Smart Materials für eine flexiblere Automation

Intelligente Materialien oder Smart Materials lassen sich durch Anlegen von elektrischen oder magnetischen Feldern schalten, strecken oder verkürzen – hier öffnen sich für Automatisierer und Mechatroniker breite Anwendungsfelder. Am Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) trafen sich kürzlich Experten zu einem Erfahrungsaustausch.

Sobald ein magnetisches Feld an eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) angelegt wird, wird aus dieser fluiden Substanz ein Semifestkörper. Ursache hierfür ist der gleichnamige Effekt, bei dem sich innerhalb von Millisekunden mikroskopisch kleine Eisenpartikel zu Ketten von magnetischen Dipolen ausbilden und die Flüssigkeit sich versteift. „Hierbei kann man Schubspannungen bis 100 kPa erreichen“, betont Dieter Sporn, Leiter des Center Smart Materials am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC). Das Ganze geschehe extrem schnell, reversibel und exakt reproduzierbar. Für eine solche MRF gebe es keine feststehende Zusammensetzung, sondern sie wird wie in einem Baukasten aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt. Mit Smart Materials können laut ISC in Zukunft wesentlich einfachere Kupplungen für steuerbare Kraft- und Drehmomentübertragungen, adaptive Greifwerkzeuge, intelligente Dichtungen und Dosierventile entwickelt werden. „Was man braucht, ist ein auf den jeweiligen Verwendungszweck zugeschnittenes Profil, mit dem sich diese Smart Materials an die entsprechende Aufgabe anpassen lassen“, ergänzt Sporn.

Gekapselter Türfeststeller für Autotüren auf Basis von Smart Materials

Inzwischen finden die Smart Materials ihren Niederschlag auch in der Praxis. Deshalb trafen sich am ISC die Mitglieder des Cluster Mechatronik und Automation und des Automation Valleys vor Kurzem zu einem ersten Erfahrungsaustausch. Die Fraunhofer-Forscher stellten neben anderen Exponaten einen gekapselten Türfeststeller für Autotüren auf der Basis von Smart Materials vor, der seine Haltekraft den entsprechenden Anforderungen anpasst. Selbst bei Ausfall des Bordnetzes ist die Funktionssicherheit gewährleistet.

Eine weitere Gruppe der Smart Materials umfasst Werkstoffe, mit denen sich auch Kräfte übertragen lassen. Hierbei werden elektrische Signale in mechanische Bewegung umgesetzt oder umgekehrt. „Legt man an ein elektroaktives Polymer ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden an, so dehnt sich der dielektrischer Elastomer-Aktor (DEA) schnell und mit hoher Energiedichte axial aus“, präzisiert der ISC-Wissenschaftler. So sei es möglich, einen präzisen Linearmotor aufzubauen, der ohne Seltene Erden auskommt. Mit ähnlichen Materialien lasse sich eine autarke Energieversorgung aufbauen, die aus den Schwingungen von Maschinen, Anlagen oder anderen Bauteilen Strom erzeugt.

Smart Materials eignen sich für viele Anwendungen in der Automation

„Nutzt man weitere Eigenschaften dieser Materialien, entstehen hochflexible kapazitive Sensoren zur Überwachung von Kräften, Drücken und Verformungen“, so Dieter Sporn weiter. Auch hier öffne sich ein weites Anwendungsfeld für die Automatisierungstechnik. Allerdings lägen noch keine ausreichenden Erfahrungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Robustheit und Lebensdauer der Smart Materials vor. Sporn: „Doch es scheint nur eine Frage der Zeit zu sein, bis auch hier entsprechende Methoden und Werkzeuge entwickelt werden.“