Wo Struktursysteme verbessert werden sollen, herkömmliche Technologien aber an ihre Grenzen stoßen, kommen adaptronische, auf der Verwendung sogenannter „smart materials“ basierende Lösungen zum Einsatz. Die Ingenieure des Fraunhofer Spin-off ISYS nutzen ihr Adaptronik-Know-how, um besonders effiziente und hochpräzise Prüfsysteme auf Basis von piezokeramischen Aktoren zu realisieren.
Steigende Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften moderner Produkte führen immer häufiger dazu, dass konventionelle passive Strukturansätze an technische und wirtschaftliche Grenzen stoßen. Auch mechatronische Lösungsansätze helfen nicht immer hinreichend weiter. Die adaptive Strukturtechnologie, kurz Adaptronik, bietet weitere Optimierungschancen. Grundlage ist eine Funktionsintegration, die konventionelle mechanische Strukturen mit aktiven Werkstoffsystemen kombiniert. Diese sogenannten „smart materials“, wie etwa piezoelektrische Keramiken, magnetorheologische Fluide, Formgedächtnismetalle, elektroaktive Polymere und weitere, die hier zum Einsatz kommen, erweitern die klassischen lasttragenden und formdefinierenden Funktionen der Zielstruktur durch sensorische und aktuatorische Funktionalität. So können diese adaptronischen Strukturen ihren betrieblichen Zustand oder gar Schäden erkennen und ihre mechanischen Eigenschaften hinsichtlich des Schwingungs-, Verformungs- oder Schallabstrahlverhaltens aktiv beeinflussen. Selbst sogenannte semi-aktive Strukturbeeinflussungen, also Veränderungen mechanischer Eigenschaften ohne externe Energiezufuhr, sind möglich.
Die Adaptronik kommt häufig im Bereich der aktiven Schwingungsreduktion zum Einsatz, mit dem Ziel, die Performance von Produkten oder Maschinen zu steigern oder sie sicherer, leiser oder angenehmer zu machen. Auch bei der aktiven Kontrolle von Bauteilverformungen und in der Schadensüberwachung wird die adaptive Strukturtechnologie eingesetzt. Adaptive Strukturmaßnahmen dienen im Allgemeinen einerseits der Steigerung von Funktionalität, Lebensdauer, Komfort, Fertigungseffizienz und –qualität, andererseits der Reduktion von Beanspruchungen, Gewicht und Kosten. Als anwendungsübergreifend nutzbare Strukturtechnologie hat die Adaptronik ähnlich der Mechatronik Einsatzpotenzial in vielfältigen Bereichen wie der Fahrzeugtechnik, dem Werkzeugmaschinen- und Anlagenbau, der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt, der Optik, der Wehrtechnik wie auch der Labor- und Prüftechnik.
Neben der Dämpfung von Schwingungen ermöglicht die Integration von Funktionsmaterialien auch, dynamische Kräfte und Verformungen gezielt und präzise zu erzeugen und in Bauteile und Prüfkörper einzuleiten, wodurch sie zunehmend auch Anwendung in der Schwingungsprüftechnik findet. Die Ingenieure der ISYS Adaptive Solutions, einem Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt, realisieren, untermauert von der mehr als 70-jährigen Erfahrung des LBF in der Bewertung von Bauteilen, neuartige, kundenspezifische Lösungen mit piezobasierter Sonderprüftechnik.
Die Prüftechnologie der ISYS basiert auf piezokeramischen Materialien, die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Steuerfeldes sehr schnell und hochpräzise verformen können. Sie werden als geeignet ausgebildete Piezoaktoren anstelle von konventionellen, auf dem servohydraulischen oder elektrodynamischen Wirkprinzip beruhenden Prüfantrieben verwendet, um Prüfobjekte definiert weg- oder kraftgeregelt mechanisch zu belasten. Dabei sind auch Kombinationen von konventionellen und piezokeramischen Prüfaktoren möglich. Dadurch, dass der zugrundeliegende piezoelektrische Effekt ein Festkörpereffekt ist, sind im Gegensatz zu konventionellen Prüfaktoren weniger bewegliche und somit weniger wartungsintensive Komponenten nötig. Gleichzeitig sind hohe Stellkräfte bei geringen aktorischen Stellwegen im Sub-Millimeterbereich möglich. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen wird durch eine fallende Gerade beschrieben. Bei Auswahl und Design der piezokeramischen Prüfantriebe müssen daher besonders die technisch erforderlichen Stellwege piezokeramischer Aktorik bei den Planungen prüftechnischer Aufgabenstellungen berücksichtigt werden. Hier gilt es mitunter, Stellwegvergrößerungsmechanismen oder hybride Antriebssysteme umzusetzen.
Die hohe elektromechanische Ansteuergenauigkeit der piezokeramischen Aktoren wird unter anderem für die hochpräzise, ausgezeichnet reproduzierbare mechanische Prüfung von Kleinstbauteilen eingesetzt, welche die Basis für die Bewertung der technischen Zuverlässigkeit, beispielsweise in der Mikrotechnik, darstellt.
Die hochdynamische Reaktion der Piezokeramiken auf eine elektrische Ansteuerung ermöglicht mit entsprechenden Prüfaktoren neben der hohen Präzision sehr hohe Prüffrequenzen. Aktuell werden Prüfstände auf Basis piezokeramischer Aktoren für Prüffrequenzen von mehreren hundert Hertz entwickelt, wodurch die Möglichkeiten anderer prüftechnischer Systeme hervorragend ergänzt werden. Eine wesentliche Reduzierung der Prüfzeiten bietet Einsparpotenzial bei Material- und Bauteilprüfungen und kann einen wertvollen Beitrag dazu leisten, wenn Unternehmen aufgrund verkürzter Produktentwicklungs- und Technologielebenszyklen und gleichzeitig steigender Komplexität der Produkte noch schneller reagieren müssen. Nicht zuletzt lässt sich durch die hohen Prüffrequenzen auch das Materialverhalten bei sehr viel größeren Belastungszyklenzahlen untersuchen, als bei konventionellen Prüfsystemen. Somit werden Aussagen zu Materialeigenschaften im „Very-High-Cycle-Fatigue-Bereich“ greifbar. Ein Bereich, für dessen sichere Erschließung Experten aus Forschung und Industrie neue prüftechnische Lösungen benötigen. Die hysteresebedingte Eigenerwärmung der Piezokeramiken im dynamischen Betrieb kann durch geeignete, zum Beispiel konstruktive Maßnahmen, beherrscht werden. Hier arbeitet ISYS auch an neuen Konzepten für das thermische Management.
Die piezokeramische Prüfaktorik ermöglicht außerdem die Charakterisierung von Materialien und Bauteilen in einem erweiterten Frequenzspektrum. Diese Daten können beispielsweise genutzt werden, um die Kennwerte von Elastomerlagern bis in den vibroakustischen Bereich zu ermitteln, welche eine frühzeitige Abschätzung und Verbesserung der NVH-Eigenschaften von Fahrzeugen zulassen. In diesem Anwendungsfall werden die Piezoaktoren so angesteuert, dass der Prüfling beginnend von einer statischen Belastung bis in den erhöhten Frequenzbereich dynamisch beansprucht wird.
ISYS Adaptive Solutions, Darmstadt www.adaptive-solutions.de
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