Auslegung und Entwurf adaptiver Strukturen und Systeme mit Formgedächtnislegierungen

Abstract

Steigende Individualisierung, neue Technologien und die Forderungen nach Leichtbau, Systemzuverlässigkeit und der Reduktion eingesetzter Ressourcen bestimmen die zukünftigen Konzepte neuer Produkte. Dabei kommen passive und mechatronische Systeme häufig an ihre Grenzen. Um sich den unterschiedlichen Randbedingungen optimal anzupassen, werden intelligente Strukturen und adaptive Elemente immer wichtiger, integrierte Funktionen gewinnen an Bedeutung und moderne Strukturen (smart und adaptiv) rücken in den Fokus der Entwicklungen. Ein wichtiger Bestandteil sind dabei Smarte Materialien, die durch steuerbare Eigenschaften neuartige und effiziente Produkte generieren. Zu den SM die zunehmend erforscht werden, zählen beispielsweise thermische Formgedächtnislegierungen (FGL), die durch ihre spezielle Eigenschaft, sich nach einer Verformung an ihre ursprüngliche Form zu erinnern, zur Entwicklung leichter, leistungsfähiger, energieeffizienter und innovativer Lösungen führen. Die entstehenden adaptiven Strukturen und Systeme (ASS) und deren Einsatz bei zukünftigen Konzepten ermöglichen eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebszustände sowie an unterschiedliche Nutzer und Aufgaben. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist daher die Erarbeitung einer Vorgehensweise zur Auslegung und zum Entwurf von ASS mit FGL im Kontext des Technischen Designs. Im Besonderen geeignet sind Anwendungen aus dem Bereich des Technischen Designs, die durch die Kombination von Technik, Ergonomie und Design die Hauptvorteile der FGL wie geringer Platzbedarf (Bauraum), niedriges Gewicht (Leichtbau), geringe Anzahl an Komponenten (Komplexität) und geräuschloser Betrieb (Komfort) optimal nutzen. Zur Entwicklung der Vorgehensweise und der Untersuchung des Zusammenwirkens der Elemente des Gesamtsystems wurden zunächst die relevanten Grundlagen erarbeitet. Dazu erfolgten Untersuchungen zu den Gebieten Ergonomie durch die Anthropometrie und Mensch-Maschine-Schnittstelle, Design in Bezug auf die Produktgestalt sowie Technik durch Aufbaugestalt, Regelung, smarte Materialien und FGL. Darauf aufbauend wurde eine Definition zum Entwurf und zur Gliederung von ASS abgeleitet. Auf Basis dieser Erkenntnisse fand die Untersuchung des Aufbaus von ASS, mit dem Fokus auf sich beeinflussende Parameter statt. Auf die theoretische Untersuchung folgten der Aufbau und Test von Struktur-Prototypen. Dazu wurden die erarbeiteten Erkenntnisse in Simulationen und Prototypen umgesetzt, um die Parameter zu evaluieren und zu vervollständigen. Final wurden Richtlinien für die Auslegung und Entwicklung von ASS mit FGL abgeleitet. Enthalten sind Beschreibungen, Anforderungen und Empfehlungen zur Auslegung der aktiven und passiven Struktur. Abschließend fand die Analyse eines anwendungsbezogenen Prototyps statt. Es zeigte sich, dass durch die Richtlinien die Beachtung wichtiger Anforderungen effizient und vollständig ermöglicht wird. Das Zusammenführen der gesamten Ergebnisse stellt das Vorgehen zur Entwicklung von ASS dar.