Investigations and simulations of magneto elastomer materials (MSE) influenced by static magnetic fields for soft robotics applications

Abstract

Magneto-sensitive Elastomere sind Verbundwerkstoffe, die hauptsächlich aus einer Elastomermatrix bestehen, in der magnetischen Partikeln dispergiert sind. Ein ins magnetosensitive Elastomer eingreifende Magnetfeld bewirkt Änderungen der Eigenschaften dieses Materials. Diese Qualität macht die MSE zu einer Option mit hohem Potenzial für Soft Robotics- Anwendungen. Für die Realisierung dieser Masterarbeit wurden MSE-Proben aus einer Elastomermatrix, Silikonöl und Carbonyleisenpartikeln hergestellt. Tests wurden durchgeführt, um Verbesserungen zu entwickeln, die sich auf Soft-Robot- Anwendungen konzentrieren, insbesondere bei Endeffektoren. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von magneto-sensitive Elastomerproben in Abwesenheit und Gegenwart eines Magnetfeldes experimentell untersucht. Die untersuchungen wurden mittels eines Magnetfeldes realisiert, dass durch einen Permanentmagneten induziert wurde. Um die Intensität zu varriieren, wurde der Permanetmagent in unterschiedlichen Abständen zur Probe positioniert. Die experimentell erhaltenen Ergebnisse wurden verwendet, um den Einfluss der MF über der MSE zu verstehen und ein geeignetes Materialmodell unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode zu entwickeln.

Magneto-sensitive elastomers are composite materials made mainly of an elastomer matrix, in which magnetic particles are dispersed. A magnetic field applied in the magneto sensitive elastomers achieves changes in the properties of this material. This quality turns the magneto-sensitive elastomers in an option with high potential in soft robotics applications. In the present thesis, samples of magneto-sensitive elastomers containing an elastomeric matrix, silicone oil and carbonyl iron particles were produced.

Tests were performed in order to develop improvements focused on soft robotic applications, particularly in end effectors. In this thesis, the properties of magneto-sensitive elastomers samples have been experimentally studied in the absence and presence of a magnetic field. The magnetic field was induced by a permanent magnet that was moved at different distances from the sample to change the intensity of the magnetic field. The results obtained by experiments were used to understand the influence of the magnetic field on the magneto-sensitive elastomer and to obtain a suitable material model using finite element method.

Los elastómeros magneto-sensibles son materiales compuestos hechos principalmente de una matriz de elastómero, en la que se dispersan las partículas magnéticas. Un campo magnético aplicado en los elastómeros magneto-sensibles logra cambios en las propiedades de este material. Esta cualidad convierte los elastómeros magneto-sensibles en una opción con alto potencial en aplicaciones de robótica blanda. En la presente tesis, se fabricaron muestras de elastómeros magneto-sensibles que contenían una matriz elastomérica, aceite de silicona y partículas de hierro carbonilo.

Se realizaron pruebas para desarrollar mejoras enfocadas en aplicaciones de robótica blanda, particularmente en efectores finales. En esta tesis, las propiedades de las muestras de elastómeros magneto-sensibles han sido estudiadas experimentalmente en ausencia y presencia de un campo magnético. El campo magnético fue inducido por un imán permanente que se movió a diferentes distancias de la muestra para cambiar la intensidad de este campo magnético. Los resultados obtenidos por experimentos se utilizaron para comprender la influencia del campo magnético en el elastómero magneto sensible y para obtener un modelo de material adecuado utilizando el método de elementos finitos.