Ga naar hoofdinhoud

Kunstspier als trillingsdemper

Ingenieurs werken aan intelligente materialen, die trillingen dempen en energie uit de omgeving moeten genereren. Deze electro-actieve elastomeren zouden bijvoorbeeld storende trillingen in de auto kunnen dempen of sensoren, die op ontoegankelijke plaatsen zijn aangebracht, draadloos van energie kunnen voorzien.

Als de straat is geplaveid met kasseien, is fietsen geen plezier. De fiets heeft tenminste nog een zadel dat met siliconen is gevuld. Dat dempt het rammelen en vlakt een deel van de lastige trillingen af. In de ogen van de vakman is het materiaal in het zadel een elastomeer, een materiaal dat meegeeft en buigzaam is als een rubber band. Ingenieurs van het Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt werken nu aan een nieuwe generatie: ze ontwikkelen onderdelen van elastomeren, die actief reageren op ongewenste trillingen en deze daardoor effectiever kunnen dempen.

Elastomeren worden in de techniek al tientallen jaren gebruikt, voor onder andere trillingsdempers in de machinebouw of lagers voor automotoren. Ze verwerken trillingen en stoten puur passief. Het zou effectiever zijn als de elastomeren actief tegengesteld zouden reageren op trillingen. Zoals bij tennis het raket wordt teruggetrokken bij een stopbal, waardoor de bal trager wordt, zal een actief elastomeer energie kunnen onttrekken aan de trilling, doordat het precies tegengesteld trilt. Theoretisch gezien zou daarmee een vibratie volledig kunnen worden geëlimineerd.

De elastomeren vibreren bij wisselspanning.
Materialen, die daarvoor geschikt zijn, bestaan al. “Dit zijn elektro-actieve elastomeren,” verduidelijkt LBF-wetenschapper William Kaal. “Het zijn elastische stoffen, die van vorm veranderen als men ze blootstelt aan een elektrisch veld”. Aangesloten op een wisselspanning begint het materiaal te vibreren. Als intelligente elektronica het elastomeer zodanig aanstuurt, dat het precies in die tegengestelde frequentie vibreert, kan dit ongewenste trillingen van de machine over een motor grotendeels bedwingen.

Om aan te tonen, dat dit in principe werkt, hebben de onderzoekers uit Darmstadt een demonstratiemodel gebouwd. Het is kleiner dan een sigarettendoosje en bestaat uit 40 dunne elastomeer-elektroden lagen. De experts spreken van een gestapelde actuator. “De uitdaging was bij het ontwerp van de elektroden, waarmee we het elektrisch veld aansluiten op de elastomeer lagen”, aldus de collega van Kaal, Jan Hansmann. Normaal gesproken zijn elektroden van metaal gemaakt. Metaal is echter relatief stug en beperkt daardoor de vervorming van het elastomeer. De experts lossen dat probleem op een elegante manier op: “we hebben de elektroden voorzien van microscopisch kleine gaatjes.

Wordt het elastomeer door een elektrische spanning vervormt, kan het in deze kleine gaatjes uitwijken”. Het resultaat is een actuator, die zich op commando enkele tienden van een millimeter omhoog of omlaag kan bewegen en dat vele malen per seconde. Om deze kwaliteiten te demonstreren zette William Kaal een kleine mechanische slinger op het apparaat. Toen hij het apparaat inschakelde, sloeg de slinger krachtig uit – de actuator had precies de relevante frequentie getroffen. Omgekeerd kan de installatie trillingen actief dempen. Als de slinger met de hand wordt aangestoten, dan komt hij weer snel de rust, als de actuator met de tegengestelde frequentie vibreert.


De foto toont op de voorgrond de roostervormige elektrode en op de achtergrond het elastomeer.
(foto: Ursula Raapke)

De ingenieurs zien een mogelijke toepassing van hun stapelactuator in de voertuigbouw. “De trillingen van de motor kunnen storend zijn. Ze worden via de carrosserie naar de binnenruimte geleid, waar de inzittenden ze kunnen voelen. Motoren zijn weliswaar zorgvuldig gelagerd, maar actieve elastomeren zouden een bijdrage kunnen leveren aan de verdere reductie van trillingen in de auto”, aldus Kaal.

Als trillingen elektrische energie worden.
De functie van de stapel actuator kan ook omgekeerd worden: in plaats van trillingen op te wekken kan het apparaat trillingen uit de omgeving opnemen om energie op te wekken. Dat het principe functioneert hebben de onderzoekers bewezen: als ze een elektromagnetische slinger op een stapel actuator zetten, zette deze de vibraties om een elektrische stroom. “Het is bijvoorbeeld interessant voor een bewaking van ontoegankelijke plaatsen, waar wel trillingen zijn maar geen stroomaansluiting is” zegt Jan Hansmann en noemt als voorbeeld de temperatuur- en trilling sensoren, die de conditie van bruggen bewaken.

De actuator stapel technologie is nagenoeg compleet: “het productieproces is goed te automatiseren. Dat is een belangrijk punt voor industriële massaproductie”, aldus Kaal. Duurtesten moeten echter nog aantonen, hoe de stabiliteit is van deze intelligente actuatoren op de lange termijn is. Uiteindelijk moeten ze extreme omstandigheden trotseren, zoals die voorkomen in de motorruimte van een auto.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven