Energieeffiziente nachgiebige Strukturen mit funktionellen Feder-Dämpfer-Eigenschaften

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulf Kletzin; Professorin Dr.-Ing. Lena Zentner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 203302371

In technischen Systemen sind stoßartige Belastungen und Schwingungen oft unerwünscht, da sie einerseits zu erhöhten dynamischen Beanspruchungen und andererseits zu abweichenden Übertragungseigenschaften führen können. Zur Kompensation werden in der Medizintechnik, im Maschinen- und Anlagenbau sowie im Automobilbau Federn und Dämpfer bzw. Feder-Dämpfer-Schaltungen mit linearen und nichtlinearen Charakteristiken eingesetzt. Damit kann bei Prothesen, Geräten, Maschinen und Anlagen, Handlingsystemen und Fahrzeugen zusätzlich zur Kompensation eine bestimmte Weg- und Geschwindigkeitsabhängigkeit der Übertragung erreicht werden. Aktuell werden zur gezielten Einstellung der Weg- und Geschwindigkeitsabhängigkeit immer komplexere Feder-Dämpfer-Systeme mit Aktoren, Sensoren und Regelung entwickelt. Aus Gründen der Energieeffizienz und Ressourcenknappheit werden im Rahmen dieser Forschung Grundlagen zu passiven, nachgiebigen Systemen mit funktionellen Materialien, die eine zu komplexen aktiven Systemen vergleichbare weg- und geschwindigkeitsabhängige Charakteristik erreichen, erarbeitet. 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 Federn und nachgiebige, mit funktionellen Materialien gefüllte Strukturen kombiniert werden. Im Gegensatz zu intelligenten Werkstoffen werden unter dem Begriff funktionelle Materialien Funktionswerkstoffe mit veränderlichen Eigenschaften zusammengefasst, wobei die Änderung der Eigenschaften (Funktionserfüllung) passiv erfolgt, d. h. keine zusätzliche Hilfsenergie benötigt wird.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 zu aktiven Systemen rein mechanisch und somit energieeffizient an unterschiedliche Bedingungen an. Dazu 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 können parasitäre (Wärmeentstehung durch Reibung) oder periphere Energiequellen (Änderung der Umgebungstemperatur) genutzt werden. Nachdem in einer ersten Projektphase das geschwindigkeitsabhängige Verhalten der verwendeten funktionellen Materialien modelliert und experimentell untersucht wurde, stehen jetzt die temperaturabhängigen Eigenschaften im Vordergrund. Zum Nachweis der funktionellen Feder-Dämpfer-Eigenschaften der energieeffizienten, nachgiebigen Strukturen werden Demonstratoren aufgebaut und getestet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen