08.11.2011

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Stapelaktor mit elektroaktiven Elastomeren dämpft Schwingungen

In stark schwingenden technischen Systemen müssen große Bewegungen ausgeglichen und gedämpft werden. Klassischerweise geschieht dies mit Elastomerbauteilen. Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben sich gefragt, was wäre, wenn diese elastischen Komponenten intelligent wären und sich aktiv verformen könnten? Wenn sie Massen heben und zum Schwingen anregen könnten? Dann könnten sie viel effektiver störende Schwingungen bekämpfen, indem sie Gegenschwingungen erzeugen. Sie könnten auch aus den Schwingungen, die sie dämpfen, elektrische Energie gewinnen.

Die Darmstädter Forscher haben nun einen neuartigen Stapelaktor entwickelt, der die speziellen Eigenschaften der elektroaktiven Elastomere nutzt und völlig neue Anwendungsszenarien erschließt.

Das Ziel der Forscher: Mit Funktionswerkstoffen aktive Lösungen realisieren, um die Dämpfungscharakteristik zu verbessern und gleichzeitig den notwendigen Bauraum zu reduzieren. Besonders empfehlen sich hierfür elektroaktive Elastomere (EAE). Sie sind in den letzten Jahren ins Interesse von industriellen Anwendern gerückt. Bislang gibt es allerdings wenig kommerzielle Anbieter von fertigen EAE-Komponenten und die meisten Untersuchungen wurden mit manuell gefertigten Labormustern gemacht. Daher gilt es, standardisierte, zu-verlässige und für den industriellen Einsatz geeignete Systeme zu entwickeln.

Die Forscher des Fraunhofer LBF nutzen die speziellen Eigenschaften der elektroaktiven Elastomere, um einen neuartigen Stapelaktor zu designen. Ein Demonstrator zeigt das Potential dieses Ansatzes. Zurzeit wird am Aufbau eines größeren Systems gearbeitet.

Große Dehnung – geringe Kräfte
Wie Piezokeramiken gehören elektroaktive Elastomere zu den „smart materials“, die sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes mechanisch verformen. Im Vergleich zu Piezowandlern zeichnen sich EAE-Wandler durch vergleichsweise große Dehnungen bei deutlich geringeren Kräften aus. Je nach eingesetztem Elastomermaterial ergeben sich unterschiedliche Kenngrößen. Die weit verbreiteten dielektrischen Silikone sind bezüglich Kraftaufbau und Dehnungsvermögen mit natürlichen Muskeln vergleichbar und werden daher oft als „artificial muscles“ bezeichnet.

In der Lösung des Fraunhofer LBF werden dünne, metallische Elektroden, die fein perforiert sind, zum Anlegen der elektrischen Spannung eingesetzt. Dadurch kann das Elastomer bei anliegendem elektrischem Feld lokal in diese Mulden entweichen, eine makroskopische Kompressibilität des Aufbaus ist gewährleistet. Durch die gute elektrische Leitfähigkeit der Elektroden können resistive Verluste weitgehend minimiert und der Aktor bei höheren Frequenzen betrieben werden.

Da die Elektroden dehnstarr sind, ist eine mechanische An-bindung an die umgebende Struktur ohne Leistungsverlust möglich. Über die Lochgeometrie und die Lage der Elektroden zueinander kann die Aktorperformance gezielt eingestellt und optimiert werden. Mit Hilfe von numerischen Modellen und diversen Optimierungsverfahren soll so eine für den jeweiligen Einsatz optimale Geometrie berechnet und gefertigt werden.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Ein solcher Wandler lässt sich prinzipiell nicht nur als Aktor nutzen, sondern auch als adaptive Steifigkeit, als Sensor- und Generatorelement. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung kommt es aufgrund der größer werdenden Kontaktflächen zu einer Steifigkeitszunahme, die beispielweise zur Verstellung eines adaptiven Tilgers einsetzbar ist, aber auch zu einer deutlichen Zunahme der Kapazität, die sensorisch und auch generatorisch genutzt werden kann. Damit sind insbesondere Anwendungen im Bereich Energy-Harvesting mit kleinen Amplituden denkbar, wo mechanische Umgebungsenergie aus Vibrationen in elektrische Energie gewandelt wird. Aber auch große Bewegungen, wie sie beispielsweise von Meereswellen hervorgerufen werden, wollen die Forscher zur Energiegewinnung nutzen.

Der Demonstrator des Fraunhofer LBF hat 50 aktive Schichten mit je 140 Mikrometer Schichtdicke und einer Grundfläche von 60 x 60 Millimetern. Mit einer Ansteuerungsspannung von 1,5 Kilovolt sind quasistatische Dehnungen von mehreren Prozent möglich. Durch eine Reduktion der Schichtdicke ist eine zusätzliche Steigerung der Performance zu erwarten.

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