Suspension beim Einschalten eines Magnetfeldes lange Ketten aus mikrometerkleinen Dipolen von kugelförmigen Eisenpartikeln. So entsteht aus der Flüssigkeit ein Semifestkörper, der abhängig von der Stärke des Magnetfeldes seine Konsistenz reproduzierbar verändert. Auf diese Weise lassen sich Schubspannungen des Tausendfachen des Normalzustandes erreichen.

Eingebaut in Stoß- und Flüssigkeitsdämpfer mindern die magnetorheologischen Flüssigkeiten Lärm und Schwingungen in Kraftfahrzeugen. Für den Maschinen- und Anlagenbau eignen sich adaptive Kupplungen. Dazu wird die MFR zwischen Antriebs- und Abtriebswelle gefüllt und ein Magnetfeld angelegt. Dabei erstarrt die Flüssigkeit und koppelt die beiden Wellen miteinander. Abgekoppelt wird durch Abschalten des Magnetfeldes. Je nach Stärke des Magnetfeldes lassen sich laut Forschern des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung (ISC), Würzburg, Drehmomente zwischen 2 Nm und 50 Nm bei Drehzahlen bis zu 1000 min-1 übertragen. Mit mehreren parallelen Scherspalten im MRF-Zwischenraum seien bis 500 Nm zu erreichen.

MRF-Flüssigkeiten realisieren adaptive Greifer und Spannungsvorrichtungen

In großflächige Kissen gefüllt lassen sich mit MRF-Flüssigkeit zudem adaptive Greifer und Spannvorrichtungen realisieren. Die Kissen umschließen hierbei die zu greifenden Objekte. Bei angelegtem Magnetfeld versteift die MRF-Flüssigkeit und bildet die Konturen der Werkstücke nach. Geschieht dies beidseitig, lassen sich damit ohne Werkzeugwechsel rohe Eier, Gläser und zu bearbeitende Werkstücke transportieren.

Das Verfahren ist damit besonders geeignet für Kleinserien- und Prototypenfertigung. Erste Anwendungen hat das Fraunhofer-ISC gemeinsam mit Projektpartnern schon beim Spannen von langen Flugzeugteilen aus Titan realisiert.

Neben Flüssigkeiten gibt es auch magnetisch steuerbare Elastomere (MRE). Hier dehnt sich eine Folie unter dem Einfluss eines Magnetfeldes aus. Diese kann als intelligentes Dichtungsmaterial verwendet werden – oder in einem neuen Ventil: Wenn sich die Folie kontinuierlich im Magnetfeld ausdehnt, verändert sich der Ringspalt, was komplexere und feinfühligere Bewegungen als bei konventionellen Ventilen erlaubt.

Ein weiteres Forschungsfeld der Würzburger sind dielektrische Elastomeraktoren (DEA). Sie bestehen aus sehr dünnen, hoch flexiblen und hoch dehnbaren Elastomerfolien, auf deren Ober- und Unterseiten Elektroden aufgebracht wurden. Wird zwischen beiden Elektroden eine Spannung angelegt, so ziehen sich die Elektroden elektrostatisch an die Folie wird dünner und breiter.

Physikalisch gesehen wirkt hier der elektrostatische Maxwell-Druck, also das proportionale Verhältnis zwischen dem Quadrat der elektrischen Feldstärke und der mechanischen Spannung. Man kann auf diese Weise relativ starke Bewegungen und bis zu etwa 100 Hz schnelle Bewegungen erzeugen.

Polymeraktoren können Aktortechnologien ersetzen

Aufgrund ihres geringen Gewichtes, der hohen Flexibilität und der großen Auslenkung in der Größenordnung von 10 % der ursprünglichen Länge können die Polymeraktoren laut den ISC-Forschern in den kommenden Jahren konventionelle Aktortechnologien ersetzen.

Beschränkt auf kleine Amplituden sind noch deutlich höhere Frequenzen erreichbar. Dies konnte anhand eines Lautsprechers aus DEA-Material bereits demonstriert werden. Gefaltet dehnt sich ein solcher Aktor axial des Stapels aus. „Die einzelnen Folien können nur geringe Kräfte übertragen. Wir arbeiten deshalb an Stacks, also Mehr- oder Vielschichtaktoren, damit wir auch größere Kräfte erreichen oder in einer Dimension größere Dehnungen“, sagte Holger Böse vom Fraunhofer-ISC gegenüber den VDI nachrichten. Ziel sei es, einen Linearantrieb zu konstruieren, der mit hoher Energiedichte sehr schnell arbeitet und im Gegensatz zu elektromagnetischen Aktoren ohne die seltenen Erden auskomme.

Umgekehrt lassen sich mit dem gleichen Materialansatz hoch flexible kapazitive Sensoren erzeugen, mit denen sich Kräfte, Drücke oder Verformungen messen lassen. Drückt man eine DEA-Folie zusammen, verändert sich die Fläche und damit die Kapazität zwischen den Elektroden. So gesehen, erhält man einen einfachen Verformungssensor, der Dehnzustände messen kann.

Adaptive Anwendungen bieten großes Potential für Wind- oder Wasserkraft

Zusammengeschaltet als Sensorarray messen DEA-Folien ortsaufgelöst Drücke. Eingestellt wird die Empfindlichkeit über die Materialzusammensetzung. Durch die Kombination verschiedener Materialien lässt sich auch eine Energieversorgung aufbauen, die Energie aus den Schwingungen von Maschinen, Anlagen oder anderen Bauteilen bezieht und Strom erzeugt. „Wir sehen in diesen Anwendungen ein großes Potenzial für Generatoren, die Wind- oder Wasserkraft nutzen“, erklärte Böse.

Von R. Hensel

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