Bionische Fischflosse mit dielektrischen Elastomer-Aktoren integriert in flexiblem Faserverbundwerkstoff.
Foto: ITM/TU Dresden
Bionische Fischflosse mit dielektrischen Elastomer-Aktoren integriert in flexiblem Faserverbundwerkstoff.

Verbundwerkstoffe

Aktoren im Faser-Elastomer-Verbund

Dresdner Forscher entwickeln Faser-Elastomer-Verbunde, bei denen interaktive Aktoren direkt integriert sind. Sie sprechen von einer neuen Materialklasse.

Forscher der TU Dresdner wollen „eine völlig neue Materialklasse“ entwickeln, bei der Aktoren und Sensoren direkt in flexible Faser-Elastomer-Verbundwerkstoffe integriert werden. Bislang müssen Aktoren und Sensoren nachträglich platziert werden, was zu Einschränkungen bei vielen Anwendungen führt.

Faserverbundwerkstoffe werden autark

Um dies zu ändern, bewilligte die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die zweite Phase eines Graduiertenkollegs „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“ an der TU Dresden in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung. In elf interdisziplinären Teilprojekten werden in neben der Material- und Projektförderung insgesamt 22 Doktoranden unterstützt.

Im Ergebnis soll eine simulationsgestützte Entwicklung von intelligenten Materialkombinationen für autarke Faserverbundwerkstoffe zur Verfügung stehen. Aktoren und Sensoren werden bereits in die Strukturen integriert und nicht mehr, wie bisher, nachträglich platziert.

Ionische und spiralförmige Aktor-Sensor-Konzepte

In der ersten Förderphase wurden bereits wichtige Grundlagen für Materialien in weichen, bionische Strukturen erarbeitet, die sich großflächig zweidimensionale verformen können. Darauf aufbauend werden in der zweiten Förderphase ionische und spiralförmige Aktor-Sensor-Konzepte im Mittelpunkt stehen. Kombiniert mit intelligenten Konstruktions- und Steuerungsalgorithmen werden autarke, dreidimensional verformbare Materialsysteme entstehen. Dadurch werden diese Systeme robuster und komplexe Verformungsmuster können an der gewünschten Stelle individuell angepasst werden – reversibel und berührungslos.

Zu den technologischen Ansätzen in der zweiten Projektphase erklärt Koordinator Johannes Mersch folgendes: „Ionische Aktoren sind elektroaktive Materialien. Beim Anlegen einer Spannung wandern Ionen im Material hin und her, sodass es zu einer Volumenänderung kommt. Unser Ziel ist es, diese Strukturen als Garn herzustellen. Zusätzlich ist eine Sensorschicht vorgesehen, mit der die Aktoren sich selbst überwachen und regeln.“

Das gleiche Ziel habe auch die geplante Spiralform für Sensoren und Aktoren. Diese Helix-Struktur basiere jedoch auf anderen Prinzipien. „Das Aktorprinzip ist das eines dielektrischen Elastomer-Aktors, also zwei leitfähige Elektroden und ein Dielektrikum dazwischen. Bei Anlegen einer Hochspannung verformen sie sich deutlich. Jedoch können durch den helikalen Aufbau auch unkonventionelle Materialien verwendet werden, die eigentlich zu wenig dehnbar sind.“

Faser-Elastomer-Verbunde in beweglichen Bauteilen

Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit sowie der Möglichkeit, diese Eigenschaften maßzuschneidern, zunehmend auch in beweglichen Bauteilen eingesetzt. Durch die Integration von adaptiven Funktionen in solche Materialien entfällt die nachträgliche Platzierung von Aktoren. Die Robustheit des Systems wird so deutlich verbessert. Aktoren und Sensoren auf textiler Basis sind in dieser Hinsicht besonders vielversprechend, da sie während des Herstellungsprozesses direkt in die Faserverbundwerkstoffe integriert werden können.

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Forscher vom DFG-Graduiertenkolleg 2430 experimentieren sich mit sich verformenden Faser-Elastomer-Verbunden.
Foto: ITM/TU Dresden
Forscher vom DFG-Graduiertenkolleg 2430 experimentieren sich mit sich verformenden Faser-Elastomer-Verbunden.

Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde sind prädestiniert für zahlreiche Anwendungsfelder im Maschinen- und Fahrzeugbau, in der Robotik, in der Architektur, in der Orthetik und der Prothetik. Beispiele sind Systeme für präzise Greif- und Transportvorgänge, zum Beispiel in Handprothesen, oder adaptive Bauteile wie Trimmklappen für Land- und Wasserfahrzeuge. mg