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Richard Moser - Spielzeug wird erwachsen — vom Kinderzimmer ins Labor


Plastic tests Plastics: A LEGO® Tensometer for Electromechanical Characterization of Dielectric Elastomers


oder

Spielzeug wird erwachsen — vom Kinderzimmer ins Labor

Richard Moser

angefertigt an der Abteilung für Soft Matter Physics des Instituts für Experimentalphysik der JKU.

Kurzfassung (PDF)

Vortrag (80MB Zip-Archiv, enthält Prezi.exe, unter Linux ausführbar mit Wine)


Spielen in der Physik?

Auf den ersten Blick scheinen diese beiden Begriffe nur wenig Gemeinsamkeit zu besitzen. Die meisten Menschen erachten das Spiel an sich als den exakten Gegenpol zur Wissenschaft, als Plattitüde oder reinen Zeitvertreib, welchem wir nachgehen, wenn keine wichtigeren Dinge unserer Aufmerksamkeit bedürfen. Den Begriff des Spiels also mit seriöser Forschung in Verbindung zu bringen, erscheint auf den ersten Blick sinnwidrig. Führt man sich die einleitende Frage allerdings näher zu Gemüte, so kommt man schnell zur Erkenntnis, dass spielerische Aspekte und Herangehensweisen eng mit wissenschaftlicher Forschung zusammenhängen. Der Forscheralltag findet fern vom strengen Lehrbuch statt. Vielmehr "spielt" man mit den vorhandenen Möglichkeiten. Selbst Albert Einstein erkannte die besondere Bedeutung des Spiels und war der Überzeugung, dass "das Spiel die höchste Form der Forschung" sei [1].

Als Inbegriff des Spielens gilt für viele LEGO®, das seit Jahrzehnten Menschen aller Altersklassen begeistert . Gemäß des oben erwähnten Grundsatzes habe ich in meinem Masterstudium der Technischen Physik die metaphorische Bedeutung des Spielens auf eine neue Ebene gehoben, und die bunten Bauteile aus ihrer vertrauten Umgebung des Kinderzimmers befreit. Unter dem Titel "Plastic tests Plastics" entwickelte ich im Rahmen meiner Masterarbeit eine auf ihnen basierende Zugprüfmaschine.

Aufgebaut mit LEGO-Technic® und LEGO-Mindstorms® in Verbindung mit sinnvollen Erweiterungen dieser Plattformen, vereint meien Konstruktion die zuverlässige Vermessung weicher, dehnbarer Materialien wie z.B. Gummi mit der einfachen Erweiterbarkeit und kostengünstiger Reproduktion des Baukastensystems.

Abbildung 1: So sieht mein Gerät samt der zugehörigen Software aus.

Konkret erlaubt mein Gerät kontrolliert an einer Materialprobe zu „ziehen“ und gleichzeitig sowohl die daraus resultierende Dehnung als auch die dafür benötigte Zugkraft zu messen. Zieht man beispielsweise an einem Werkstück mit einer bestimmten Kraft und lässt dann wieder los, kann es hinterher in seiner ursprünglichen Form vorliegen, sich verformt haben, aber auch völlig zerstört sein. Dieses Verhalten beschreibt man im so genannten "Spannungs-Dehnungs-Diagramm". Das solcherart gewonnene "Kraft-Dehnungs-Verhalten" gibt also Aufschluss hinsichtlich Elastizität, Plastizität und Bruch- bzw. Reißverhalten eines Materials:

Meine Zugprüfmaschine (im Fachjargon als "Tensometer" bezeichnet) ermöglicht die Messung verschiedener Materialparameter. Der wichtigste ist dabei der Elastizitätsmodul ("Youngs' Modulus", mit dem man auf das Verhalten des Materials bei uniaxialem Zug (oder Druck) rückgeschlossen werden kann.

Darüberhinaus bietet mein Tensometer die Möglichkeit, neben der Zugkraft auch elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Materialdehnung zu vermessen. Besonders auf dem zukunftsträchtigen Gebiet der „dehnbaren Elektronik“ sind derartige Materialtests unverzichtbar.

Abbildung 2: Hier ist ins obere Bild hineingezoomt: man erkennt das gedehnte durchsichtige Testobjekt.

Was versteht man unter "dehnbarer Elektronik"?

In den letzten Jahren ist zunehmend ein Trend weg von herkömmlicher, starrer Elektronik hin zu flexiblen oder sogar dehnbaren elektronischen Schaltkreisen erkennbar. Von roll- und dehnbaren Displays und Mobiltelefonen, über medizinische Implantate, die sich dem Körper anschmiegen, bis hin zu in Kleidung integrierter Sensorik und Beleuchtung: Ich bin überzeugt, die Zukunft der Elektronik ist elastisch.

Um diese Eigenschaft zu erreichen, werden Schaltkreise auf flexible Substrate aufgebracht, die aus Polymeren oder hochelastischen Kunststoffen bestehen . Ein wichtiger Bestandteil sind hierbei elektrisch leitfähige Verbindungen, die auch bei starker Verformung ihren Kontakt nicht verlieren. Momentan wird in vielen Forschungseinrichtungen rund um den gesamten Globus, unter anderem auch hier in Linz, heiß an diesem Thema geforscht [2].

Abbildung 3: In das Prüfgerät eingespannte dehnbare Leiterverbindung (Bild links).
Beim Strecken des Leiters steigt sein elektrischer Widerstand, beim
anschließenden Loslassen sinkt er (Bild rechts).

Durch die Möglichkeit, nun sowohl die elastischen als auch die elektrischen Parameter solch moderner Materialien vermessen zu können, ist mein Gerät nicht nur ein äußerst anschau­liches Demonstrationsobjekt, sondern insbesondere auch eine präzise, zuver­lässige und gleichzeitig kostengünstige Alternative zu teuren Prüfgeräten. LEGO® kann also mehr sein als nur buntes Spielzeug! Auch die Teilnehmer der wissenschaftlichen Konferenz „EuroEAP 2013“, ließen sich davon überzeugen und zeichneten meine Arbeit mit dem Best Poster Award aus.

[1] Ch. Ucke and H. J. Schlichting. "Spiel, Physik und Spaß." Wiley-VCH Verlag (2011).
[2] Siegfried Bauer, Simona Bauer-Gogonea, Ingrid Graz, Martin Kaltenbrunne, Christoph Keplinger and Reinhard Schwödiauer, Advanced Mat. 26, 149 (2014): 25th Anniversary Article: A Soft Future: From Robots and Sensor Skin to Energy Harvesters