Wirkprinzipien der Bandscheibe verbessern die Dämpfung in technischen Systemen
Die Dämpfung stoßartiger Belastungen bei der Abbremsung bewegter Massen ist in vielen technischen Anwendungen relevant, um Schäden durch Überlastung sowie Lärm zu mindern. Konventionelle Dämpfungslösungen lassen sich in der Regel nur durch kosten- und zeitintensive manuelle Justierungen an geänderte Randbedingungen anpassen. Als innovative Lösung soll im Projekt ProBand ein selbstanpassendes, programmierbares Dämpfungsmaterial erforscht werden, das sich am Vorbild der menschlichen Bandscheibe orientiert.
Worum geht es?
Die Dämpfung stoßartiger Belastungen, die von der Abbremsung bewegter Massen herrührt, spielt in vielen technischen Anwendungen eine große Rolle. Sie dient insbesondere der Vermeidung von Schäden durch Überlastung aufgrund dynamischer Kräfte sowie der Vermeidung von Lärm. Ein sehr wichtiger Bereich mit großem weltweitem Marktvolumen ist die Automatisierungstechnik. Hierbei sollen Greifer oder Nutzlasten möglichst schnell und präzise beschleunigt und wieder abgebremst werden, um hohe Taktraten in der Produktion zu erzielen.
Dabei gibt es viele unterschiedliche Einsatzfälle im Hinblick auf die die Masse der zu beschleunigenden und abzubremsenden Teile, deren Geschwindigkeit sowie der Frequenz bei periodischen Vorgängen. Dementsprechend unterscheidet sich die bei der Beschleunigung bzw. Abbremsung umzusetzende Energie und damit die Anforderungen an die Dämpfung. Für Fälle im Bereich kleiner Energien und niedriger Präzisionsanforderungen haben sich einfache, kompakte Lösungen wie Anschläge aus gummiartigen, elastischen Materialien bewährt. Bei höheren Anforderungen an die umzusetzenden Energien und die Präzision beim Abbremsvorgang werden oft fluidische Systeme eingesetzt. Diese lassen sich über Drosselventile manuell an wechselnde Massen und Geschwindigkeiten anpassen, was allerdings kosten- und zeitintensiv ist. Und sie sind erheblich teurer in der Herstellung.
Bioinspirierter Lösungsansatz und mögliche Anwendungen
Ziel des Projektes ProBand ist es, ein neuartiges, selbstregulierendes Dämpfungsmaterial zu entwickeln, das von menschlichen Bandscheiben inspiriert ist. Diese gewährleisten in der Wirbelsäule die Dämpfung mechanischer Stöße unterschiedlicher Art und Richtung. Eingelagertes Wasser in der zellulären inneren Struktur des Bandscheibenmaterials wird durch Druckunterschiede bewegt. Der spezielle Aufbau und die Strukturierung des Bandscheibengewebes führen zu einer Versteifung des Gewebes in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck. Der Vorgang ist reversibel und passt sich eigenständig auf unterschiedliche Druckbelastungen an.
Das Prinzip der Selbstanpassung soll im Projekt durch technische Kunststoffe und Flüssigkeiten sowie den Einsatz modernder Fertigungsverfahren wie 3D-Druck nachgebildet werden. Erforscht werden programmierbare Materialien, denen durch ihre innere Struktur ein gewünschtes Dämpfungsverhalten bei Druckbelastungen aufgeprägt werden kann. Es wird angestrebt, die Materialstruktur aus einem einzigen Werkstoff (Monomaterial) herzustellen und somit die Rezyklierbarkeit des Dämpfers nach der Gebrauchsphase zu gewährleisten. Im Erfolgsfall lassen sich daraus adaptive Dämpfungssysteme entwickeln, die in der Automatisierungstechnik deutliche Vorteile in Bezug auf die Optimierung der Taktzeit, der Energieeffizienz sowie die Erhöhung der Lebensdauer bieten. Dies verbessert nicht nur die Nachhaltigkeit, sondern stärkt auch die Wettbewerbsfähigkeit wichtiger Branchen wie dem Maschinenbau und dem Automotive-Sektor.