Adaptronics

Adaptive systemer ( portmanteau av ADAP tive og i for elektronikk) er en tverr vitenskap som omhandler utviklingen av adaptiv (selvjuster), aktivt reagerende mekaniske struktur systemer er opptatt. I motsetning til mechatronics , at aktuatorene blir brukt i adaptronics integrert direkte i kraft strømmen og bruke elastomechanical egenskapene til de materialer som benyttes.

Betydning og historie

Adaptronics har blitt forsket i USA siden begynnelsen av 1980 -tallet under begrepet Smart Structures eller Smart Materials , først med det formål å realisere variable, dvs. tilpasningsdyktige, satellittstrukturer for SDI -prosjektet.

For eksempel ble den aktive kontrollen av formen på reflektorer eller vibrasjonene og deformasjonene til rammeverk undersøkt. Målet var å aktivt kompensere for virkningene av endrede miljøforhold på de mekaniske konstruksjonene (for eksempel den termomekaniske belastningen på lettkonstruksjonene som følge av den svært varierende solstrålingen i jordens skygge eller ved direkte bestråling eller endringene i mekaniske egenskaper til de aldrende satellittstrukturene under lange driftsperioder).

I Tyskland var fokuset på denne teknologiske tilnærmingen - opprinnelig innen grunnforskning og deretter anvendt FoU - omtrent 10 år senere. Ulike eksperter tilskriver en raskt økende rolle i moderne produkter til smarte materialesystemer og adaptronikk. På grunn av den innebygde kompleksiteten til teknologien, ville de bety at det ville være vanskeligere å kopiere produktene, og at høyteknologiske steder ville ha et konkurransefortrinn. Som et hinder for den utbredte kommersielle bruken av adaptronics, siterer spesielt seriebrukere ofte for høye kostnader for adaptronics -komponenter og de resulterende adaptronics -sluttproduktene. Imidlertid har det blitt store fremskritt her de siste årene, blant annet gjennom relatert teknologiutvikling og produkter som piezo -direkte dieselinnsprøytning nevnt nedenfor.

Multifunksjonelle grunnmaterialer

De fleste materialene som brukes i adaptronic -systemer kan brukes både som aktuatorer og sensorer . I denne forstand har disse materialene to funksjoner. Siden tanken på adaptronics innebærer direkte mekanisk intervensjon i konstruksjoner, som består av integrering av materialene i de mekaniske belastningsbaner ^{[A] en} av strukturene, blir aktuatoren og sensorfunksjoner supplert med denne tredje, mekanisk bærende funksjon. Som et resultat kalles grunnmaterialene som helst brukes i adaptronikk også multifunksjonelle.

Disse multifunksjonelle materialene kjennetegnes ved at de omdanner elektrisk , termisk eller annen energi til mekanisk energi. Følgelig kalles disse materialene også transdusermaterialer eller energiomformere, i angelsaksiske også transdusere . I adaptronikk brukes spesielt transdusermaterialene der den ikke-mekaniske energiformen (for eksempel det elektriske) kan teknisk kontrolleres eller evalueres spesielt godt.

Med visse av disse materialene kan denne energiomstillingen skje gjensidig i begge retninger. Det mest kjente og mye siterte eksemplet er piezoelektrisiteten til visse materialer. I disse fører virkningen av mekanisk trykk til et skifte av elektriske dipoler og dannelse av elektriske ladninger på elektroder festet til piezo -elementet . Den resulterende elektriske spenningen kan registreres og evalueres av sensorer. Eksempler på bruk av denne piezoelektriske effekten i hverdagen er elektriske lightere i det tekniske feltet piezoelektriske sensorer som kraft-, akselerasjons- eller belastningssensorer. Den omvendte piezoelektriske effekten, som tilsvarer en deformasjon av piezomaterialet som følge av påføring av en elektrisk spenning, brukes som en aktuator. Denne effekten brukes i akustiske generatorer som høyttaler -diskanthøyttalere, signalsendere , etc. I tillegg er et stort utvalg aktuatordesigner for generering av posisjoner og vibrasjoner tilgjengelig på det kommersielle markedet.

I tillegg til piezomaterialene er de mest vanlige materialene i adaptronikk de såkalte formminne- legeringene . Disse aktiveres vanligvis termisk, men også magnetisk i visse legeringssammensetninger. De termiske formhukommelse legeringer brukes i kirurgi for stenter , som er ment for å utvide og holde åpne blodårer, og som aktiveres av kroppsvarme. I tillegg brukes de - vanligvis i ledningsform - til kompakte, enkle aktuatorer (for eksempel Bowden -kabelprinsippet) eller til bytte, noen ganger veldig raske låsesystemer. Sistnevnte, for eksempel, er for tiden under utvikling for reversible bilulykkeaktuatorer som et supplement til kollisjonsputer - fordel: formminnematerialet kan styres reversibelt, sammenlignet med pyrotekniske kollisjonsputeaktuatorer, og kan derfor brukes gjentatte ganger og dermed for pre -crash applikasjoner.

Magnetostriktive materialer brukes også, for eksempel som aktuatorer i sonars på skip eller i adaptive vibrasjonsdempere . I tillegg brukes væsker som endrer viskositeten når elektriske ( elektrorheologiske væsker ) eller magnetfelt ( magnetorheologiske væsker ) påføres. Disse væskene brukes for eksempel i hydraulikk og i støtdempere i bilkonstruksjon eller sportsutstyr.

Funksjonsprinsipp og applikasjonseksempler

For å demonstrere det funksjonelle prinsippet om adaptronikk og for å utvikle nye prosedyrer og metoder, brukes ofte stenger med bundne piezofilmaktuatorer, også kalt piezopatcher. Her kan vibrasjonene i strålen reduseres sterkt ved egnet kontroll av piezopatchene. Overføringen til applikasjoner som hudområder i maskinbekledning, støyvernhytter, fasadeelementer som vinduer , rotorblader på helikoptre, bom i robotikk og vertikale stabilisatorer av militære fly er ganske åpenbar og en pågående del av applikasjonsrettet forskning. ^[1] Rent som en aktuator brukes dette prinsippet for piezo -bøyebjelken, for eksempel i tekstilmaskiner med stort antall og en veldig lang levetid.

Et annet typisk demonstrasjonsobjekt er et vannglass med et adaptronic -grensesnitt under, som igjen er montert på en vibrerende understruktur. Hvis aktuatorene som er innebygd i grensesnittet, er riktig kontrollert, kan vannet i glasset holdes i ro til tross for forstyrrende vibrasjoner som virker under det og grensesnittet. Dette eksemplet kan likestilles med en aktivt deformerbar skrueforbindelse. Eksempler på bruk er aktive lagre for montering av maskiner på fundamenter (f.eks. Maskiner på fabrikker eller skipsenheter som skal arbeide med lav vibrasjon og forstyrrelser), tilkobling av klemmeplater med følsomme overbygninger montert på dem i laboratoriet , lagring av sensitive optiske komponenter eller tilkoblingen på et bilchassis . Dette brukes også i utviklingen av adaptive strukturer . Diskrete aktuatorer som f.eks B. Piezo flersjikt brukt. Aktuatorer av denne typen er for tiden veldig kjent som et masseprodukt fra området piezo diesel -injeksjonsteknologi. Også her er en meget høy, påvist pålitelighet for aktuatorene av stor betydning.

Krav til adaptronic systemutvikling

I tillegg til kompetanse innen materialer, er sensor og spesielt aktuatordesign som strukturell mekanikk og for det meste strukturell dynamikk - dette for å oppnå den adaptroniske mekaniske målfunksjonen, for eksempel for aktiv kontroll av vibrasjoner, støy eller deformasjon - avgjørende for effektiv design og implementering av et slikt system, spesielt modellering og simulering av komponenter og spesielt komplekse systemer er avgjørende. Denne simuleringen må passende samle de forskjellige systemkomponentene som aktuatorer, sensorer, mekanisk struktur, elektronikk som filtrering, kontrollkode og de mekaniske miljøforholdene som påvirker dem. Metoder og verktøy fra FEM ( Finite Element Method ), MKS ( multi -body simulation ), CACE (Computer Aided Control Engineering) eller RCP ( Rapid Control Prototyping ), EDA ( Electronic Design Automation ), CAD (computer -aided design) as samt EMA (Experimental Modal Analysis ), TPA (Transfer Path Analysis, se overføringsfunksjon ), den operative vibrasjonsanalysen og mange andre. Simuleringen brukes til systemanalyse, testing og evaluering av mulige løsningskonsepter som ytelsesvurdering. Siden adaptronikken hovedsakelig tar sikte på integrering av funksjoner i de mekaniske lastbanene, er det viktig å ta tilstrekkelig hensyn til den sterke tilbakemeldingen mellom de forskjellige systemkomponentene i simuleringen. For å optimalisere innsatsen for modellering, simulering og dermed utformingen av de adaptroniske systemene - som allerede angitt ovenfor med metodene og verktøyene - er bruk av både numeriske og eksperimentelle metoder og prosedyrer for modellering tilrådelig. I tillegg er ferdighetene innen kontrollteknikk, elektronikk, kodedesign, systemintegrasjon , produksjon og behandlingsteknologi og pålitelighet av vesentlig betydning for adaptronikk.

Dette spesielt også på bakgrunn av implementeringen av et system som er spesielt optimalisert for den respektive applikasjonen. For eksempel vil en storstilt teknisk løsning, som er vanlig i bilsektoren , bli vurdert annerledes enn en spesiell løsning innen anleggsteknikk eller romfart. I tillegg til oppfyllelse av målfunksjonen og oppnåelig ytelse for et adaptronic system, vil de reproduserbare kostnadene og påliteligheten alltid være avgjørende. Bruk av kostnadskrevende, kraftig kontrollelektronikk med maksimal systemytelse og spesielle funksjoner for en avansert spesialapplikasjon vil være ønskelig hvis dette resulterer i avgjørende salgbare fordeler i sluttproduktet, men ikke kan argumenteres for et masseprodukt hos forbrukeren sektor.

Adaptronics prosjektteam består ofte av forskere og ingeniører innen maskinteknikk fra forskjellige anvendelsesområder og innen mekanikk, konstruksjon, lett konstruksjon, materialvitenskap, kontrollteknikk, elektroteknikk, datavitenskap, fysikk og matematikk.

Merknader

1. ↑ En lastbane er "banen" som kraften tar i tilfelle en påvirkning.

litteratur

• Christopher R. Fuller, et al.: Active Control of Vibration , ISBN 978-0-12-269440-0 , Academic Press, 1996
• Stephen Elliott: Signalbehandling for aktiv kontroll , ISBN 978-0-12-237085-4 , Academic Press, 2001
• André Preumont: Vibrasjonskontroll av aktive strukturer , ISBN 978-1-4020-0925-9 , Kluwer Academic Publishers, 2003
• Hartmut Janocha: Adaptronics and Smart Structures , ISBN 978-3-540-71965-6 , Springer Verlag, 2007
• Daniel J. Jendritza: Teknisk bruk av nye aktuatorer , ISBN 978-3-8169-2765-5 , expert-Verlag, 2007

weblenker

• Kompetanse nettverk adaptronics
• TransMechatronic - Spesialistportalen om mekatronikkfinansieringstiltak fra det føderale utdannings- og forskningsdepartementet

Individuelle bevis

1. ^ Johannes Michael Sinapius : Adaptronics. Prinsipper - funksjonelle materialer - funksjonelle elementer - målområder med forskningseksempler . Springer Vieweg, Braunschweig 2018, ISBN 978-3-662-55883-6 .