Ein Beitrag zur Untersuchung der Deformation magneto-sensitiver Elastomere und deren Nutzung als Sensorelement

Magneto-sensitive Elastomere sind magnetische Hybridwerkstoffe, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften aktuell im Fokus der anwendungsorientierten Forschung stehen. Die Kopplung von elastischer und elektromagnetischer Energie innerhalb des Werkstoffes bietet besonderes Potential im Bereich der mechanischen Sensoren. Hier werden für die Erfassung mechanischer Größen (beispielsweise Kraft und Verschiebung) bevorzugt biegeelastische Strukturen (Verformungskörper) eingesetzt. Die Arbeit ist in zwei Bereiche unterteilt. Der erste Teil stellt die Simulation einer zweischichtigen biegeelastischen Struktur mit magneto-sensitiven Elastomer vor. Mit einem analytischen Modell gelingt es, die dynamische Verformung des Balkens vorherzusagen. Dieses basiert auf einem Timoshenko-Balken und berücksichtigt ein äußeres Magnetfeld. Mit asymptotischen Methoden erfolgt eine Näherungslösung für die Durchbiegung des Balkens. Ein Vergleich mit numerischen Lösungen zeigt, dass die verwendete Methode für mehrere Periodendurchläufe eine ausreichende Güte aufweist. Im zweiten Teil der Arbeit wird die modellbasierte Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines neuartigen taktilen Sensors vorgestellt. Dieser zeichnet sich durch einen Schichtaufbau mit einem Spulen-Array und magneto-sensitiven Elastomer aus. Die Messaufgabe des Sensors beinhaltet in erster Linie die Erfassung der Kontaktstelle einer Beanspruchung an der Sensoroberfläche. Zu der Entwicklung des Sensors zählt das Abbilden des magneto-mechanischen Verhaltens des Systems auf Basis von analytischen und numerischen Methoden. Dabei gelingt die theoretische Vorhersage des Sensorsignals, die Identifikation kritischer Systemparameter und die Grobauslegung des Sensors selbst. Im Anschluss erfolgt der Entwurf eines Prototyps, der eine Positionsbestimmung eines eindringenden Körpers in einer Richtung erlaubt. Unter anderem erfolgt die Untersuchung einer variablen Verschaltung mehrerer Spulen und eine mathematische Analyse der Signale. Hiermit gelingt die Positionsbestimmung unabhängig vom Querversatz und der Eindringtiefe. Schließlich bietet die Arbeit einen Funktionsnachweis für den taktilen Sensor, der eine Positions- und Kraftbestimmung erlaubt.