Smart Materials mit vielfältigen Anwendungen in der Adaptronik
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Informationsveranstaltung Detmold „Adaptronik“ 30. September 2010 von InnoZent und IHK Smart Materials mit vielfä vielfältigen Anwendungen in der Adaptronik Holger Böse* Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC Würzburg IHK-Workshop 2010 1 * [email protected] Tel.: 0931-4100-203 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Fraunhofer ISC – Innovative Materialien für industrielle Anwendungen • Glas und Keramik • Organisch-anorganische Hybridpolymere • Smart Materials (Smarte Fluide, Smarte Elastomere Piezoelektrika) IHK-Workshop 2010 2 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Smart Materials mit vielfältigen Anwendungen in der Adaptronik Inhalt: • Einleitung: Was sind Smart Materials? • Smarte Fluide - Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) - Elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF) - Anwendungen: Dämpfer, Kupplungen, Haptik • Smarte Elastomere - Magnetorheologische Elastomere - Dielektrische Elastomere (DE) - Anwendungen: Aktorik, Sensorik • Piezo Piezo--Komposite - Anwendungen: Sensorik, Zustandsüberwachung • Zusammenfassung und Ausblick IHK-Workshop 2010 3 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Elektromechanische Kopplung von Smart Materials Elektrische Phä Phänomene Aktor Dämpfer US-Sender Smart Materials Adaptive Materialien Intelligente Materialien Sensor Generator US-Empfänger Mechanische Phä Phänomene IHK-Workshop 2010 4 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Smart Materials am Fraunhofer ISC Magnetorheologische Flüssigkeiten Elektrorheologische Flüssigkeiten Piezoelektrische Komposite Dielektrische Elastomeraktoren Magnetorheologische Elastomere Carbon-NanotubeElektrolyt-Komposite IHK-Workshop 2010 5 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Was können Smart Materials ? Funktionen von Smart Materials: Bewegen Positionieren Bremsen Blockieren Dämpfen Übertragen Bilder Dichten Dosieren Schall wandeln Detektieren Energie wandeln IHK-Workshop 2010 6 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Anwendungsbranchen von Smart Materials ● Automobilbau und Zulieferer ● Luft- und Raumfahrt ● Sonstige Verkehrstechnik (Eisenbahn, Schiff, Zweiräder) ● Maschinen- und Anlagenbau ● Produktionstechnik ● Medizintechnik ● Mikrosystemtechnik ● Haushaltsgeräte ● Sportartikel ● Energietechnik (Kraftwerke) ● Bauindustrie (Gebäude, Brücken) IHK-Workshop 2010 7 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Magnetorheologischer Effekt Magnetorheologische Flüssigkeit (MRF): • Suspension von magnetisch polarisierbaren Partikeln in einer Trägerflüssigkeit • Kettenbildung im Magnetfeld durch Wechselwirkungen zwischen Dipolen • Reversible Versteifung in einigen Millisekunden Magnetische Dipole Oberfläche von MRF im Magnetfeld IHK-Workshop 2010 8 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Magnetorheologischer Effekt Reversible Versteifung einer magnetorheologischen Flüssigkeit im Magnetfeld ohne Feld mit Feld IHK-Workshop 2010 9 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Rheologische Eigenschaften von magnetorheologischen Flüssigkeiten Ohne Magnetfeld Mit Magnetfeld AL 458, AL 282, AL 461, 35 Vol.-% SQ, 25°C AL 458, AL 282, AL 461, 35 Vol.-% SQ, 1 s-1, 25°C 200 70 Mineralöl Siliconöl Ester 160 140 Mineralöl 60 Schubspannung [kPa] Schubspannung [Pa] 180 120 100 80 60 40 Siliconöl Ester 50 40 30 20 10 20 0 0 0 200 400 600 Scherrate [1/s] 800 1000 0 200 400 600 800 Magnetische Flußdichte [mT] IHK-Workshop 2010 10 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Betriebsmodi zur technischen Nutzung von MRF Schermodus ⇒ Kupplungen, Bremsen, Haptik Kraft Druck Kraft Fließ Fließmodus ⇒ Stoß Stoßdämpfer, Aufpralldä Aufpralldämpfer Quetschmodus ⇒ Schwingungsdä Schwingungsdämpfer IHK-Workshop 2010 11 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Adaptiver Dämpfer mit MRF (Schermodus oder Quetschmodus) Excenterantrieb mit Federpaket Kolbenstange Magnetkreis mit MRF IHK-Workshop 2010 12 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten MRF-Stoßdämpfer mit integriertem Fail-Safe-Verhalten • Magnetkreis mit Elektro- und Permanentmagnet • Durch Permanentmagnet Einstellung von Grunddämpfung ohne Spulenstrom Fail(Fail Fail-SafeSafe-Verhalten) Verhalten • Durch Elektromagnet Verstä Verstärkung oder Abschwä Abschwächung der Grunddämpfung IHK-Workshop 2010 13 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten MRF-Stoßdämpfer mit integriertem Fail-Safe-Verhalten MRFMRF-Dämpfer mit Kombination aus Elektromagnet und Permanentmagnet 4000 • Grunddämpfung durch Permanentmagnet (Spulenstrom: 0 A) Dämpfungskraft [N] 3000 -3 A -2 A -1 A 0A +1 A +2 A +3 A 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 • Dämpfungssteuerung mit Elektromagnet • Weiche Dämpfung mit Spulenstrom -3 A • Harte Dämpfung mit Spulenstrom +3 A -4000 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 Auslenkung [mm] 6 8 10 Frequenz 1 Hz IHK-Workshop 2010 14 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Motorlager mit MRF Entwicklung in BMBF-Projekt ALAS Quelle: Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik Entschärfung des Zielkonflikts zwischen Schwingungsminderung und Lärmreduzierung IHK-Workshop 2010 15 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten MRF-Kupplung 50 45 „Glockendesign“ (axiale Scherebene) Drehmoment [Nm] 40 35 30 25 20 100 U/min 15 500 U/min 10 1000 U/min 1500 U/min 5 0 0 1 2 3 Strom [A] → Anwendung z. B. zur bedarfsgerechten Steuerung von Nebenaggregaten Nebenaggregaten im Fahrzeug IHK-Workshop 2010 16 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Haptischer Drehknopf mit magnetorheologischer Flüssigkeit Haptischer MRFMRF-Drehknopf: • Beispiel für haptisches Bedienelement • Bremsdrehmoment über Magnetfeld steuerbar BMW iDrive mit Elektromotor • Flexible Programmierung durch Software möglich Messgerät mit Winkel- und Drehmomentsensor Demonstrator für haptischen Drehknopf IHK-Workshop 2010 17 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Flü Flüssigkeiten Fahrwerksdämpfungssystem mit MRF 2002½ Corvette 50th Anniversary Edition 2002 Cadillac Seville STS Erste Automobil-Stoßdämpfer auf MRF-Basis in Fahrzeugen von General Motors Bereits mehr als 100 000 Fahrzeuge auf der Straße Kürzlich Erweiterung auf Audi TT, Audi R8, Ferrari 599, nun Audi A3 Quelle: Lord Corporation IHK-Workshop 2010 18 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Elektrorheologische Flü Flüssigkeiten Elektrorheologischer Effekt mit Feld ohne Feld Reversible Versteifung einer elektrorheologischen Flüssigkeit im elektrischen Feld IHK-Workshop 2010 19 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Elektrorheologische Flü Flüssigkeiten Anwendung von ERF in Fitness- und Rehabilitationsgeräten Vorteile mit ERF: • hohe Variabilität der Widerstandskraft • ergonomisch anpassbarer Kraftverlauf • individuelle Trainingsprogramme IHK-Workshop 2010 20 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Elektrorheologische Flü Flüssigkeiten Haptisches Display mit elektrorheologischer Flüssigkeit Elektrisch steuerbare Widerstandskraft ERF-Joystick Anwendungsmöglichkeiten: • „Intelligente“ Bedienelemente • Virtuelle Realität (VR) • Simulatoren IHK-Workshop 2010 21 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Elastomere Magnetorheologischer Effekt bei Elastomeren Magnetorheologisches Elastomer (MRE): Kompositmaterial von magnetisch polarisierbaren Partikeln in weicher Elastomermatrix Mit Feld Verhärtung im Magnetfeld durch Wechselwirkungen zwischen magnetischen Dipolen Formgedächtnis: Reversible Verformung des MRE im Magnetfeld Ohne Feld Überlagerung von magnetischen und elastischen Kräften IHK-Workshop 2010 22 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Elastomere Magnetorheologische Elastomere: Anwendungen Kraft Mögliche Anwendungen von MRE: Schermodus MRE • Schwingungsdämpfer (Scherung, Quetschung) • Steuerbare Lager Kraft • Dichtungen, Ventile • Haptische Elemente • Flexible Greifer Quetschmodus IHK-Workshop 2010 23 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Elastomere Silicon-MRE: Vernetzung im Magnetfeld Einfluss von Magnetfeld auf Speichermodul G‘ und Verlustmodul G‘‘ Vernetzung ohne/mit Magnetfeld, 10 Hz, Amplitude 1 %, 25 °C Silicon mittel, 10 Hz, gamma=0.01, 25 °C Silicon mittel, 10 Hz, gamma=0.01, 25 °C 300 1.000 800 700 0 % Fe, ohne MF 600 20 % Fe, ohne MF 500 0 % Fe, mit MF 20 % Fe, mit MF 400 300 200 Verlustmodul G'' [kPa] Speichermodul G' [kPa] 900 250 200 0 % Fe, ohne MF 20 % Fe, ohne MF 150 0 % Fe, mit MF 20 % Fe, mit MF 100 50 100 0 0 0 200 400 600 Magnetische Flussdichte [mT] 800 0 200 400 600 800 Magnetische Flussdichte [mT] IHK-Workshop 2010 24 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Magnetorheologische Elastomere MRE-Ventil Weiches magnetorheologisches Elastomer (MRE) dehnt sich in inhomogenem Magnetfeld reversibel aus. Dies bildet die Grundlage für neuartige Ventile. Air flow MAP ring Closable gap Yoke Solenoid Magnetic flux lines IHK-Workshop 2010 25 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomeraktoren (DEA): Prinzip Dünne Elastomerfolie (ca. 100 µm Dicke) mit flexiblen Elektroden beschichtet Wirkprinzip: Elektrostatischer (Maxwell) Druck: Kompression der Foliendicke durch elektrisches Feld p = ε ε0 E2 = ε ε0 (V/t)2 Ausdehnung der Folienfläche (bis ca. 100 %) ε = relative Permittivität ε0 = Vakuum-Permittivität E = elektrische Feldstärke V = elektrische Spannung t = Foliendicke Ansteuerfrequenz bis etwa 100 Hz Hoher Wirkungsgrad (ca. 80 %) IHK-Workshop 2010 26 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomeraktoren (DEA): Anwendungen Mögliche Anwendungen von DEA: • Haptische Geräte • Künstliche Muskeln • Prothesen • Linearmotoren • Roboter • Drucksensoren • Energiewandler Quelle: co-me.ch Mobile Energiewandlung in Schuhen Quelle: Scientific American, 2003 Quelle: mecha.skku.ac.kr IHK-Workshop 2010 27 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomeraktoren (DEA): Eigenschaften Lineare Dehnung (Ausdehnung des Elektrodendurchmessers) im elektrischen Feld Acrylelastomer 25 Lineare Dehnung [%] 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 Feldstärke [kV/mm] IHK-Workshop 2010 28 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomeraktoren (DEA): Linearaktoren Demonstrator für Hubaktor mit Acryl-/Siliconelastomerfolie Demonstrator für Doppelmembranaktor mit Acrylelastomerfolie IHK-Workshop 2010 29 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomeraktoren (DEA): Federrollenaktor Mechanische Vorspannung durch DruckSpiralfeder Elektrodierte Aktorfolie gewickelt Längenausdehnung durch Anlegen von elektrischer Spannung IHK-Workshop 2010 30 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomeraktoren (DEA): Biegeaktor Flexible Elektrode Flexible Elektrode Elastomerfolie Elastomerfolie Stahlsubstrat als andere Elektrode Stahlsubstrat als Gegenelektrode + - DEA-Folie dehnt sich im elektrischen Feld gegenüber Stahlsubstrat aus. ⇒ Biegebewegung IHK-Workshop 2010 31 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomeraktoren (DEA): Lautsprecher DEA-Folie steht unter Überdruck oder Unterdruck, dehnt sich im elektrischen Feld aus. ⇒ Schallerzeugung bei elektrischer Ansteuerung Außenwölbung Innenwölbung Grundaufbau IHK-Workshop 2010 32 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomersensoren (DES): Prinzip Messprinzip: Dehnbare Elastomerfolie mit flexiblen Elektroden Durch Verformung der Folie ändert sich die elektrische Kapazität C1 C2 IHK-Workshop 2010 33 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomersensoren (DES): Drucksensor 760 1. Dehnung 2. Dehnung 3. Dehnung 4. Dehnung 5. Dehnung Berechnung Kapazität in pF 740 720 700 680 660 640 620 0 2000 4000 6000 8000 Überdruck in Pa IHK-Workshop 2010 34 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Dielektrische Elastomere Dielektrische Elastomersensoren (DES): Sensorarray Sensorarray mit strukturierten Elektroden Vorteile: Großflächige Sensorik Ortsaufgelöste Sensorfläche Hohe Flexibilität und Dehnbarkeit Integrierbarkeit der Sensoren in flexible oder bewegliche Strukturen Empfindlichkeit über Materialzusammensetzung und Foliendicke einstellbar Mehrschichtaufbau steigert Empfindlichkeit und Ortsauflösung Potentiell kostengünstige Herstellung durch strukturierte Elektroden IHK-Workshop 2010 35 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Piezoelektrische Materialien Piezoeffekt Kraft Kraft Direkter Piezoeffekt P Ladungserzeugung Ladung Erzeugte Ladung: ~ d33 Inverser Piezoeffekt (indirekter Piezoeffekt) Materialausdehnung Ladung P Erzeugte Ladung: ~ d31 d 3 3 + - + - d 3 1 IHK-Workshop 2010 36 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Piezoelektrische Materialien Herstellung von piezoelektrischen Faserkompositen am ISC Kontaktierung und Fixierung der Piezofasern (Einbettung in Epoxidharze zur Anpassung an die Bauteilform Piezoelektrische Faserkomposite sind: • flexibel und fehlertolerant • einfach und stö störungsarm in MatrixMatrixstrukturen zu integrieren IHK-Workshop 2010 37 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Piezoelektrische Materialien Anwendungsbeispiele für Piezo-Faserkomposite Dehnungsmessung in Bauteilen durch Strukturüberwachung durch Piezofaser- Integration des Sensors in Bauteil Wandler integriert in GFK Bildquelle: EADS Germany, Dr. W. Martin IHK-Workshop 2010 38 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Piezoelektrische Materialien Anwendungen piezoelektrischer Dünnschichten Vorteile: Vorteile: • großflächig kostengünstig herstellbar • flexibel, frei formbar (bei Stahlsubstratfolien mit Dicken von 25 – 50 µm) • mechanisch sehr robust (hohe Zyklierfestigkeit über 108 bei 0.2 % Dehnung) • leicht zu montieren bzw. in Bauteile integrierbar • Schwingungs- bzw. Belastungssensorik, Schalter • Array Ultraschallwandler • Parametrischer Lautsprecher IHK-Workshop 2010 39 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen Zusammenfassung Smart Materials erlauben die Beeinflussung mechanischer Vorgä Vorgänge durch elektrische Signale. Smarte Fluide ermöglichen unterschiedliche Anwendungen wie adaptive Schwingungsdä Schwingungsdämpfung, Kupplungen und Bremsen oder haptische Bedienelemente. Bedienelemente Smarte Elastomere und Piezokomposite erschließen neuartige Aktoren und Sensoren mit hoher Integrationsgrad. Für eine effiziente Nutzung muss das steuerbare Material optimal auf die Anwendung abgestimmt werden. Eine größ größere ößere Zahl von Produkten mit Smart Materials wird bereits erfolgreich eingesetzt. Durch die Vielseitigkeit der Eigenschaftsprofile sind zukünftig zahlreiche weitere Produkte auf der Grundlage von Smart Materials zu erwarten. IHK-Workshop 2010 40 Innovative Materialien fü für die Produkte von morgen
