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News - Forschung und Entwicklung vom 08/11/2015

Fraunhofer LBF

Aktives Elastomerlager reduziert Schwingungen

Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben Elastomere dazu gebracht, sich aktiv zu verformen. Das prädestiniert sie für den Aufbau von Aktoren.

Bild: Fraunhofer LBF
Schnittdarstellung der aktiven Isolationseinheit mit 100 DE-Schichten (Bild: Fraunhofer LBF)

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben Elastomere dazu gebracht, sich aktiv zu verformen. Dazu nutzt das Institut dielektrische Elastomere (DE). Das sind weiche Materialien, die sich unter hohen elektrischen Spannungen verformen. Das prädestiniere sie, so die Forscher, für den Aufbau von Aktoren, denn gegenüber Piezoaktoren hätten sie den Vorteil, vergleichsweise große Dehnungen bei geringeren Kräften zu erreichen. Diese Fähigkeit haben die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF genutzt und ein Konzept für DE-Aktoren entwickelt, das mit metallischen, gelochten Elektroden arbeitet. Aufgrund der gelochten Struktur kann das Elastomer bei anliegendem elektrischem Feld lokal in diese Mulden entweichen.

Die Wissenschaftler entkoppeln eine auf dem Aktor gelagerte Masse von den Schwingungen des Untergrunds. Bei passiven Lagern wäre es unvermeidbar, dass sich die Amplitude der Schwingungen in der Resonanz spürbar überhöht. Nicht so bei der neuartigen aktiven Lagerung: Sie mindere die Schwingung im gesamten relevanten Frequenzbereich. Die sonst nachteilige charakteristische Aktornichtlinearität, also die zur angelegten Spannung nicht exakt proportionale Auslenkung, konnten die LBF-Forscher durch neue regelungstechnische Ansätze umgehen. Mit Hilfe von nicht-ganzzahligen Potenzfunktionen könne das nichtlineare Verhalten kompensiert und ungewünschte Effekte vermieden werden.

Das am Fraunhofer LBF entwickelte Design eigne sich für die Lagerung schwingungsanfälliger Geräte und Prozesse wie beispielsweise empfindlicher Mikroskope oder präziser Fertigungsverfahren. Auch der umgekehrte Fall sei denkbar: Maschinen wie beispielsweise Pumpen oder Motoren ließen sich durch die aktiven Lagerungen schwingungstechnisch entkoppeln, sodass der Schwingungseintrag in die Umgebung minimiert wird. Sollte die Elektronik einmal ausfallen, blieben die günstigen passiven Eigenschaften des Elastomers für die Lagerung weiterhin erhalten, was einen deutlichen Vorteil im Vergleich zu anderen Aktortechnologien darstelle.

Das Konzept eigne sich für den Aufbau von dynamischen, lasttragenden Aktoren und soll in Zukunft den Umfang der Funktionen konventioneller Elastomerelemente erweitern. Darauf aufbauend hat das Fraunhofer LBF einen Funktionsdemonstrator zur aktiven Lagerung entwickelt.

Bislang sei es eine typische Aufgabe von passiven Elastomerbauteilen, in großen Stückzahlen und in zahlreichen Anwendungen Schwingungen zu reduzieren. Durch die aktiven LBF-Komponenten steige das Potential zur Schwingungsminderung: Neben den aktorischen Ansätzen ließen sich darüber hinaus sensorische Funktionen integrieren. Damit könne zum Beispiel die im Betrieb über das Lager laufende Kraft und die vom Lager aufgenommene Bewegung überwacht werden.

Damit eine seriennahe Produktionstechnik umgesetzt werden kann, sucht das LBF Partner, mit denen gemeinsam die Technologie weiterentwickelt werden kann und kostengünstige Aktoren für vielfältige Anwendungsbereiche gefertigt werden können. (sc)

www.lbf.fraunhofer.de

Bild: Fraunhofer LBF
Lupe
Vergleich der Isolationswirkung ohne und mit aktiver Regelung: Durch die aktive Regelung kann der Isolationsbereich erweitert und die Amplitudenüberhöhung reduziert werden (unterhalb von 0dB setzt Isolation ein). (Bild: Fraunhofer LBF)