Energieeffiziente nachgiebige Strukturen mit funktionellen Feder-Dämpfer-Eigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während der zweiten Projektphase des Forschungsvorhabens konnten weitere elementare Erkenntnisse zum Verständnis und zur Modellierung funktioneller Materialien (Borsiloxan) erarbeitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse und daraus resultierenden Schlussfolgerungen (Kriterien/Grenzen) sind nachfolgend zusammenfassend aufgeführt: Entgegen den bisherigen Erkenntnissen zum Materialverhalten von Borsiloxan wurde festgestellt, dass das Verhalten nicht dilatant und somit nicht von der Belastungsgeschwindigkeit abhängig ist, sondern von der Einwirkdauer der Belastung abhängt. - Der signifikante Einfluss der Temperatur auf das Materialverhalten von Borsiloxan wurde anhand von rheologischen Untersuchungen ermittelt und in ein Beschreibungsmodell implementiert. Das Beschreibungsmodell bildet die Grundlage für die Auslegung/Dimensionierung funktioneller Elemente in zukünftigen Applikationen. - Bei der Beschreibung des Temperatureinflusses im Materialmodell wurde festgestellt, dass der einfache Modellansatz mit einem Maxwell-Element zu qualitativ ausreichenden Ergebnissen führt. Der vierparametrige Ansatz, der innerhalb der ersten Projektphase beschrieben wurde, muss nicht zwingend verwendet werden. Damit kann der Aufwand bei der Ermittlung der Materialparameter erheblich reduziert werden. - Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Untersuchungen zum Materialverhalten außerhalb des LVE-Bereiches durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass es zunehmend zum Problem des Ablösens des funktionellen Materials vom benachbarten Trägermaterial kommt. Das funktionelle Materialverhalten geht damit zumindest temporär verloren. Für die Erschließung neuer Anwendungsfelder müssen funktionelle Elemente entweder für den Betrieb im LVE-Bereich dimensioniert werden oder Maßnahmen zur Verbesserung der Schichthaftung ergriffen werden (nicht Stand der Technik). Generell bietet die Untersuchung des Materialverhaltens außerhalb des LVE-Bereiches ausreichende Anknüpfungspunkte für weitere Forschungsarbeiten. Damit wäre es möglich, die Beschreibung zum Materialverhalten von Borsiloxan zu komplettieren. Mit den zuvor beschriebenen Punkten ist Meilenstein 3 erfüllt. Um Borsiloxan in praktische Anwendungen zu überführen, werden hinsichtlich der von Anwendungsfall zu Anwendungsfall unterschiedlichen Einwirkdauern weichere oder härtere Borsiloxan benötigt. Anhand der im Rahmen des Forschungsprojektes erarbeiteten Synthesevorschrift ist eine gezielte Einstellung des Materialverhaltens möglich. Bei Verwendung langkettiger PDMS ergibt sich ein weicheres Borsiloxan, durch Erhöhung des Borsäuregehalts ergibt sich härteres Borsiloxan. - Der ursprünglich im Projektantrag vorgesehene fünfgliedrige Koppelmechanismus wurde aufgrund unvorhergesehener Widersprüche nicht realisiert. Ersatzweise wurde ein nachgiebiger Greifmechanismus mit Greifkraftbegrenzung umgesetzt. - Darüber hinaus wird für den Einsatz von Borsiloxan aufgrund der Zuordnung zu den viskoelastischen Flüssigkeiten stets eine formstabile Hülle benötigt. Diese sorgt dafür, dass das im Ruhezustand viskose Borsiloxan die vorgesehene Form beibehält bzw. die ursprüngliche Form nach der Belastung wiederhergestellt wird. - Als Vorschlag zur Lösung der beschriebenen Probleme, wie Haftung und Formstabilität, wird empfohlen die Applikation funktioneller Materialien in neuartigen Mehrlagen-Strukturen zu untersuchen. Als mögliche Anwendungsfelder werden dabei energielos einstellbare Schalter, Sensoren oder frequenzabhängige Koppelglieder gesehen. Diese Erkenntnisse dienen der Erfüllung von Meilenstein 4.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Approaches on material analysis and modeling of bouncing putty. 58th Ilmenau Scientific Colloquium, Technische Universität Ilmenau (2014, September)
Hartmann, L.; Reich, R.; Kletzin, U.; Zentner, L.
- Untersuchung eines dilatanten Polymers bei stoßartigen Belastungen. First IFToMM D-A-CH Conference, Technische Universität Dortmund (2015, März)
Hartmann, L.; Reich, R.; Kletzin, U.; Zentner, L.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.17185/duepublico/37254)
