Ziel des Technologiebereichs Simulationswerkzeuge ist es, die vielfältigen für den simulationsbasierten Entwurf optimierter adaptronischer Systeme notwendigen Komponenten nachhaltig auf ein kompatibles, integrierfähiges Technologieniveau weiterzuentwickeln, sachgerecht zu verknüpfen und stufenweise in einem integrierten Entwicklungswerkzeug zu vereinen. Hierzu werden die vorhandenen Expertisen in den Bereichen Modellbildung, Simulation und simulationsbasierte Auslegung adaptronischer Systeme, Optimierung und optimale Steuerung komplexer Systeme, diskrete Optimierung, sowie im Bereich Produktdatenmanagement und disziplinübergreifende Integration im Produktentwicklungsprozess gebündelt. Die grundlagenorientierten Forschungsinhalte im Technologiebereich Simulationswerkzeuge ergeben sich unmittelbar aus den Anforderungen der Leitprojekte anhand derer die methodischen Fortschritte demonstriert, geprüft und optimiert werden.
Quelle: LBF
Die materialseitige Grundlage für adaptronische Anwendungen sind Sensor- und Aktormaterialien. Die zukünftige Entwicklung der Adaptronik hängt damit wesentlich auch davon ab, welche neuen Materialien verbesserte und angepasste Sensor- und Aktorfunktionen übernehmen können. Materialien für Sensorik und Aktorik sind ebenfalls ein wichtiger Teilbereich moderner Funktionsmaterialien, die den inhaltlichen Schwerpunkt dieses Technologiebereiches bilden. Zum einen geht es dabei um die Entwicklung neuer piezoelektrischer Materialien, die in verschiedenen Bereichen über die momentan kommerziell erhältlichen Materialien hinausgehen. Dabei ist sowohl an erweiterte Anwendungsumgebungen (z. B. hohe Temperaturen), als auch an umweltbezogene Verbesserungen (wie bleifreie Piezoelektrika) gedacht. Idealerweise bieten diese neuen Materialien auch verbesserte Leistungscharakteristika.
Quelle: TUD-DS + Internet
Adaptronische Systeme erfordern immer die sensorische Erfassung von mechanischen Größen und die aktorische Reaktion auf die gemessenen Werte. Der Technologiebereich Aktoren und Sensoren adressiert diese Problematik mit der Entwicklung speziell angepasster Sensoren und Aktoren. In den 3 Leitprojekten werden örtlich verteilte Messstellen benötigt, die Spannungs- und Schwingungszustände auf Bauteilen ermitteln. Die Aktoren sind ebenfalls örtlich verteilt. Diese Anwendungen erfordern die Entwicklung spezieller Fertigungsmethoden, die eine kostengünstige Massenfertigung ermöglichen. Neuartige Konzepte sollen eine Funktionsintegration von Mess- und Stellgrößen gewährleisten. Um allen Leitprojekten gerecht zu werden, teilt sich der Technologiebereich A&S in drei Schwerpunkte „Autarke Sensornetzwerke“, „Lautlose Stellantriebe“ und „Polymer-Schwingungstilger“ auf.
Quelle: TUD-EMK
Ziel ist es, eine übergreifende Methodik und Plattform für Regler und verteilte Sensornetze zu entwickeln, die an unterschiedliche Anforderungsprofile flexibel adaptiert werden kann. Dabei werden folgende Teilaspekte betrachtet:
· Eine übergreifende Architektur für heterogene, verteilte eingebettete Systeme bei denen die Rechenleistung flexibel an die aktuellen Anforderungen und Beschränkungen (z. B. Energie, Platz, Umgebung) angepasst werden kann. Hierdurch sollen sowohl zentrale Regel- und Steuerknoten als auch die sensornahe Datenverarbeitung abgedeckt werden. Durch Verwendung rekonfigurierbarer Recheneinheiten kann potentiell für jede Anwendung ein exakt angepasster Computer entstehen.
· Eine Methodik und ein unterstützender Software-Werkzeugfluss zur leichteren Erstellung der rekonfigurierbaren Recheneinheiten aus den in den Leitprojekten verwendeten Beschreibungssprachen (MATLAB/Simulink, C) sowie der Integration der Hardware-Recheneinheiten mit den Software-Teilen der Anwendungen.
· Eine Strategie zur Realisierung heterogener verteilter Sensor-Regelung/Steuerung-Aktor-Systeme. Hierbei ist insbesondere die Datenkommunikation an den Schnittstellen der einzelnen Komponenten zu realisieren. Diese kann von Analogelektronik direkt am Sensor selbst hinreichen bis zu verschiedenen drahtlosen und drahtgebundenen Netzwerktechniken. Durch die hier entwickelten Techniken soll sich das verteilte System durch Kombination verschiedener Komponenten, die durch portable Hardware/Software-Schnittstellen und Protokolle auf gleichartige Weise verwendbar sind, leicht zusammenstellen und an das aktuelle Anwendungsgebiet anpassen lassen.
Quelle: TUD-ESA
Regelungstechnik spielt in allen Leitprojekten eine wesentliche Rolle u.a. bei der Analyse und Nutzbarmachung der zusätzlichen Möglichkeiten adaptronischer Systeme und bei der Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Systeme an sich. Hierbei wird eine zweigleisige Vorgehensweise angestrebt:
1. Analyse und Optimierung der Systeme während der Konstruktionsphase: Durch die enge Verzahnung der verschiedenen Technologiebereiche kann schon während der Konstruktionsphase mit der Optimierung der regelungstechnischen Eigenschaften der Hardware begonnen werden (Konstruktionsparameter als Regelungsparameter).
2. Verbesserung der dynamischen Eigenschaften durch Einsatz von Reglern: Die inhärente Struktur eines adaptronischen Systems (große Anzahl an Aktoren, Verschmelzung von Ak-tor/Sensor/Strecke/Regler, örtlich verteilte Struktur) stellt dem Regelungstechniker neue Möglichkeiten zur Verfügung, das dynamische Verhalten nicht nur an die Wünsche des Anwenders anzupassen, sondern auch möglichst optimal (z. B. kostenminimal) zu realisieren.
Quelle: LBF
Es sollen Methoden zur Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen und deren Realisierung erarbeitet werden. Die Arbeit erfolgt anhand der gegebenen Strukturen aus den Leitprojekten, soll jedoch auch Grundlagen für die Übertragung auf weitere interessante Anwendungen wie Schienenverkehr, Windenergieanlagen oder Anlagenbau schaffen. Daher ist ein wichtiger Aspekt der Forschungsarbeit, Methoden mit der Aussicht auf eine möglichst einfache und robuste Lösung zu schaffen.
Thematische Schwerpunkte sind:
· Lastüberwachung, Beanspruchungsanalyse,
· Globale Schadensdetektion durch strukturdynamische Analyseverfahren,
· Lokale Schadensdetektion durch Analyse von Körperschallausbreitung,
· Zustandsüberwachung an aktiven Strukturen (Selbstdiagnosefunktion).
Für aussagekräftige Aussagen über den Zustand ist eine Integration mehrerer dieser Methoden in ein System vorzusehen. Hierzu bietet sich die Verwendung von (ggf. drahtlos) vernetzten smart sensors an, die jeweils einen Teil der Signalanalyse vornehmen. Die Festlegung von Sensoranzahl und Platzierung soll durch numerische Untersuchungen vor der eigentlichen Realisierung optimiert werden. Für grundlegende Untersuchungen werden verallgemeinerte Demonstratorstrukturen herangezogen, an denen repräsentative Schadensfälle simuliert werden.
Quelle: LBF
Zur
effizienten Gestaltung adaptronischer Systeme ist aufgrund der hohen
Komplexität eine integrierte Entwicklungsrichtlinie notwendig, die alle zur
Auslegung notwendigen Teildisziplinen vereint und umfasst numerische wie
experimentelle Methoden und Verfahren. Eine weitere zentrale Problemstellung
ergibt sich mit der Entwicklung optimal angepasster Komponenten (z. B.
Signalverarbeitung, Leistungselektronik). Hardwareseitig stellt sich hier die
Herausforderung, entsprechende Komponenten innerhalb des adaptronischen
Strukturkonzeptes zu realisieren. Im Rahmen der Forschungsarbeiten sollen
Methoden zur ganzheitlichen Entwicklung adaptronischer Systeme erarbeitet
werden, welche eine integrale Sichtweise der Teilprobleme einschließt. Diese
Arbeiten sollen zu einer allgemeinen integrierten Entwicklungsrichtlinie führen,
die eine effiziente Entwicklung adaptronischer Systeme sowie eine Bewertung
adaptronischer Strukturkonzepte erlaubt. Hierdurch sollen die Optimierung
entsprechender Eigenschaften sowie die Ableitung neuer Strukturkonzepte für
adaptronische Systeme möglich werden. Im Rahmen des Entwicklungsprozesses
sollen gezielte Systemanalysen und anschließend die Bewertung der
entsprechenden Strukturen bezüglich verschiedener, jeweils relevanter Randbedingungen
realisiert werden. Weiterhin sind Forschungsarbeiten notwendig, die zum einen
der Optimierung der mechanischen / elektromechanischen Ankoppelbedingungen und
zum anderen der optimalen Anpassung der Systemparameter zwischen mechanischer
Struktur und Aktorik/Sensorik dienen. Die Arbeiten sind entsprechend auf die
weiteren Bestandteile des adaptronischen Systems auszudehnen. Dies betrifft vor
allem die Entwicklung angepasster Leistungselektronik, Signalverarbeitung und
Regelungstechnik sowie deren Systemintegration.
Quelle: LBF
Während auf den Gebieten der Aktorik, Sensorik und Elektronik bereits die Möglichkeit existiert, Prototypen aktiver Systeme zur Produktionsreife zu bringen, ist dies bei den Strukturbauteilen, die die Komponenten des aktiven Systems aufnehmen sollen, bisher nicht gegeben. Aktive Strukturkomponenten, die darüber hinaus noch Sensoren und Elektronikkomponenten integrieren, sind bisher nur als Einzelstücke bzw. Prototypen vorhanden, deren Herstellung nicht automatisiert ist und die speziell angefertigt werden. Solche Lösungen sind für die Umsetzung selbst kleinerer Serien unwirtschaftlich und erhöhen den Preis eines aktiven Bauteils deutlich. Um aktive Struktursysteme für den Markt technisch anwendbar und finanziell attraktiv zu gestalten, sind kostengünstige Fertigungstechnologien zur Herstellung funktionsintegrierter Strukturen und Bauteile nicht nur zur Anwendung in der Serienfertigung sondern auch für den Entwicklungsprozess und für Prototypen zu entwickeln. Hierzu müssen etablierte Rapid Prototyping-Verfahren und Rapid-Manufacturing-Prozesse für kleinere Serien von Komponenten für aktive Systeme weiterentwickelt werden. Für kleinere Stückzahlen ist dabei vor allem die Integration von Sensoren/Aktoren in schichtweise erzeugte Strukturen mittels Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM) oder 3-D Printing von Bedeutung. Herausforderung ist hier insbesondere die Herstellung von Bauteilen komplexer Geometrie aus Wandlerwerkstoffen (z. B. elektroaktive Polymere oder Formgedächtnislegierungen) und/oder Materialkombinationen, die gleichzeitig den hohen mechanischen Anforderungen an aktive Systeme durch die Montage an hoch belasteten Stellen und die Betriebsbedingungen erfüllen. Idealerweise soll das Bauteil allen Anforderungen an ein Serienprodukt erfüllen können. Weiterhin ist die in-process Integration von Elektroniken, Sensoren und Aktoren, die als Halbzeuge vorliegen, während des Rapid Prototyping-Verfahrens oder Rapid-Manufacturing-Prozesses von Interesse. Diese Halbzeuge können u.a. durch Functional Printing oder Fertigungstechnologien der Mikrosystemtechnik hergestellt werden. Folgende Technologien sollen im Detail entwickelt werden:
· Integration von Wandlerwerkstoffen und Materialkombinationen in die Rapid-Prototyping-Verfahren,
· Technologien für modulare, flexible und preiswerte Fertigung kleinerer Serien aktiver Bauteile,
· Verfahren zur preiswerten Herstellung von funktionsintegrierten aktorischen und/oder sensorischen Komponenten als Halbzeuge für die weitere Verarbeitung,
· Rapid Tooling für Gieß- und Umformprozesse.
Quelle: LBF
Ziel der Forschungen im Technologiebereich Fertigung ist die technologische Entwicklung sowie die Gestaltung wirtschaftlicher Fertigungsprozesse für adaptive Systemkomponenten. Folgende Schwerpunkte werden dabei betrachtet:
· Spanende Fertigungstechnologien zur Bearbeitung miniaturisierter adaptiver Komponenten
· Bedrucken von Sensoren und Aktoren auf Blechmaterialien
· Bearbeitungsprozesse an Sensor/Aktor bedruckten Blechstrukturen
· Fertigungstechnologien für sensorintegrierte Strukturkomponenten
Ziel ist die Etablierung neuer Technologien, die künftig die effiziente, kosten- und zeitsparende Entwicklung zuverlässiger adaptronischer Systeme ermöglichen. Im Bereich der technischen Zuverlässigkeit bedeutet dies neben der Entwicklung von experimentellen und virtuellen Methoden die gezielte Erzeugung und Bereitstellung von Zuverlässigkeitsdaten verbesserter Qualität und Quantität. Im nächsten Schritt ist die Synchronisation der vorhandenen und anfallenden Daten unter Berücksichtigung von Zyklus, Reife, Version etc. ebenso das Ziel wie die Erarbeitung eines Informationsmodells, das auf föderative Daten in den Einzeldisziplinen zurückgreift. Des Weiteren sollen im Bereich der Elektronik Strategien zur Überwachung und Fehleranalyse entstehen
Quelle: InMAR
[1] S-E-Plot Applied Physics Letter 91, 112906_2007
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