DE19640771C1 - Verfahren zur aktiven Einstellung und Regelung von Dämpfungseigenschaften von Kunststoffen durch lokale Wärmeeinbringung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem es ermöglicht wird, durch lokale Einbringung von einer definierten Wärmemenge in einen verstärkten, gefüll­ ten, unverstärkten oder ungefüllten Kunststoff die Dämpfungseigenschaften des Materials oder der Struktur gezielt und regelbar zu verändern.

Die Problematik unerwünschter Strukturschwingungen stellt sich in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus. Besonders schwerwiegend sind die Probleme beispielweise in der hochgenauen Meßtechnik (Quelle: Melcher, J; Lammering, R.: Adaptronische Schwingungsdämpfung in der automatisier­ ten Formmeßtechnik; Vortrag anläßlich der VDI-TZ Veranstaltung Adaptro­ nik; Düsseldorf; 30.11.1994), bei extrem dynamischen Positioniervorgängen oder der Lärmemission. Daher sind in den letzten Jahren verschiedene Metho­ den der aktiven und passiven Schwingungsdämpfung von Materialien entw­ ickelt worden (Quelle: Gandhi M. V., Thompson B. S.: Smart materials and structures; Chapman & Hall, London, 1992). Methoden der aktiven Schwin­ gungsdämpfung basieren darauf, den Schwingungszustand des Bauteils oder der Struktur zu erfassen und dann mittels geeigneter Aktoren diesem entge­ genzuwirken. Werden Struktureigenschaften beeinflußt, so kann dies bei­ spielsweise über elektrische Antriebe erfolgen. Für die Beeinflußung von Ma­ terialeigenschaften können piezokeramische Aktoren (Quelle: Pourki, F.; So­ sa, H.: Piezoeleetric damping of flexible structures using novel electrode sha­ pes; Proc. SPIE: Smart Structures and Intelligent Materials; Vol. 1917 No. 1; pp. 136-143; 1993), Formgedächtnislegierungen (Quelle: Gandhi M. V., Thompson B. S.: Smart materials and structures; Chapman & Hall; London; 1992) oder Elektrorheologische Flüssigkeiten (Quelle: Wang, K. W. et al.: Vibration control of flexible structures via electrorheological-fluid-based dampers; Proc. SPIE: Smart Structures and Intelligent Materials; Vol. 1917 No. 1; pp. 157-167; 1993) verwendet werden. Nachteilig ist bei all diesen Verfahren das zusätzliche Gewicht, die Beschränkung der Einsatztemperatur, hohe Kosten und die komplexe Regelungselektronik. Bei der passiven Schwingungsdämpfung werden entweder zusätzliche Massen oder dämpfende Zwischenschichten an oder in das Material eingebracht (Quelle: Liao, F. S. et al.: Vibration damping of interleaved carbon fibre-epoxy composite beams; Joumal of Composite Materials; Vol. 28 No. 18; pp. 1840-1854; 1994) (Quel­ le: Hübsch Stahl AG: Verbundwerkstoffe für die Schwingungsdämpfung und Körperschalldämpfung; Offenlegungsschrift DE 37 04 506 A1; 1987). Hier­ durch ist neben dem zusätzlichen Gewicht der Dämpfungseffekt permanent vorhanden, kann also nicht direkt an den Bauteilzustand angepaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben genannten Art zu entwickeln, bei dem die bisherigen Nachteile der aktiven und passiven Dämpfung ausgeglichen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Verfahren, mit welchem lokal eine be­ stimmte Wärmemenge aktiv in einen verstärkten, gefüllten, unverstärkten oder ungefüllten Kunststoff eingebracht wird. Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen sind sehr stark temperaturabhängig. So fällt z. B. der Schub­ modul G bei Temperaturerhöhung bis zu der Glasübergangstemperatur T_G ei­ nes Kunststoffs leicht ab, jedoch in einem engeren Bereich um T_G sehr stark (siehe Abb. 1). Mit der Reduktion der mechanischen Eigenschaften steigt der mechanische Dämpfungsfaktor d von Kunststoffen und zeigt in der Regel in dem Bereich um T_G eine Erhöhung um mehrere Größenordnungen (siehe Abb. 1) (Quelle: Domininghaus, H.: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften; VDI-Verlag, Düsseldorf; 1992).

Der beschriebene Effekt wird in dieser Erfindung erstmals für die aktive Dämpfung von Bauteilen und Strukturen ausgenutzt. Durch die lokale Zufüh­ rung einer definierten Wärmemenge, bei der die erwärmten Bereiche auf Temperaturen nahe der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs gebracht werden, gelingt es, aktiv dämpfende Zwischenbereiche an oder innerhalb des Materials einzubringen, welche die Schwingungseigenschaften des Bauteils oder der Struktur deutlich beeinflußen, während sich die Festigkeit des Bau­ teils oder der Struktur nur unwesentlich ändert. Koppelt man diesen Effekt mit einem Sensor, so kann mit dieser Erfindung eine aktive Regelung der Dämp­ fungseigenschaften erreicht werden. Wird die Zufuhr der Wärmemenge been­ det, so kühlt das Material entweder natürlich oder durch erzwungene Wärme­ abfuhr ab und die ursprünglichen Eigenschaften stellen sich wieder ein. Dieser Vorgang ist vollständig reversibel und wiederholbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. In einem einseitig eingespannten Biegebal­ ken (1) aus Kunststoff sind mehrere elektrische Leiter (2) oberhalb der neutra­ len Schicht (3) eingebettet. Wird dieser Biegebalken zu Schwingungen ange­ regt, so stellt sich bei freier gedämpfter Schwingung die in Abb. 3 dar­ gestellte Abklingkurve (5) ein. Um diese Abklingzeit der Biegeschwingung zu verkürzen, wird mit Hilfe der elektrischen Leiter als Aktorlokal eine definier­ te Wärmemenge eingebracht (ΔT ~ I), welche die Bereiche in unmittelbarer Nähe der elektrischen Leiter (4) auf Temperaturen nahe der Glasübergang­ stemperatur T_G des Kunststoffs erwärmt. Hierdurch ändert sich lokal der me­ chanische Dämpfungsfaktor d des Kunststoffs, was einer aktiven und geziel­ ten Integration einer dämpfenden Zwischenschicht entspricht. Die signifikante Verkürzung der Abklingzeit der Biegeschwingung mit aktiver Dämpfung (6) ist in Abb. 4 dargestellt. Nach Abklingen der Biegeschwingung wird die Wärmezufuhr beendet und die erwärmten Bereiche des Kunststoffs kühlen auf Umgebungstemperatur ab. Hierdurch stellen sich die ursprünglichen mechani­ schen Eigenschaften des Materials wieder ein. Bei erneuter Anregung des Bie­ gebalkens resultiert bei freier gedämpfter Schwingung wiederum die in Abb. 3 dargestellte Abklingkurve (2), wenn kein Strom durch den elektrischen Leiter fließt.

Der Wärmeeintrag in das Material kann durch verschiedene Methoden erfol­ gen. Im einfachsten Falle erfolgt dieser von außen durch Kontakterwärmung, Heißluft oder Wärmestrahlung. Zum anderen können stromdurchflossene elektrische Leiter oder Wärmeleiter jeglicher Art appliziert oder in das Materi­ al integriert werden. Gleichfalls können auch Magnetfelder in Verbindung mit passiven elektrischen Leitern durch magnetische Induktion eine lokale Er­ wärmung realisieren.

Die beschriebene Erfindung ermöglicht die aktive Dämpfung von Bauteilen oder Strukturen aus verstärkten, gefüllten, unverstärkten oder ungefüllten Kunststoff. Hierbei können sowohl freie gedämpfte als auch erzwungene und selbsterregte Schwingungen aktiv gedämpft werden. Die Vorteile der be­ schriebenen Erfindung gegenüber herkömmlichen Verfahren bestehen insbe­ sondere in der Gewichtsersparnis, der einfachen Regelungsmöglichkeit lokaler Material- oder Struktureigenschaften und der deutlich verbesserten Material­ kompatibilität. Die beschriebene Erfindung ist darüberhinaus besonders ko­ stengünstig zu realisieren.

Claims (5)

1. Verfahren zur aktiven Einstellung und Regelung der Dämpfungseigen­ schaften von Bauteilen oder Strukturen aus verstärkten, gefüllten unver­ stärkten oder ungefüllten Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Schwingungsvorganges lo­ kal und definiert Wärme in das Material eingebracht wird, wodurch sich die Dämpfung des Kunststoffs in diesem Bereich verändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einge­ brachte Wärmemenge das Material lokal auf Temperaturen nahe der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs erwärmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lo­ kale Wärmeeinbringung sowohl von außerhalb als auch innerhalb des Materials oder der Struktur erfolgen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeeinbringung mittels eines applizierten oder integrierten elektri­ schen Leiters erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr durch speziell an- oder eingebrachte Wärmeleiter er­ folgt.