Rechnergestützte Homogenisierung in der Magnetomechanik
Magnetosensitive Elastomere (MSEs) sind eine neue Materialklasse, die ihr mechanisches Verhalten in Reaktion auf ein externes Magnetfeld ändern. Diesen intelligenten Materialien wurde in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit zuteil, da sie interessante technische Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, etwa Aktuatoren mit schnell variierbarer Steifigkeit, elektrisch einstellbare Dämpfer für mechanische Systeme oder künstliche Muskeln für robotische oder biomedizinische Geräte. Bevor jedoch industrielle Geräte mit MSEs entworfen werden können, sind noch zahlreiche Herausforderungen in Bezug auf die Herstellung, Prüfung und Computermodellierung dieser Materialien zu bewältigen. Vor diesem Hintergrund trugen die Mitglieder des EU-geförderten MOCOPOLY-Projekts mit über 40 fachlich geprüfte Veröffentlichungen in der wissenschaftlichen Literatur zu verschiedenen Themen mit Bezug zu MSEs bei. "Ein wichtiger Erfolg der intensiven länderübergreifenden Bemühungen des Projekts bestand in der Entwicklung einer Methodik, MSEs zu Versuchszwecken in hohem Umfang herzustellen", sagt Paul Steinmann, der Projektkoordinator von MOCOPOLY. Faszinierende Experimente Die Projektforscher stellten zwei Geräte für Experimente her – ein Rotationsrheometer und eine Maschine für Zugfestigkeitsprüfungen. Mithilfe dieser Geräte erstellten die Forscher Versuchsprotokolle, mit denen zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden können. Außerdem erlangten die Forscher durch weitere experimentelle Studien mit hochmoderner Technologie ein umfassendes Verständnis der inneren Struktur von MSEs und der komplexen MSE-Struktur auf makro- und mikroskopischer Ebene. Anhand der vielversprechenden Daten aus den Versuchen, die die Forscher mit ausgehärteten und nicht ausgehärteten MSEs durchgeführt hatten, konnten sie die Eigenschaften für makroskopische Deformation von MSEs bei hoher Belastung und in Gegenwart eines Magnetfelds computermodellieren. "Wir verfolgten einen ganz besonderen Ansatz, um die Mechanik der nicht perfekten kettenartigen Strukturen einzukapseln, die die Partikel erzeugen, wenn das Material innerhalb eines Magnetfeldes aushärtet", erklärt Steinmann. Die Forscher entwickelten dann einen Modellierungsrahmen, um den Aushärtungsprozess der magneto-viskoelastischen MSEs unter Einfluss einer magnetomechanischen Last zu simulieren, und erstellten ein vereinheitlichtes Framework zur rechnergestützten Analyse der MSEs mit hochleistungsfähiger Open-Source-Software. Einige Aspekte dieses Frameworks und der auf diesem basierenden Arbeit wurden dann an die Open-Source-Gemeinschaft zurückgegeben. Um die Arbeit mit langfristigen Untersuchungen zu ergänzen, wurden Studien zur Mikrostruktur durchgeführt, um den Einfluss der Partikel innerhalb von MSEs zu klären. "Wir haben ein Computermodell erstellt, das sowohl makroskopische als auch nanoskopische Effekte berücksichtigt, und konnten dank dieser Verbesserung die Eigenschaften abbilden, die nur mit Untersuchungen beobachtet werden können, die auf längere Zeiträume wie diesen ausgelegt sind", so Steinmann. Des Weiteren ermöglichte der Homogenisierungsprozess dem Team, anhand der Reaktion der zugrunde liegenden Mikrostruktur die letztendlich im großen Maßstab vorliegenden Eigenschaften eines heterogenen Materials abzuschätzen. Unter Anwendung der rechnergestützten Verfahren erweiterten die Forscher die bereits etablierten Methoden, sodass Phänomene berücksichtigt werden konnten, die ausschließlich innerhalb von MSEs zum Tragen kommen, etwa die Gegenwart und Interaktion magnetisierbarer Partikel. "Als Ergebnis haben wir Untersuchungsansätze entwickelt und angewandt, die zu einer statistischen Quantifizierung der Unsicherheiten führten, die in den Versuchsdaten vorhanden sind", sagt Steinmann. "Um diese Untersuchungen zu ergänzen und zu bestätigen, haben wir ein zuverlässiges Verfahren entwickelt, um die mikroskopischen Materialparameter mit makroskopischen Experimenten festzustellen." Weitreichende Ergebnisse Durch diese Experimente konnten die MOCOPOLY-Forscher wesentliche Fortschritte in Richtung eines tieferen Verständnisses von MSEs erzielen. Und dank der grundlegenden mathematischen Gleichungen, die für die Magnetoelastizität und die Bedingungen gelten, unter denen die Projektwissenschaftler ihre Studien durchführten, ist ein Großteil der für die Magnetomechanik entwickelten Theorie auch direkt auf die Elektromechanik anwendbar – und umgekehrt. "Durch diese Überschneidungen zwischen den Disziplinen konnten wir unsere Erkenntnisse auch auf interessante elektromechanische intelligente Materialien übertragen", fügt Steinmann hinzu.
Schlüsselbegriffe
MOCOPOLY, magnetosensitive Elastomere, MSEs, externes Magnetfeld, Robotik, Magnetomechanik