Pressure-actuated cellular structures: design and evaluation

Abstract

Ein biologisch inspiriertes Konzept zur Gestaltung energieeffizienter und leichter formvariabler Strukturen wird untersucht. Ähnlich dem Funktionsprinzip des Bewegungsapparates nastischer Pflanzen werden das als druckaktuierte zelluläre Struktur (PACS) bezeichneten System über die kontrollierte volumetrische Ausdehnung von mit Druck beaufschlagten Zellen aktuiert. Die Vorzüge der fluidischen Aktuierung lassen sich dabei auf eine formvariable einfach gekrümmte Struktur übertragen, welche sich stufenlos und mit einstellbarer Steifigkeit zwischen spezifizierbaren Formzuständen deformieren lässt. Der Fokus der hier vorgestellten Untersuchungen liegt auf dem erstmals ganzheitlich betrachteten Entwurfsprozess für PACS, sowie auf dessen numerischer und experimenteller Evaluierung. Den initialen Prozessschritt zum Entwurf der PACS bildet ein Optimierungsprozess, welcher die Geomtrie des Zellverbundes derart kontrolliert, dass vordefinierte Zieldeformationen erreicht werden. Zellinterne Drucklasten, als treibende Kraft für die Deformation, sowie externe Punkt-, Linien, und Flächenlasten werden bei dieser Optimierung berücksichtigt. Die ganzheitliche Prozesskette umfasst des Weiteren Methoden zur Charakterisierung des Strukturverhaltens, zur Gestaltung der Querschnittsgeometrie des Zellkörpers, zum Entwurf des Zellverschlusses sowie zum Montagekonzept und der Fertigungsvorbereitung. Die Evaluierung des Entwurfsprozesses und der zugrundeliegenden Methoden erfolgt numerisch als auch anhand von experimentellen Ergebnissen. Die Prozesse zur Auslegung und Fertigung der dazu verwendeten PACS werden zusammen mit dem Versuchsaufbau beschrieben. Die Funktionalität der Prozesskette zum ganzheitlichen Entwurf der PACS wird experimentell validiert. Ein Vergleich wischen Soll- und Ist-Werten erfolgt im Wesentlichen anhand von Deformationen und zeigt Verbesserungspotentiale auf. Im Ausblick wird auf Möglichkeiten eingegangen diese zur Prozessverbesserung zu nutzen.