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Jahresbericht 2021

Aktiv formveränderliche Strukturen
Active shape changing structures

A. Nocke , Q. Bollengier , F. Lohse , E. Häntzsche , L. Benecke , M. Vorhof , P. Meyer ,
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Ch. Hühne , Ch. Cherif 1
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1 ITM, TU Dresden
2 Institut für Mechanik und Adaptronik, TU Braunschweig
Abstract ten umgesetzt wird. In der Folge können klassi-
sche Antriebssysteme substituiert, Systemmassen
Modern adaptive structures, so-called smart struc- gesenkt sowie mechanische Konstruktionen verein-
tures, have considerable functional and economic facht und robuster gestaltet werden.
advantages over conventional metallic materials
and mechanically complex constructions, especial- Ein zugehöriger Schwerpunkt der Forschungstätig-
ly when designed as fibre-reinforced plastic com- keiten des ITM liegt auf der textiltechnologischen
posites (FRP). These smart structures, which are Integration von fadenförmigen Aktoren (und teil-
increasingly used in dynamic systems, machines weise gekoppelten Sensoren für präzise Regelun-
and plants, e.g. for medical technology, automotive gen) innerhalb adaptiver FKV-Strukturen. In einem
and automation applications, are characterised in weiteren Konzept werden zusätzliche Aktoreffek-
particular by actively changeable physical proper- te genutzt, die aus dem Verformungsverhalten
ties, such as stiffness or external geometric shape. geschlossener zellularer Strukturen bei Innendruck-
One corresponding focus of the ITM‘s research activ- änderung (beispielsweise pneumatisch/hydrau-
ities is on the textile-technological integration of lisch) resultieren. Besonders vielversprechend ist
thread-like actuators (and partially coupled sensors dies für die Anwendung in umströmten Bauteilen in
for precise control) within adaptive FRP-structures. der Luftfahrt oder dem Windkraftanlagenbau sowie
In another concept, additional actuator effects are für adaptive Strukturen der Soft-Robotik, bei denen
used that result from the deformation behaviour of sowohl große Formänderungen, als auch hohe Hal-
closed cellular structures when the internal pres- tekräfte benötigt werden. Zu diesem Themenkom-
sure changes (e.g. pneumatic/hydraulic). Various plex liefen und laufen am ITM diverse Forschungs-
research projects have been and are still being con- projekte, die im Folgenden beschrieben werden.
ducted at the ITM on this complex of topics, which
are described below. Gestrickte endkonturgerechte
Verstärkungshalbzeuge mit integrierten
Einleitung FGL-Aktoren und Festkörpergelenken zur
Moderne adaptive Strukturen, sog. Smart Struc- Realisierung von beweglichen
tures, weisen insbesondere in der Ausführung als Verbundstrukturen
Faserkunststoffverbunde (FKV) gegenüber konven-
tionellen metallischen Werkstoffen und mechanisch Im IGF-Projekt 21969 BR „GestrAG“ werden gestrick-
aufwendigen Konstruktionen erhebliche funktiona- te, schlauchförmige Verstärkungshalbzeuge ent-
le und wirtschaftliche Vorteile auf. Diese smarten wickelt, die ein anforderungsgerecht integriertes
Strukturen, die verstärkt in dynamischen Systemen, Zweiachsfestkörpergelenk (Abb. 1) sowie struktur-
Maschinen und Anlagen eingesetzt werden, z. B. für integrierte In-Situ-Aktor- und Energieversorgungs-
Medizintechnik-, Automobil- und Automatisierungs- netzwerke aufweisen, mit denen definiert und aktiv
anwendungen, zeichnen sich insbesondere durch verformbare 3D-FKV-Integralbauteile mit Duro-
aktiv veränderbare physikalische Eigenschaften aus, mermatrix realisiert werden können. In die als bi-
wie Steifigkeit oder äußere geometrische Gestalt. Für axialverstärkte Mehrlagengestricke ausgeführten
die Implementierung zur Formänderung erforderli- 3D-Schlauchpreformen werden direkt im Strick-
cher Mechanismen sind in konventioneller Bauweise prozess sowohl Draht-Aktoren mit Formgedächt-
je nach Anwendungsgebiet und erforderlichen Frei- nislegierung (FGL) als auch ein für die elektrische
heitsgraden eine bestimmte Anzahl Antriebselemen- Energieversorgung erforderliches Energienetzwerk
te erforderlich, die sowohl dem Leichtbaucharakter aus leitfähigem Garnmaterial elektrisch gegenein-
als auch der Energieeffizienz entgegenstehen. Die- ander isoliert simultan integriert. Die Aktoren des
se genannten Aufwendungen stehen scheinbar im Netzwerks werden dabei konzentrisch um das mit
Widerspruch zur Adaptierbarkeit im Hinblick auf anisotropem Steifigkeitsgradient ausgeführte Zwei-
Leichtbau, Energie- und Ressourceneffizienz. Auf- achsfestkörpergelenk angeordnet (vgl. Abb. 1 links).
gelöst werden kann dieser Widerspruch durch eine Um das Bewegungspotenzial der FGL-Aktoren dabei
möglichst hohe Integration der smarten Struktu- bestmöglich ausnutzen und in Verformungsarbeit
ren, indem die verwendeten Materialien selbst als umsetzen zu können, werden diese in den Defor-
Aktor genutzt werden und eine Formänderung über mationsbereichen des Festkörpergelenks nicht in die
ein gezielt eingestelltes Bauteilverformungsverhal- textile Verstärkungsstruktur (FM1-3) integriert, son-

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