Der Demonstrator des Fraunhofer LBF als CAD-Darstellung. Er hat 50 aktive Schichten mit je 140 µm Schichtdicke und einer Grundfläche von 60 x 60 mm Bild: Fraunhofer LBF

Ein neuartiger Wandler mit elektroaktiven Elastomeren kann nicht nur Schwingungen dämpfen. Er soll auch der Energiegewinnung dienen.

In stark schwingenden technischen Systemen müssen große Bewegungen ausgeglichen und gedämpft werden. Klassischerweise geschieht dies mit formfesten, aber elastisch verformbaren Kunststoffen, so genannten Elastomeren. Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben sich gefragt, was wäre, wenn diese elastischen Komponenten intelligent wären und sich aktiv verformen könnten? Wenn sie Massen heben und zum Schwingen anregen könnten? Dann könnten sie viel effektiver störende Schwingungen bekämpfen, indem sie Gegenschwingungen erzeugen. Sie könnten auch aus den Schwingungen, die sie dämpfen, elektrische Energie gewinnen.

Besonders empfehlen sich hierfür elektroaktive Elastomere (EAE). Wie Piezokeramiken gehören elektroaktive Elastomere zu den „smart materials", die sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes mechanisch verformen. Im Vergleich zu Piezowandlern zeichnen sich EAE-Wandler durch vergleichsweise große Dehnungen bei deutlich geringeren Kräften aus.

In der Lösung des Fraunhofer LBF werden dünne, metallische Elektroden, die fein perforiert sind, zum Anlegen der elektrischen Spannung eingesetzt. Dadurch kann das Elastomer bei anliegendem elektrischem Feld lokal in diese Mulden entweichen, eine makroskopische Kompressibilität des Aufbaus ist gewährleistet. Da die Elektroden dehnstarr sind, ist eine mechanische Anbindung an die umgebende Struktur ohne Leistungsverlust möglich.

Über die Lochgeometrie und die Lage der Elektroden zueinander kann das Arbeitsverhalten des Wandlers gezielt eingestellt und optimiert werden. Mit Hilfe von numerischen Modellen und diversen Optimierungsverfahren soll so eine für den jeweiligen Einsatz optimale Geometrie berechnet und gefertigt werden.

Ein solcher EAE-Wandler lässt sich aber auch als Sensor- und Generatorelement nutzen: Bei Anlegen einer elektrischen Spannung kommt es aufgrund der größer werdenden Kontaktflächen zu einer Steifigkeitszunahme. Sie lässt sich beispielsweise zum Verstellen eines adaptiven Schwingungsdämpfers einsetzen. Eine deutliche Zunahme der Kapazität kann sensorisch und auch generatorisch genutzt werden. So könnte mechanische Umgebungsenergie aus Vibrationen in elektrische Energie gewandelt werden. Aber auch große Bewegungen, wie sie beispielsweise von Meereswellen hervorgerufen werden, wollen die Forscher zur Energiegewinnung nutzen.

· Weitere Informationen: www.lbf.fraunhofer.de/Stapelaktor_daempft_Schwingungen.html