Adaptronik

Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

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Adaptive Schwingungsreduktion#

Ein hervorragendes Lösungspotenzial zur Schwingungsreduktion wird heute in der Implementierung adaptiver Strukturfunktionen erkannt, die eine Anpassung an wechselnde operationelle Bedingungen durch kontinuierlichen Eingriff in die strukturdynamischen Eigenschaften ermöglichen. Dazu werden Wandlerwerkstoffe in die mechanischen Lastpfade der Struktur geschaltet und deren sensorische und aktuatorische Funktionalität wird über eine Art regelungstechnische ‚Intelligenz’ verknüpft. Die prinzipiellen Ansätze der Schwingungsreduktion sind die aktive Beeinflussung der störenden oder gestörten Systeme sowie der Eingriff in die Übertragungsstrecke zwischen diesen. Prinzipiell werden nach einer Stördetektion und geeigneten Signalaufbereitung, ideal der Form der Schwingungen entsprechend, frequenz-, amplituden- und phasenangepasste Aktuatorsignale in die Struktur eingeleitet. Die aktive Beeinflussung des Systems sowie der Eingriff in die Übertragungsstrecke können eine Bedämpfung oder Entkopplung der Quelle bzw. Auslöschung der Vibrationen bewirken.

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Adaptive Lärmminderung#

Die passiven Strukturmaßnahmen der Lärmminderung konzentrieren sich auf die starke Erhöhung der strukturmechanischen Impedanz und die Strukturbedämpfung durch Ergänzung von Material. Im Gegensatz dazu basiert die adaptive Lärmminderung auf dem Prinzip, passive durch aktive, multifunktional wirkende Strukturkomponenten zu ersetzen und diese geeignet anzusteuern. Dadurch wirkt sie dem in Strukturen ausbreitenden Körperschall bzw. der Störenergieausbreitung entgegen.

Dies bedeutet, dass die störende Abstrahlung der Schallenergie durch aktive Gegenmaßnahmen im Idealfall nicht nur gemindert, sondern verhindert und auf diese Weise eine Lärmbelästigung unterbunden wird. Dieser Ansatz der aktiven Strukturbeeinflussung wird unter dem Begriff der Active Structural Acoustic Control (ASAC) zusammengefasst.

Im Gegensatz hierzu wird bei der aktiven Lärmbeeinflussung nach dem bekannten Active-Noise-Control-Prinzip (ANC), das Ziel verfolgt, primäre Schallquellen bzw. deren abgestrahlten Schall durch Überlagerung künstlich erzeugter Schallfelder und destruktive Interferenz abzuschwächen. Hierzu werden Sekundärquellen (Lautsprecher) elektronisch angesteuert.

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Aktive Formkontrolle / Sonderaktorik#

Durch die Integration und Ansteuerung geeigneter multifunktionaler Materialien in Strukturbauteile (z. B. Reflektoren) kann deren Form oder Eigenschaft aktiv kontrolliert werden. Dies erlaubt im Vergleich zu konventionellen Ansätzen eine kontinuierliche Kontrolle des elastischen Formzustands bei gleichzeitig kompakter Leichtbauweise und die Realisierung neuartiger Aktoransätze zur optimalen Erweiterung der Funktionalität.

Anwendungsbeispiel: Der aktorische Einsatz thermischer Formgedächtnislegierungen (FGL) rückt aufgrund der deutlichen Verbesserungen der Werkstoffeigenschaften immer mehr in den Fokus der anwendungsorientierten Forschung. Neben den Möglichkeiten des Einsatzes derartiger Aktoren bei Werkzeugmaschinen und im Bereich der Fahrzeugtechnik erlauben die Formgedächtnismaterialien auch medizintechnische Applikationen. Aktuell werden thermische FGL auf ihre Anwendbarkeit als Aktoren für die Exoprothetik untersucht. Das Hauptanliegen ist hierbei die Entwicklung eines sensorlosen Antriebs- und Steuerungskonzeptes zur Ergänzung vorhandener Antriebssysteme von Fremdkraftprothesen.

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Structural Health Monitoring#

Die Technologie des Structural Health Monitoring (SHM) erlaubt es, Schäden in strukturdynamischen Bauteilen und Systemen zu detektieren, während diese sich im Betrieb oder Einbauzustand befinden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren der zerstörungsfreien Bauteilprüfung werden hier in das System integrierte Aktuatoren und Sensoren verwendet, um den aktuellen Zustand der Struktur zu bewerten. Schäden verändern im Allgemeinen charakteristische Eigenschaften einer Struktur. Schadensmerkmale sind zum Beispiel Resonanzfrequenzen bestimmter Schwingungsmoden oder die Ausbreitungseigenschaften von hochfrequenten Wellen.

Diese Veränderung kann vom Health Monitoring System erkannt werden. Mithilfe geeigneter Auswertungsalgorithmen zum Beispiel auf Basis neuronaler Netze wird anschließend eine Klassifikation dieser Schadensmerkmale vorgenommen, um so den genauen Ort und die Schwere des Schadens festzustellen. Auf Basis dieser Analyse ist zum einen eine zustandsabhängige Wartung der Struktur möglich, zum anderen lässt sich hieraus auch eine Lebensdauervoraussage ableiten.

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Energy Harvesting#

Die Nutzung von Energie aus der Umwelt (Energy Harvesting) ermöglicht die Versorgung drahtloser Systeme und deren Integration in Umgebungen, wo große oder häufig zu wechselnde Batterien oder die Versorgung über Kabel keine Option darstellen. Damit ist diese Technologie ein Enabler für innovative Anwendungen für das Internet der Dinge und insbesondere der damit verbundenen drahtlosen Sensoren.

Zu den Herausforderungen bei der Umsetzung zählt erstens die geringe verfügbare Energiemenge aus den üblicherweise genutzten Quellen wie Licht, Temperaturdifferenzen oder Schwingungen. Dies erfordert bei der Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf die Energieeffizienz der elektrischen Verbraucher und eine optimale Auslegung der Generatoren.

Zweitens ist die Verfügbarkeit der Quellen je nach Anwendung extremen zeitlichen Schwankungen unterworfen. Beispiel: Solarzellen sind oft von Tageszeit, Wetter und dem Verschmutzungsgrad der Umgebung abhängig; die Schwingungswandler z.B. am Güterwagen liefern je nach Fahrzustand und Streckenbeschaffenheit unterschiedlich viel Energie; der Energieertrag von Thermogeneratoren ist abhängig von der Temperaturdifferenz, damit aber auch Luftströmung und Lichteinstrahlung. All diese Schwankungen stehen unter Umständen in Widerspruch zu den Anforderungen drahtloser Sensoren.

Unser Leistungsangebot umfasst daher zunächst die Beratung bei der Auslegung und Konzeption von Energy-Harvesting-Systemen, um die Frage nach der Wahl der geeigneten Energiequelle und der Dimensionierung der Komponenten für die konkrete Aufgabe zu klären. Natürlich unterstützen wir darüber hinaus auch bei der Neu- und Anpassungsentwicklung der Systeme, aufbauend auf der Konzeption, über die Implementierung von Prototypen, die Durchführung von Labor- und Feldtests bis zur Absicherung der Zuverlässigkeit für den Betrieb in industriellen Umgebungen.