6.–7. April 2016
Maschinenhaus, Darmstadt
www.4smarts.inventum.de
1
Grußwort
Sehr geehrte Damen und Herren,
herzlich willkommen zum ersten Symposium für Smarte Strukturen und Systeme – 4SMARTS in
Darmstadt!
Im Fokus der beiden Konferenztage, 6. und 7. April 2016, steht das interdisziplinäre Themenfeld der
aktiven, intelligenten und adaptiven – kurz: s­ marten – Strukturen und Systeme. Ausgehend vom
Material über die Auslegung von Bauteilen und die Integration von Funktionen bis hin zur Zuverlässigkeit
komplexer Systeme umfasst das Symposium alle relevanten Technologiefelder. Neben den klassischen
Anwendungen der aktiven Schwingungs-, Schall- und Gestaltkontrolle werden zahlreiche weitere Anwendungen, u. a. Structural Health Monitoring (SHM) oder Energy Harvesting adressiert.
Innovation durch fokussierte Vernetzung von Forschung und Anwendung – 4SMARTS schafft den Rahmen für einen intensiven Austausch in den Bereichen Mechatronik und Adaptronik und ist Keimzelle für
Kooperationen und Innovationen im Themenfeld der smarten Strukturen und Systeme.
Wir freuen uns, dass Sie dabei sind und hoffen, Sie können die beiden folgenden Tage zum intensiven,
interdisziplinären Ideen- und Wissensaustausch nutzen!
Prägen Sie die 4SMARTS von Beginn an mit!
Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF
2
Prof. Dr.-Ing. Martin Wiedemann
Deutsches Zentrum für
Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
3
Inhalt
Allgemeine Informationen
Grußwort3
Tagungsort
Maschinenhaus der
Technischen Universität
Darmstadt
Magdalenenstraße 12
64289 Darmstadt
Inhalt4
Allgemeine Informationen
5
Mitglieder des Programmbeirates
6
Themenschwerpunkte des Symposiums
7
Programmübersicht 8
Vortragsprogramm10
Abstracts der Vorträge
17
Autoren- und Teilnehmerverzeichnis
48
Ausstellerprofile50
Aktuelles aus dem Kompetenznetz Adaptronik
53
Tagungsleitung
Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz
Fraunhofer-Institut für
Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
Prof. Dr.-Ing. Martin
­Wiedemann
Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Tagungsgebühren
≤ 30 Jahre
Mitglied*
250 EUR
DGM-Basis-Mitglied **280 EUR
Nicht-Mitglied
320 EUR
Tagungsgebühren
> 30 Jahre
Mitglied*
550 EUR
DGM-Basis-Mitglied** 580 EUR
Nicht-Mitglied
610 EUR
Industrie
Mitglied*
690 EUR
DGM-Basis-Mitglied** 720 EUR
Nicht-Mitglied
750 EUR
Bitte melden Sie sich über die
Tagungshomepage an:
www.4smarts.inventum.de
Tagungshomepage
www.4smarts.inventum.de
Tagungsorganisation
INVENTUM GmbH
Postfach 20 07 14
D - 53137 Bonn
T +49 (151) 2122 7448
[email protected]
* Die Gebühr gilt für Mitglieder
der Deutschen Gesellschaft für
Materialkunde (DGM) und für
Mitglieder des Kompetenznetzes Adaptronik e.V..
Geselliger Abend
Im Anschluß an das Vortragsprogramm treffen sich die
Teilnehmer im Fraunhofer-­
Institut für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF
zum kommunikativen
Austausch in entspannter
Atmosphäre.
Ab 17:30 steht ein Bustransfer
zur Verfügung.
Tagungsband
Die Manuskripte der Vorträge
erscheinen als zitierfähige
Buchbeiträge in einem
Tagungsband.
Hotelreservierung
Hotels in verschiedenen
Preiskategorien sind in der
Darmstädter Innenstadt unter
dem Stichwort „4SMARTS“
reserviert.
Informationen zu den Hotelkontingenten finden Sie auf der
Tagungshomepage.
** Den DGM-Basis-Mitgliedsrabatt erhalten Sie, wenn Sie
in den letzten 12 Monaten an
einer DGM-­Tagung teilgenommen haben.
Die Tagungsgebühr beinhaltet
die Tagungsunterlagen, die Mittagsverpflegung, die
Kaffeepausen und den geselligen Abend.
4
5
Programmbeirat
Dr.-Ing. Martin Aenis
Mecatronix AG, Darmstadt
Prof. Dr.-Ing. Horst Baier
Technische Universität München
Prof. Dr.-Ing. Thilo Bein
LOEWE-Zentrum AdRIA, Darmstadt
Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und
Umformtechnik IWU, Dresden
Dr. phil. nat. Ursula Eul
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Dr.-Ing. Hans-Jürgen Karkosch
ContiTech Vibration Control GmbH,
Hannover
Prof. Dr.-Ing. Rolf Lammering
Helmut-Schmidt-Universität, Universität der
Bundeswehr Hamburg
Dipl.-Ing. Stefan Linke
Invent GmbH, Braunschweig
Dr.-Ing. Dirk Mayer
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
6
Themenschwerpunkte
Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Möhring
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Prof. Dr.-Ing. Hans Peter Monner
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
e.V. (DLR), Braunschweig
Dipl.-Ing. Dr. Manfred Nader
LCM Linz Center of Mechatronics GmbH, Linz (AT)
Dipl.-Ing. Klaus Osterhage
Adam Opel AG, Rüsselsheim
Prof. Dr.-Ing. Stephan Rinderknecht
Technische Universität Darmstadt
Technologiefelder
• Aktive und semi-aktive Systeme
• Neue Materialien und Strukturen (smarte Materialien, Metamaterials,
Biomimetik, selbstheilende Systeme)
• Neue Sensorik / Aktorik
• Modellierung, Simulation und Optimierung smarter Strukturen und Systeme
• Funktionsintegration
• Energy Harvesting
• Systemintegration Validierung und Test
• Zuverlässigkeit smarter Systeme
Anwendung
• Aktive Schwingungsbeeinflussung
• Aktive Gestaltkontrolle / Morphing
• Structural Health Monitoring
• Haptische Systeme
• Mechatronische Prüfstände
• Mechatronische / adaptronische Sonderanwendungen
Dr. rer. nat. Andreas Schönecker
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS, Dresden
Prof. Dr.-Ing. Stefan Seelecke
Universität des Saarlandes, Saarbrücken
Prof. Dr.-Ing. Michael Sinapius
Technische Universität Braunschweig
Prof. Dr.-Ing. Martin Wiedemann
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
e.V. (DLR), Braunschweig
7
Programmübersicht
Mittwoch, 6. April 2016
Donnerstag, 7. April 2016
08:00
Registrierung
08:00
Registrierung
09:00
Eröffnung
09:00
Keynote: P. Wölfel
09:20
Keynote: R. Schirmacher
09:40
Chairs
Aktive Schwingungsbeeinflussung
T. Bein; H.-C. Möhring
10:00
Chairs
Aktive und semi-aktive Systeme
K. Osterhage; S. Rinderknecht
10:40
Kaffeepause und Posterdiskussion
10:40
Kaffeepause und Posterdiskussion
11:20
11:20
Fortsetzung:
Aktive und semi-aktive Systeme
Fortsetzung:
Aktive Schwingungsbeeinflussung
12:00
Mittagessen in der Otto-Bernd-Halle der TU Darmstadt
13:30
Keynote: T. Gries
14:10
Posterprämierung
14:20
Chairs
Neue Materialien und Strukturen
A. Schönecker; P. Wierach
15:00
Kaffeepause und Posterdiskussion
15:30
Fortsetzung:
Neue Materialien und Strukturen
16:30
Schlusswort
Funktionsintegration
O. Heintze; P. Jänker
Fortsetzung:
Funktionsintegration
12:00
Mittagessen in der Otto-Bernd-Halle der TU Darmstadt
13:30
Keynote: P. Ermanni
14:10
Chairs
Posterpräsentation
J. Bös
14:50
Chairs
Aktive Gestaltkontrolle / Morphing
W.-G. Drossel; H. Baier
15:30
Kaffeepause und Posterdiskussion
16:00
Fortsetzung:
Aktive Gestaltkontrolle / Morphing
17:00
Ende der Vortragsveranstaltungen
17:30
Gemeinsamer Bustransfer zum Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
18:00
Geselliger Abend im Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
8
Neue Sensorik / Aktorik
U. Eul, H.-P. Monner
Fortsetzung:
Neue Sensorik / Aktorik
Structural Health Monitoring
M. Wiedemann; M. Sinapius
Fortsetzung:
Structural Health Monitoring
Modellierung, Simulation und
Optimierung smarter Strukturen und
Systeme
M. Nader; D. Mayer
Fortsetzung:
Modellierung, Simulation und
Optimierung smarter Strukturen und
Systeme
Stand: 01.04.2016
9
Programm Mittwoch (08:00 - 12:00)
Programm Mittwoch (ab 13:30)
ab 08:00
Registrierung
13:30
09:00
Eröffnung
T. Melz, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF,
Darmstadt
Keynotevortrag
Adaptive Strukturen: Effizient, funktional, machbar?
P. Ermanni, ETH Zürich (CH)
Raum
Auditorium
Session
Postersession
09:20
Keynotevortrag
ANC im Automobil - praktische Erfahrungen und Industrialisierungsaspekte
R. Schirmacher, Müller-BBM Active Sound Technology GmbH, Planegg
Raum
Auditorium
Seminarraum
Session
Aktive und semi-aktive Systeme
(Abstracts ab Seite: 19)
Funktionsintegration
(Abstracts ab Seite: 30)
Chair
K. Osterhage, Adam Opel AG,
Rüsselsheim
S. Rinderknecht, Technische Universität
Darmstadt
O. Heintze, Invent GmbH, Braunschweig
P. Jänker, Airbus Group Innovations,
Ottobrunn
Neuartiger Schwingförderer
D. Reischl (V), M. Zellhofer, G. Zenz,
A. Humer, Linz Center of Mechatronics
GmbH (AT)
Integration von Mikro- und Nanosystemen in Hybride Strukturen
M. Schüller (V), Fraunhofer-Institut für
Elektronische Nanosysteme ENAS,
Chemnitz; J. Tröltzsch, T. Geßner,
L. Groll, Technische Universität Chemnitz
Adaptronische Bestimmung von
aerodynamischen Lasten an Außenspiegeln von Fahrzeugen
B.T. Kletz (V), Technische Universität
Braunschweig; J. Melcher, Deutsches
Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.,
Braunschweig
Aktive faserverstärkte Thermoplastverbunde mit materialhomogen
integrierten Piezokeramikmodulen –
ein Ausblick
A. Winkler (V), N. Modler,
M. Dannemann, E. Starke, K. Holeczek,
Technische Universität Dresden
10:00
10:20
10:40
Kaffeepause mit Posterdiskussion
11:20
Hybrider magnetorheologischer
Dämpfer
M. Jackel (V), J. Kloepfer, M. Matthias,
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Vibration damping of a composite
control arm through embedded
piezoceramic patches shunted with a
negative capacitance
R. Salloum (V), P. Töws, S. Schmidt,
D. Mayer, D. Spancken, A. Büter, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Entwicklung eines aktiven Lärm- und
Vibrationsreduktionssystems für
einen Rumpfabschnitt einer Dornier
728
T. Haase (V), O. Unruh,
S. Algermissen, M. Pohl, H.P. Monner,
Deutsches Zentrum für Luft- und
Raumfahrt e.V. (DLR), Braunschweig
Designte Sensorfunktionalität im
Automobilleichtbau mittels Faserverbundkunststoff (eine Systembetrachtung)
L. Klein (V), Robert Bosch GmbH/
Universität Stuttgart, Malsheim;
P. Middendorf, Universität Stuttgart
11:40
12:00
10
Mittagessen in der Otto-Bernd-Halle der TU Darmstadt
(Abstracts ab Seite: 22)
Chair
J. Bös, Technische Universität Darmstadt
14:10
Characterization of self-propagating exothermic reaction in bimetallic Zr/Al
reactive multilayer nanofoil
S. Sen (V), P. Schaaf, Technische Universität Ilmenau; M. Babaei, M. Lake, Hochschule
Niederrhein, Krefeld
Wet-spinning of 2D-composite fibres with polyvinyl alcohol: current status and
prospective applications
B. Glauß (V), B. Weise, J. Mroszczok, S. Schriever, T. Rudolph, A. Walther, G. Seide,
T. Gries, RWTH Aachen; D. Auhl, Maastricht University (NL)
Konzeption und Herstellung von kunststoffbasierten Mikrotastern
T. Florian (V), G. Ziegmann, Technische Universität Clausthal, Clausthal-Zellerfeld;
A. Dietzel, Technische Universität Braunschweig
High Performance Polyurethan-Elastomere zur Vibrationsdämpfung
T. Mönster (V), S. Pargen, D. Larink, O. Zaudtke, I. Nee, ROSEN Group, Lingen
Modellierung des elektrischen Widerstands von Formgedächtnislegierungen –
Self-sensing für die Zustandsüberwachung von aktiven Hybridverbunden
S. Nissle (V), M. Hübler, M. Gurka, Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Kaiserslautern
Beschreibung und Bewertung von Unsicherheit in der frühen Entwicklungsphase eines Balkens unter Einfluss von passiven und aktiven Maßnahmen zur
Knick-Stabilisierung
S. Mallapur (V), C. Melzer, T. Freund, T. Melz, Technische Universität Darmstadt;
R. Platz, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF,
Darmstadt
Methodische Entwicklung eines Schlauchquetschventils auf Basis von Formgedächtnislegierungen
A. Czechowicz (V), Y. Zwinscher, Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik, Remscheid
Entwurf von dielektrischen Elastomer-Stapelwandlern mit applikationsgerechten Integrationsschnittstellen
T. Hoffstadt (V), J. Maas, Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Lemgo
Beeinflussung von Längsschwingungen durch ein semi- aktives magnetorheologisches System im Fahrwerk von Personenkraftwagen
S. Türke (V), D. Schramm, Universität Duisburg-Essen; T. Weigelt, Porsche AG,
Weissach
11
Programm Mittwoch (14:50 - 18:00)
Raum
Auditorium
Seminarraum
Session
Aktive Gestaltkontrolle / Morphing
(Abstracts ab Seite: 27)
Neue Sensorik / Aktorik
(Abstracts ab Seite: 33)
Chair
W.-G. Drossel, Fraunhofer-Institut für
Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
IWU, Dresden
H. Baier, Technische Universität München
U. Eul, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF,
Darmstadt
H.-P. Monner, Deutsches Zentrum für
Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR),
Braunschweig
14:50
Pressure-actuated cellular structures:
design and evaluation
B. Gramüller (V), C. Hühne, Deutsches
Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
(DLR), Braunschweig
Functionalisation of PVDF-based
sensor filaments
B. Glauß (V), G. Seide, T. Gries, RWTH
Aachen
15:10
Eine adaptronische Zelle zum Aufbau
intelligenter Strukturen
M. Pieber (V), J. Gerstmayr, Universität
Innsbruck (AT)
Flip-Chip montierbarer Mikro-Drucksensor zum Einsatz in harscher
Umgebung
M. Schwerter (V), M. Leester-Schädel,
A. Dietzel, Technische Universität
Braunschweig
15:30
Kaffeepause mit Posterdiskussion
16:00
Funktionsintegration in formvariablen Strukturen am Beispiel einer
Flügelvorderkante
M. Kintscher (V), H.P. Monner,
M. Wiedemann, Deutsches Zentrum für
Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR),
Braunschweig
Self-Sensing Control of a Bi-Stable
Dielectric Elastomer Actuator Operating Against a Load
P. Motzki (V), G. Rizzello, A. York,
S. Seelecke, Universität des Saarlandes,
Saarbrücken; D. Naso, Politecnico di Bari
(IT)
16:20
Ein Entwurfsprozess für formvariable
Strukturen mit Beispielen aus der
Luft- und Raumfahrt
L. da Rocha-Schmidt (V), H. Baier,
L. Datashvili, Technische Universität
München, Garching
Anwendung von Formgedächtnislegierungen in einem Ringspannwerkzeug in der Montagetechnik
A. Czechowicz (V), F. Hoffmann, Zentrum
für angewandte Formgedächtnistechnik,
Remscheid
16:40
Active vortex generator deployed on
demand by size independent actuation of shape memory alloy wire
integrated fiber reinforced polymers
M. Hübler (V), S. Nissle, M. Gurka,
U. Breuer, Institut für Verbundwerkstoffe
GmbH, Kaiserslautern; J. Wassenaar, DG
Flugzeugbau GmbH, Bruchsal
Piezokeramische Multilayer-Aktoren
für den hochfrequenten Betrieb
R. Block (V), P. Pertsch, B. Broich,
J. Pogodzik, S. Hasler, K. Speer,
PI Ceramic GmbH, Lederhose
17:30
Bustransfer zum Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
12
Programm Mittwoch (ab 18:00)
18:00
Geselliger Abend im Transferzentrum Adaptronik des
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Anschrift:
Jaupstraße
Straßenbahnhaltestelle: Institutszentrum
64289 Darmstadt
Informationen zur Anreise und zum Parken finden Sie auf der
Homepage des Symposiums: www.4smarts.inventum.de/Veranstaltungsort
13
Programm Donnerstag (09:00 - 11:40)
09:00
Keynotevortrag
Aktive Systeme zur Schwingungs- und Schallminderung - der (lange) Weg von
der Idee zur industriellen Serienanwendung
P. Wölfel, Wölfel Beratende Ingenieure GmbH & Co. KG, Höchberg
Raum
Auditorium
Seminarraum
Session
Aktive Schwingungsbeeinflussung
(Abstracts ab Seite: 36)
Structural Health Monitoring und
Energy Harvesting
(Abstracts ab Seite: 42)
Chair
T. Bein, LOEWE-Zentrum AdRIA,
Darmstadt;
H.-C. Möhring, Otto-von-GuerickeUniversität Magdeburg
R. Lammering, Helmut-SchmidtUniversität / Universität der Bundeswehr
Hamburg
M. Sinapius, Technische Universität
Braunschweig
09:40
10:00
10:20
Aktive Schwingungskompensation
bei der Bearbeitung dünnwandiger
Bauteile
H.-C. Möhring (V), C. Lerez,
Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg
Systementwicklung zur Strukturüberwachung mit geführten Wellen
L. Schubert (V), B. Weihnacht, U. Lieske,
B. Frankenstein, S. Gebhardt,
P. Neumeister, H. Neubert, FraunhoferInstitut für Keramische Technologien und
Systeme IKTS, Dresden
Power consumption and performance
limit estimation of Smart Actuators
for Active Vibration Control
G. Lapiccirella (V), T. Jungblut, Fraunhofer
Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt;
J. Rohlfing, Technische Universität
Darmstadt
Robuste, berührungslose Bauteilprüfung: eine Perspektive für Maschinelles Lernen
A. Winkler (V), P. Kostka, M. Dannemann,
Technische Universität Dresden
Piezobasierte Zusatzachsen für hybride Bearbeitungsverfahren
A. Bucht (V), K. Pagel, M. Ullrich,
H. Kunze, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
IWU, Dresden;
W.-G. Drossel, Fraunhofer-Institut für
Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
IWU, Chemnitz
Zustandsüberwachung mit energieautarken Sensoren am Beispiel der
Intralogistik und des Schienengüterverkehrs
M. Koch (V), Fraunhofer-Institut für
Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
10:40
Kaffeepause und Posterdiskussion
11:20
Development of a Piezoelectric
Inertial Vibration Absorber
J. Steinmetz (V), M. Sinapius, Technische
Universität Braunschweig; K. Takagi,
I. Jikuya, T. Ikegame, Nagoya University
(JP)
14
Zur Entwicklung eines Structural
Health Monitoring Systems zur automatisierten Festigkeitskontrolle von
Steuerflächen von Zivilflugzeugen
M. Schagerl (V), S. Gschoßmann,
N. Kama, Y. Zhao, Institut für Konstruktiven Leichtbau, Christian Doppler
Laboratory for Structural Strength Control
of Lightweight Constructions, Johannes
Kepler Universität Linz (AT)
Programm Donnerstag (11:40 - 15:50)
11:40
Methodisches Vorgehen zur Auslegung des vibro-akustischen Verhaltens eines Fahrzeugs
C. Tamm (V) J. Thiel, H. Atzrodt, H. Buff,
S. Herold, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF,
Darmstadt
Energy Harvesting auf Basis piezoelektrischer AlN- und AlScN -Dünnschichten
D. Hecker (V), S. Barth, H. Bartzsch,
D. Glöß, P. Frach, Fraunhofer-Institut für
Elektronenstrahl- und Plasmatechnik,
Dresden
12:00
Mittagessen in der Otto-Bernd-Halle der TU Darmstadt
13:30
Keynotevortrag
Holistic approach towards the development of smart textile products - material
development, production technologies and services
T. Gries, RWTH Aachen
14:10
Posterprämierung
Raum
Auditorium
Seminarraum
Session
Neue Materialien und Strukturen
(Abstracts ab Seite: 39)
Modellierung, Simulation und
Optimierung smarter Strukturen und
Systeme
(Abstracts ab Seite: 44)
Chair
A. Schönecker, Fraunhofer-Institut für
Keramische Technologien und Systeme
IKTS, Dresden
P. Wierach, Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt e.V. (DLR), Braunschweig
M. Nader, LCM Linz Center of
Mechatronics GmbH, Linz (AT)
D. Mayer, Fraunhofer-Institut für
Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
14:20
Soft Condensed Matter Sensors for
Shape Sensing of Adaptive Structures
F. Clemens (V), M. Melnykowycz, S. Tutu,
Eidgenössische Materialprüfungs- und
Forschungsanstalt, Dübendorf (CH)
Anwendung stochstischer Simulationstechniken an smarten Systemen
mit reduziertem Simulationsaufwand
S. Li (V), T. Melz, Technischen Universität
Darmstadt
14:40
Maßgeschneiderte Kompositwandler
auf Basis piezokeramischer Fasern
und Perlen
K. Hohlfeld (V), TU Dresden; S. Gebhardt,
A. Michaelis, Fraunhofer-Institut für
Keramische Technologien und Systeme
IKTS, Dresden
Effiziente Validierung stochastischer
Sensitivitätsanalysen an smarten
Systemen
S. Ochs (V), Technische Universität
Darmstadt; T. Melz, Fraunhofer-Institut
für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
15:00
Kaffeepause und Posterdiskussion
15:30
Integration von Faser Bragg Gitter
Sensoren (FBGS) in thermoplastische
Laminate
M. John (V), T. Jacob, Fraunhofer-Institut
für Werkstoffmechanik, Halle;
K.-H. Haase, Hottinger Baldwin
Messtechnik GmbH, Darmstadt
Simulation von Antriebssystemen mit
Festkörperaktoren durch Netzwerkmodelle
H. Neubert (V), F. Ehle, P. Neumeister,
Fraunhofer-Institut für Keramische
Technologien und Systeme IKTS, Dresden
15
Programm Donnerstag (15:50 - 16:30)
15:50
Development of a hydraulic valve
driven by SMA wires
P. Motzki (V), S. Nalbach, ZeMA - Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH, Saarbrücken;
A. York, S. Seelecke, Lehrstuhl für
Intelligente Materialsysteme, Universität
des Saarlandes, Saarbrücken
Electrical Power-Hardware-In-The-Loop simulation for the early validation
of power amplifiers used in Active
Vibration Control
J. Millitzer (V), C. Ranisch, J. Kloepfer,
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
16:10
Entwicklung von haptischen Informationselementen zur Unterstützung
älterer Menschen
A. Czechowicz (V), F. Zobel, Zentrum für
angewandte Formgedätchtnistechnik,
Remscheid; L. Bucher, Bergische
Universität Wuppertal
Mehrgrößenregelung des Car-in-theLoop-Prüfstands
R. Fietzek (V), S. Foulard, S. Rinderknecht,
Technische Universität Darmstadt
16:30
Schlusswort
M. Wiedemann, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Braunschweig
6.–7. April 2016
Maschinenhaus, Darmstadt
Abstracts
Mittwoch, 6. April 2016 - Vorträge: Auditorium
Session: Aktive und semi-aktive Systeme
19
Postersession22
Session: Aktive Gestaltungskontrolle/Morphing
27
Mittwoch, 6. April 2016 - Vorträge: Seminarraum
Session: Funktionsintegration30
Session: Neue Sensorik / Aktorik33
Donnerstag, 7. April 2016 - Vorträge: Auditorium
Session: Aktive Schwingungsbeeinflussung
36
Session: Neue Materialien und Strukturen39
Donnerstag, 7. April 2016 - Vorträge: Seminarraum
Session: Structural Health Monitoring und Energy Harvesting42
Session: Modellierung, Simulation und Optimierung smarter Strukturen und System44
16
17
Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Auditorium
Uhrzeit
Keynotevortrag
09:20
ANC im Automobil - praktische Erfahrungen und Industrialisierungsaspekte
R. Schirmacher, Müller-BBM Active Sound Technology GmbH, Planegg
Aktive Geräuschminderung – ANC – ist heute eine breit akzeptierte und in Serienfahrzeugen eingesetzte Technologie zur Minderung des Motorengeräusches im Fahrzeug.
Neben den nahezu allgegenwärtigen Kopfhörern mit aktiver Geräuschminderung stellt
diese Anwendung den vielleicht breitesten kommerziellen Einsatz aktiver Technologien
dar. Inhaltlich ist sie mit der aktiven Schwingungsbeeinflussung eng verwandt, dabei
durch die verschwindenden Scherspannungen im Fluid Luft theoretisch und durch elektrodynamische Lautsprecher als bewährte und leistungsfähige Aktoren auch praktisch
einfacher als Schwingungs- und Körperschallbeeinflussungen.
Dennoch lagen über 20 Jahre zwischen den ersten erfolgreichen universitären Versuchsfahrzeugen und den Fahrzeug-Serienanläufen in Deutschland.
Wesentliche Aspekte, die diesen Einsatz heute möglich machen, gehen von weichen
Faktoren wie einer zunehmenden Offenheit gegenüber mechatronischen Systemen und
dem Vertrauensaufbau über langjährige Erfahrung bei allen Beteiligten über technologiespezifische Entwicklungsthemen wie einer Fokussierung auf die Robustheit der
Syteme und Technologien bis zu allgemeinen industriellen Entwicklungen wie Systemkostensenkungen durch die fortschreitende Funktionsintegration bei Halbleitern und
die bus-basierte Vernetzung im Fahrzeug.
Heute sind Standard-Tuner-SoCs für Autoradios in der Lage, „nebenbei“ die Active
Noise Control – Funktion für das Fahrzeug mit umzusetzen, die Systeme und ihre Abstimmung sind prozesssicher in die Fahrzeuge planbar, die gesamte Systemabstimmung
erfolgt über den Fahrzeug-Diagnosestecker und die Systemstabilität für alle Fahrbedingungen und Fahrzeugzuständie ist nicht nur offline simulierbar, sondern garantiert.
Unverändert sind allerdings die physikalischen Grundlagen der Technologie und die
damit verbundenen Beschränkungen ihrer Anwendbarkeit. Diese gilt es, auch künftig
klar im Blick zu behalten, um unnötige Enttäuschungen und den damit verbundenen
Vertraunensverlust in Aktive Technologien zu vermeiden.
Uhrzeit
Aktive und semi-aktive Systeme
10:00
Neuartiger Schwingförderer
D. Reischl (V), M. Zellhofer, G. Zenz, A. Humer, Linz Center of Mechatronics GmbH
(AT)
Schwingfördersysteme werden in der industriellen Prozesstechnik zum Transport
von Stück- und Schüttgut (Partikel, kleine Normteile, etc.) eingesetzt. Eine mögliche
Funktionsweise von Schwingförderern beruht auf dem Prinzip des Mikrowurfs des zu
fördernden Mediums. Dafür ist eine periodische Wurfbewegung der Fördereinrichtung
nötig. Im Gegensatz zu Unwucht- oder magnetisch erregten Systemen werden im
vorgeschlagenen Konzept piezoelektrische Flächenwandler verwendet. Typischerweise
werden mechanische Fördereinrichtungen zur Maximierung der Schwingamplituden
in Resonanz betrieben. Das vorgestellte Förderkonzept basiert auf einer optimierten
Schwingungstrajektorie. Es ermöglicht eine leichtere Bauweise und einen Ressourcen
schonenden Betrieb, im Vergleich zu bestehenden Systemen. Mit der MKS-Simulationsumgebung HOTINT wird der Schwingförderer sowie die Interaktion mit dem
zu fördernden Medium simuliert. Es werden die Effizienz des Fördersystems und die
Grenzen des Anwendungsbereichs untersucht. Unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus werden, für eine ausgewählte Anwendung, optimale Betriebspunkte und
Konfigurationen ermittelt. Numerische und experimentelle Ergebnisse werden abschließend diskutiert.
18
19
Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Auditorium
10:20
Adaptronische Bestimmung von aerodynamischen Lasten an Außenspiegeln
von Fahrzeugen
B.T. Kletz (V), Technische Universität Braunschweig; J. Melcher, Deutsches Zentrum für
Luft- und Raumfahrt e.V., Braunschweig
11:40
Die Erforschung aktiver Lärm- und Vibrationsreduktionssysteme ist Gegenstand
zahlreicher Studien seit mehreren Jahrzehnten. Aktive Systeme bieten einen leichtbaukonformen Ansatz zur Lärm- und Vibrationsreduktion, z.B. für Flugzeugstrukturen und
erlauben multifunktionale Konzepte. Bisherige Forschungsarbeiten haben die Effektivität an Balken- oder Plattenstrukturen gezeigt, indem z.B. die Aktuatoren und Sensoren
aktiver Systeme optimiert wurden. Die Störanregung der Strukturen, welche untersucht
wurden, reichen von Punktkrafterregungen bis zu turbulenten Grenzschichtanregungen, jedoch sind komplexe Anregungen ebenfalls nur an Plattenstrukturen untersucht
worden.
In der hier gezeigten Studie soll die Entwicklung eines aktiven Lärm- und Vibrationsreduktionssystems an einem Rumpfsegment einer Dornier 728 vorgestellt werden. Dabei
wurde mit Hilfe eines Lautsprecherarrays eine komplexe Druckanregung eines gegenläufigen, offenen Rotors auf den Rumpf aufgeprägt. Die resultierenden Vibrationen des
Rumpfes erzeugen Lärm im Innenraum. Die Studie beschäftigt sich insbesondere mit
der Optimierung der Sensorik und Aktuatorik des aktiven Vibrationsreduktionssystems
und soll aufzeigen, welches Potential eine Optimierung an unter den beschriebenen
Bedingungen bietet.
Durch die Optimierung der Sensorik mit einem experimentell identifizierten Modell
konnte im Vergleich zur konventionell platzierten Sensorik eine deutliche Reduktion der
Schallabstrahlung von mehr als 3 dB gemessen werden.
An vielen Fahrzeugen kommt es zu Vibrationen von Innen- und Außenspiegeln. Ursache dieser Vibrationen sind vibrierende Fahrzeugkarosserien, bei Außenspiegeln aber
auch aerodynamische Kräfte, die direkt auf das Spiegelglas wirken. Die Kenntnis dieser
Anregungen ist Voraussetzung, um Außenspiegel optimal auslegen zu können.
Mit konventionellen Methoden ist gerade die Messung der aerodynamisch wirkenden
Lasten herausfordernd, weil das Spiegelgehäuse bei der Fahrt durch verschiedenartige
Anregungen vibriert. Um aus der Bewegung eines Spiegels auf die wirkenden aerodynamischen Kräfte rückzuschließen, werden bislang kostenintensive Windkanalversuche
an stehenden Fahrzeugen durchgeführt.
In diesem Artikel wird ein neues Messsystem vorgestellt, mit dem die Separation von
karosseriebedingten Schwingungen und aerodynamischen Anregungen möglich wird.
Aufwendige Windkanalversuche können so drastisch minimiert werden.
Der Aufbau des adaptronischen Systems und dessen experimentelle Validierung werden in diesem Artikel detailliert vorgestellt.
11:20
Hybrider magnetorheologischer Dämpfer
M. Jackel (V), J. Kloepfer, M. Matthias, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Im Rahmen der “Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität – FSEM II” wurde eine
luftgekühlte elektrifizierte Achse aufgebaut. Sie besteht aus einem luftgekühlten
Radnabenmotor, einem luftgekühltem Umrichter und einem kühlluftoptimierten Rad.
Außerdem wurde zur Minimierung des Einflusses der nun erhöhten reifengefederten
Masse ein adaptiver Stoßdämpfer auf Basis einer magnetorheologischen Flüssigkeit
(MRF) entwickelt.
Seit einigen Jahren werden MRF-Dämpfer in verschiedenen Fahrzeugklassen als Sonderausstattung angeboten. Bei ihnen kann über die Stärke eines Magnetfelds, das von
einer Spule erzeugt wird, die Dämpferhärte variiert werden.
Für den Einsatz in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug wurde am Fraunhofer LBF
ein besonders energieeffizienter MRF-Dämpfer entwickelt. Dazu werden in dem Fluidspalt zwei Magnetkreise überlagert, die sich entweder verstärken oder abschwächen
können. Ein Magnetfeld wird von einer Spule generiert und das zweite von einem in
seiner Position verschiebbaren Permanentmagneten. Hierbei ist der große Vorteil, dass
nur für das Verschieben das Permanentmagneten Energie benötigt wird und nicht für
die Erzeugung des Magnetfelds.
In der Anwendung im Fahrzeug können so notwendige langsame Anpassungen der
Dämpferhärte durch Verstellung des Permanentmagneten mit schnellen Anpassungen
durch Änderung des Spulenstroms überlagert werden.
In dem Paper werden neben dem Prinzip und Design des Dämpfers auch Ergebnisse
von Tests auf einem Prüfstand dargestellt.
20
Entwicklung eines aktiven Lärm- und Vibrationsreduktionssystems für einen
Rumpfabschnitt einer Dornier 728
T. Haase (V), O. Unruh, S. Algermissen, M. Pohl, H.P. Monner, Deutsches Zentrum für
Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Braunschweig
Uhrzeit
Keynotevortrag
13:30
Adaptive Strukturen: Effizient, funktional, machbar?
P. Ermanni, ETH Zürich (CH)
Der Vortrag befasst sich mit intelligenten Strukturen und Produkten. Strukturelle und
funktionelle Anforderungen an neue Produkte steigen stetig. Dieser Trend führt mehr
und mehr zu Strukturen mit multifunktionalen Eigen-­schaften. Verglichen mit konventionellen isotropen Werkstoffen weisen Composite Werkstoffe diesbezüglich grundlegende Vorteile auf, weil durch den Schichtenaufbau bzw. durch die unterschiedlichen
Faserrichtungen in den einzelnen Schichten die Endeigenschaften des FV-­Werkstoffes
in einem sehr grossen Bereich variiert und optimiert werden können. Die Leistung und
Funktionalität dieser Strukturen können durch die Integration von adaptiven
Werkstoffen mit aktuatorischen und sensorischen Fähigkeiten weiter erhöht werden.
Aktive Struktu-­ren haben die Fähigkeit, sich an die Umgebung und an veränderte
Betriebszustände bzw. Randbedingungen anzupassen und sie beruhen auf intelligente Elemente, die mit der elastischen Struktur über geeignete Regel-­kreise optimal
interagieren. Typische Anwendungsfelder umfassen die Beruhigung von strukturellen
Schwin-­gungen, die aktive Lärmreduktion bis hin zur Formveränderung zur optimalen
Anpassung an einem vorgegebe­nen Betriebszustand.
21
Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Auditorium
14:10
Postersession
P-01
Characterization of self-propagating exothermic reaction in bimetallic Zr/Al
reactive multilayer nanofoil
S. Sen (V), P. Schaaf, Technische Universität Ilmenau; M. Babaei, M. Lake, Hochschule
Niederrhein, Krefeld
As a quantified and quick heat source, reactive multilayer nanofoils (RMF) open up a lot
of opportunities in the advanced joining technology. Nowadays, in many new applications of
microelectronic packaging or dissimilar joining of sensitive polymers, organic substances, ceramics or metal demand specific requirements of reactive multilayer foils. RMF
shows the potentiality and ensures the joining without exposing components to high
temperature flows and structural distortions.
The spinning trials show that design and configuration of the spinneret dies and a
homoge-nous temperature distribution along the coagulation bath are crucial steps
in the fabrication process. At the current state, the resulting multi-filaments are stuck
together with inhomoge-neous fibre diameter. Machine modification and development
has to be performed in the next time in order to continuously fabricate bio-mimetic
fibres with enhanced mechanical proper-ties.
P-03
Zunehmende Miniaturisierung für die Mikro- und Nanotechnik stellt immer höhere
Anforderungen an die dimensionelle Messtechnik. Koordinatenmessgeräte (KMG) sind
wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung der Fertigungsprozesse, z. B. im Automobilbau, Maschinenbau oder in der Luft- und Raumfahrttechnik.
Häufig handelt es sich bei KMGs um taktil arbeitende Messgeräte. Die zum Einsatz
kommenden Taster ermöglichen eine kraft- oder auslenkungsgeregelte Positionserfassung. Die Taster zur Erfassung von Mikrostrukturen werden Mikrotaster genannt. Ein
Mikrotaster besteht aus einem Kraftsensor und einem meist vertikal ausgerichteten
Taststift.
Am IMT wurde ein so genannter „Bosstaster“ – ein monolithischer dreidimensionaler
Mikrotaster auf der Basis der Silizium-Technologie –entwickelt und gefertigt.
Das bisherige Taststift-System zeichnet sich durch eine sehr hohen Fertigungsaufwand
aus, da die Stifte einzeln im Funkenerodierverfahren gefertigt werden. Anschließen
folgen zwei Fügeschritte: zum einen zum eigentlichen Tastelement (Rubinkugel Ø
300µm), zum anderen zur Messmembran. Durch den Einsatz des Kunststoffverarbeitungsverfahrens Mikrospritzguss kann eine wirtschaftlichere Fertigung mit einer deutlichen Zunahme der Gestaltungsfreiheit der Taststifte realisiert werden.
Neben der Materialentwicklung, sowie der Charakterisierung liegt ein Fokus auf dem
Werkzeugkonzept, welches eine präzise Fertigung ermöglicht. Ferner wird die Funktionsfähigkeit des Systems nachgewiesen.
In this work, the Zr/Al bimetallic reactive multilayer nanofoils have been produced by
Magnetron Sputter Ion Plating (MSIP) method by arranging the cathode of 99.99 %
pure Zirconium and Aluminium by an alternating manner in DC powered PVD machine
of CC 800/8 HI. Thermodynamic simulation (ThermoCalc) and differential scanning
calorimetry (DSC) have been used to characterize the reaction heat flow. In addition,
Atomic Force Microscope (AFM) and Scanning Electronic Microscope (SEM) were used
to investigate the as-deposited and reacted nanofoils. The self-propagating reactions
of Zr/Al nanofoils were introduced by electric impulse and the reaction speed was
measured by using a high speed camera. The experimental results suggest that, the
exothermic reaction properties have influenced by the periodic features and morphology of the Zr/Al nanofoils. This work also shows the certain considerations of synthesis
roots development for large scale production.
P-02
Wet-spinning of 2D-composite fibres with polyvinyl alcohol: current status and
prospective applications
B. Glauß (V), B. Weise, J. Mroszczok, S. Schriever, T. Rudolph, A. Walther, G. Seide,
T. Gries, RWTH Aachen; D. Auhl, Maastricht University (NL)
The modification of polymers by addition of two-dimensional nano-materials for the
fabrica-tion of high-performance fibre-composite materials has attracted tremendous
interests of international research groups in the last years. Especially nano-clays and
graphene are well-promising candidates for the realization of nano-modified fibres
with extraordinary mechanical or electrical properties. Possible fields of applications are
bio-inspired fibre materials by which simultaneously exhibit a high stiffness and tensile
strength, electrically high-conductive fibres and fibre-based electrodes for supercapacitors.
At ITA, lab-scale wet-spinning experiments with polyvinyl alcohol (PVA), modified with
nano-clay materials or graphene, are performed. In a first step, a spinning dope of
polyvinyl alco-hole (MW = 146 – 186 kDa, 99% hydrolysed; 363146 Aldrich) and nano-clays (NTS and Su-mecton, Topy Industries Ltd.) in water with a PVA/NC mass fraction of 12.5 wt% is prepared via solution mixing. Similar experiments are performed
with graphene (AD-GNP10, 10 mg/ml dispersion, Applied Graphene Materials Ltd.) As
coagulation bath, a supersaturated sodium sulphate (acetone in case of graphene) solution is chosen. For coagulation, a temperature of 80 °C in the coagulation bath is adjusted. The resulting multi-filaments are washed in a water bath and manually wound
onto bobbins. Analysis of the filaments is performed via tensile tests and scanning
electron microscopy imaging for determination of the mechanical proper-ties and the
orientation of the nano-material inside the fibre. Electrical conductivity measure-ments
are performed by use of a four-point DC probe.
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Konzeption und Herstellung von kunststoffbasierten Mikrotastern
T. Florian (V), G. Ziegmann,Technische Universität Clausthal, Clausthal-Zellerfeld;
A. Dietzel, Technische Universität Braunschweig
P-04
High Performance Polyurethan-Elastomere zur Vibrationsdämpfung
S. Pargen (V), D. Larink, T. Mönster, O. Zaudtke, I. Nee, ROSEN Group, Lingen
In der Industrie treten in vielen Bereichen Schwingungen/Vibrationen auf, die sowohl
zu einer Lärmbelästigung als auch zu einer Beschädigung von Bauteilen oder zu deren
höheren Verschleiß führen. In Abhängigkeit von der Anwendung werden Schwingungsisolatoren oder Vibrationsdämpfer eingesetzt. Schwingungsisolatoren, wie z.B.
Gummi, haben eine hohe Elastizität und verhindern eine Ausbreitung der Schwingungen. Vibrationsdämpfer hingegen sind in der Lage Schwingungen zu absorbieren und
wandeln diese intern in Wärmeenergie um. Unter dynamischer Belastung, wie z.B.
Schwingungen, zeigen Elastomere ein komplexes Dämpfungsverhalten. Neben der
Temperaturabhängigkeit ist die Materialdämpfung auch frequenzabhängig, weshalb
es kein ideales Dämpfungsmaterial gibt, welches für jede Anwendung geeignet ist. Mit
ihren viskoelastischen Eigenschaften und der Möglichkeit der gezielten Modifikation
sind Polyurethanelastomere ideal, um als Dämpfungsmaterial eingesetzt werden zu
können. Um auf verschiedene Anforderungen immer das passende Materialien zur
Schwingungsdämpfung anbieten zu können, wurde eine Reihe von neuen Polyurethanelastomeren mit sehr guter Dämpfung und einem Verlustfaktor tan  von ca.
1.0 für verschiedene Temperatur- und Frequenzkombinationen entwickelt. Weiterhin
wurden Elastomere mit guter Dämpfung über einen breiten Temperaturbereich für z.B.
Outdoor Anwendungen entwickelt.
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Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Auditorium
P-29
Modellierung des elektrischen Widerstands von Formgedächtnislegierungen –
Self-sensing für die Zustandsüberwachung von aktiven Hybridverbunden
S. Nissle (V), M. Hübler, M. Gurka, Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Kaiserslautern
Aktive Hybridverbunde aus Faserkunststoffverbunden (FKV) und Formgedächtnislegierungen (FGL) besitzen ein hohes Einsparungspotential bezüglich Gewicht, Bauraum und
Kosten gegenüber heute üblicherweise eingesetzten Standardanwendungen, die aus
separater Struktur und Aktor bestehen. Zudem ermöglichen solche aktiven Hybridstrukturen neue Funktionen, wie z.B. verformbare Winglets, die mit bisherigen Systemen
nicht umsetzbar sind. Aber natürlich gibt es auch noch einige Punkte, für die Lösungen
benötigt werden. Zum Beispiel ist eine genaue Temperaturüberwachung der FGL-Drähte essentiell um zum einen die gewünschte Verformung zu erreichen aber zum
anderen die FGL nicht zu überhitzen. Eine direkte Temperaturmessung ist allerdings
bei komplexen Bauteilen schwierig. Auch die Verformung der Struktur, die von der
Drahttemperatur, der Steifigkeit des Bauteils sowie äußeren Lasten abhängt, ist nicht
ohne weiteres messbar. Eine Möglichkeit zur Zustandsüberwachung bietet das spezielle
elektrische Widerstandsverhalten von FGL. Während der Phasenumwandlung, die für
die Aktuierung essentiell ist, sinkt der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur. Dieses Verhalten lässt sich gut für die Zustandsüberwachung nutzen, vor allem da
die Messung des elektrischen Widerstands durch die üblicherweise für die Aktivierung
eingesetzte Joulsche Erwärmung einfach umsetzbar ist. In diesem Beitrag wird gezeigt,
wie auf Basis eines theoretischen Modells und von Versuchsdaten ein Last-unabhängiges Regelungskonzept für FGL-FKV-Hybridbauteile aussehen kann.
P-43
Beschreibung und Bewertung von Unsicherheit in der frühen Entwicklungsphase eines Balkens unter Einfluss von passiven und aktiven Maßnahmen zur
Knick-Stabilisierung
S. Mallapur (V), C. Melzer, T. Freund, T. Melz, Technische Universität Darmstadt;
R. Platz, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF,
Darmstadt
Die Hauptmerkmale eines lasttragenden Systems wie beispielsweise Tragwerke und
Rahmenstrukturen sind Lastverteilung, Schwingungskontrolle und Strukturstabilität.
Über aktive Maßnahmen durch Einsatz von Wandlerwerkstoffen, den Smart Materials,
können die Hauptmerkmale in ihrer Funktionsfähigkeit verbessert werden. Unsicherheit
während des Lebenslaufs aus Entwicklung, Herstellung und Nutzung des lasttragenden
Systems tritt in den genannten Hauptmerkmalen auf. Das Ziel dieses Beitrags ist es,
Unsicherheit in der Definition der speziellen Anforderungen eines aktiven lasttragenden
Systems in der frühen Entwicklungsphase zu beschreiben und zu bewerten. Typische
Anforderungen sind die geometrischen, dynamischen sowie materialtechnischen Randbedingungen, die erfüllt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Verfahren
vorgestellt, welches geeignet ist, Unsicherheit während der Definition der Anforderungen zu beschreiben und zu bewerten. Als Methoden zur Beschreibung und Bewertung
kommen beispielsweise Info-Gap-Analyse und UMEA (Uncertainty Mode and Effects
Analysis) in Betracht.
24
P-48
Methodische Entwicklung eines Schlauchquetschventils auf Basis von Formgedächtnislegierungen
A. Czechowicz (V), Y. Zwinscher, Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik,
Remscheid
In der Medizintechnik werden häufig Schlauchquetschventile auf Basis von Elektromagneten verwendet. Die Funktion scheint simpel: Ist der Elektromagnet aktiv, so
quetscht er einen Schlauch zusammen, wodurch kein Medium mehr durch den
Schlauch fließen kann.
Die Funktion wurde durch die Anwendung der Methodik VDI 2248 (Formgedächtnistechnik) und durch die Forschungsarbeiten des Projektes hyproFGA mittels eines
Formgedächtnisdrahtes erfolgreich abgebildet. Das FGT-Schlauchquetschventil wurde in
der vierten Iteration als längliche Komponente aufgebaut, die über einen Schiebermechanismus eine Quetschung des Fluidschlauches realisieren kann. Inhalte der Präsentation sind die methodische Auslegung nach VDI 2248 des Schlauchquetschventils sowie
dessen konstruktive Optimierung und Laborerprobung hinsichtlich der Anwendbarkeit.
P-51
Entwurf von dielektrischen Elastomer-Stapelwandlern mit applikationsgerechten Integrationsschnittstellen
T. Hoffstadt (V), J. Maas, Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Lemgo
Dielektrische Elastomere (DE), die eine Unterklasse elektroaktiver Polymere (EAP) bilden,
stellen formveränderliche Kondensatoren dar, die aufgrund ihrer elektromechanischen
Eigenschaften als Generatoren, Sensoren oder energieeffiziente Aktoren eingesetzt
werden können. Im Fall DE-basierter Aktoren werden insbesondere Multilayer-Topologien verwendet, um die erzeugte Kraft und Verformung zu skalieren. Ein Beispiel
für eine solche Topologie ist der DE-Stapelwandler, bei dem eine Vielzahl einzelner
aktiver DE-Filme aufeinander geschichtet wird. Ein solcher Wandler, der vorrangig aus
aktivem Material besteht, ist aufgrund seiner hohen Energiedichte besonders vorteilhaft
und kann somit erfolgsversprechend in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt
werden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung komprimiert sich der Stapelwandler und erzeugt Zugkräfte, die übertragen werden können, sofern der Stapelwandlerentwurf eine entsprechende Anbindung vorsieht. Im Rahmen dieses Beitrages
wird – ausgehend vom zugrundeliegenden Aufbau eines Stapelwandlers und dessen
automatisierter Herstellung aus als Halbzeug vorliegenden Elastomerfolien – die gezielte applikationsspezifische Auslegung der Wandler im Vordergrund stehen. Dies umfasst
zum einen die Dimensionierung des DE-Materials, zum anderen müssen je nach
Anwendung Schnittstellen im Wandleraufbau vorgesehen werden, die eine Integration
des Stapelwandler in der jeweiligen Anwendung ermöglichen. So müssen beispielsweise zwei mechanische Anbindungen an der Ober- und Unterseite vorgesehen werden,
damit der Wandler Zugkräfte übertragen kann, während höchsten eine Anbindung
erforderlich ist, falls der Wandler nur gegen Druckkräfte arbeitet. Da die Anbindungen
die Aktuation teilweise stark beeinflussen können, müssen sie beim Entwurf besonders
berücksichtigt werden. Somit werden DE-Stapelwandler mit unterschiedlichen Integrationsschnittstellen vorgestellt und verglichen. Die unterschiedlichen Ansätze werden
zunächst mithilfe einer FE-Analyse bezüglich ihrer Geometrie optimiert, mit dem Fertigungsprozess realisiert, anschließend anhand ihrer Kraft-Streckungscharakteristiken
experimentell validiert und abschließend Vor- und Nachteile herausgestellt.
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Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Auditorium
P-52
Beeinflussung von Längsschwingungen durch ein semi- aktives magnetorheologisches System im Fahrwerk von Personenkraftwagen
S. Türke (V), D. Schramm, Universität Duisburg-Essen; T. Weigelt, Porsche AG,
Weissach
Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Auditorium
Session
Aktive Gestaltkontrolle / Morphing
14:50
Pressure-actuated cellular structures: design and evaluation
B. Gramüller (V), C. Hühne, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR),
Braunschweig
Der Spagat zwischen Sportlichkeit auf der einen und Fahrkomfort auf der anderen
Seite macht es notwendig passive Fahrwerkkomponenten mit großem Aufwand zu
einem Kompromiss zwischen Dynamik und Komfort abzustimmen. Speziell im Bereich
Fahrkomfort wurden in den letzten Jahrzehnten passive Systeme entwickelt die eine
hohe Isolation zwischen Karosserie und Fahrwerk generieren. Aufgrund ihrer technischen Funktionsweise besitzen derartige System funktionsbedingte Nachteile, die in
Kauf genommen werden müssen. Als Beispiel sind hydraulisch dämpfende Lager zu
nennen. Diese besitzen je nach Auslegung in einem definierten Frequenzbereich hochdämpfende Eigenschaften. Aufgrund ihrer Funktionsweise unterliegen sie jedoch einem
Steifigkeitsanstieg um den Faktor zwei bis drei mit durchschreiten Ihres Dämpfungsmaximums bei steigender Anregungsfrequenz. Diese Eigenschaften sind in verschiedenen
komfortrelevanten Zuständen des Fahrzeugs unerwünscht.
Der daraus entstehende Zielkonflikt kann ausschließlich durch aktiv geartete Systeme
gelöst werden, die durch Veränderung ihrer Eigenschaften, auftretende Schwingungen
im Fahrzeug positiv beeinflussen. In dem Sie zielgerichtet die Fahrbahn sensieren und
dabei verschiedene Arten von Fahrmanövern frühzeitig erkennen und darauf Einfluss
nehmen.
Die Untersuchung beschreibt den aktuellen Stand der Technik und veranschaulicht
Herausforderungen, die ein aktives System leisten muss um die Spreizung zwischen
Fahrdynamik und Fahrkomfort zu steigern. Dabei wird herausgestellt mit welchem
Ansatz dem Zielkonflikt zwischen Fahrdynamik auf der einen und Fahrkomfort auf der
anderen Seite durch aktiv geartete Lager entgegnet werden kann. Es wird eine Lösung
vorgestellt die ausreichend Potenzial generiert um den Längsfahrkomfort eines Fahrzeugs zu erhöhen. Dabei wird auf Fragestellungen wie Systemdynamik, Kraftaufbau,
Strombedarf und Vorausschau für ein derartiges System näher eingegangen.
A biologically inspired concept is investigated that can be utilized to develop energy
efficient, lightweight and applicational flexible adaptive structures. Building a real-life morphing unit is a challenging task as the numerous works in the particular field
show. At the exemplary application of a shape-variable airfoil the design methods are
presented. An experimental demonstrator is manufactured and tested in order to verify
the dimensioning process.
Similar to the motion of nastic plants the actuation of pressure-actuated cellular
structures (PACS) is based on the controlled volumetric expansion of pressurized cells.
The advantages of fluidic actuators compared to other drive systems are the higher
specific stresses and strains as well as a high resolution of motion what predestinates
it for aeronautical applications. A form-finding algorithm is developed, which allows
determining the shape of PACS such that it deforms according to predefined form
functions. The presented work yields an integral process chain, which enables to completely dimension PACS from the applicational boundaries including external forces,
over the form-finding process and the computation of a two-dimensional cross-sectional shape up to the derivation of the three-dimensional design for manufacturing.
The implementation of a reliable concept for pressurizing the cells is an essential issue.
Due to applicational conditions like the variability of the cross sectional geometry, high
pressure-induced axial forces and the demand for low in-plane stiffness, the number of
possible solutions off-the-shelf vanishes. A novel concept for shape-variable sealings,
which solves these issues, is found and integrated in the design process.
In order to evaluate the implemented dimensioning process, a fully functional double
row PACS segment is manufactured. The fields of application are manifold and reach
from the aeronautical utilization for flaps, for the gapless droop-nose or even for shape-variable airfoils over adaptive wind turbine flaps up to the automotive sector with
adjustable seats and spoilers.
15:10
Eine adaptronische Zelle zum Aufbau intelligenter Strukturen
M. Pieber (V), J. Gerstmayr, Universität Innsbruck (AT)
In der vorliegenden Arbeit wird eine adaptive zellulare Grundstruktur mit integriertem
Mikrocontroller vorgestellt, welche den Aufbau beliebiger topologischer Strukturen
erlaubt, und sowohl eine Deformation als auch eine Topologieänderung ermöglicht.
Bisherige intelligente Materialien und Strukturen können nur begrenzt ihre Größe bzw.
Gestalt verändern und besitzen keine Intelligenz im Sinne einer integrierten Recheneinheit. Zellbasierte tetraedische Roboter wie Odin und Tetrobot können ihre Gestalt
verändern, müssen aber von Hand assembliert werden. Selbstassemblierende Roboter
wie M-Blocks hingegen können nur eine sehr eingeschränkte, lineare Gestalt annehmen. Wir präsentieren eine neue adaptronische Zelle, die die Vorteile von adaptiven
zellularen Robotern, intelligenten Materialien und tetraedischen Strukturen vereint, und
die bisherigen Einschränkungen weitestgehend beseitigt. Diese bestehen aus adaptiven
zellularen Grundelementen, welche einen Mikrocontroller und Aktuatoren zur Gestaltsänderung besitzen. Sie können mit Nachbarelementen kommunizieren und Energie
übertragen. Durch die allgemeine Gestaltsänderung des Grundelements, ist es möglich
die Gestalt der Gesamtstruktur nahezu beliebig zu verändern. Die einzelnen Grundelemente können sich untereinander verbinden und sich zu einer größeren Struktur aufbauen. In der Arbeit wird der Mechanismus und die Konstruktion des Grundelements
vorgestellt und der mechatronische Aufbau anhand eines Prototyps gezeigt.
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27
Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Auditorium
16:00
Funktionsintegration in formvariablen Strukturen am Beispiel einer Flügelvorderkante
M. Kintscher (V), H.P. Monner, M. Wiedemann, Deutsches Zentrum für Luft- und
Raumfahrt e.V. (DLR), Braunschweig
Für die Ermöglichung laminarer Umströmung spielen die Hochauftriebssysteme an der
Vorderkante des Flügels eine zentrale Rolle. Eine Realisierung bei Einsatz von konventionellen Vorflügel (‚Slats‘) ist aufgrund der notwendigen hohen Oberflächenqualitäten
nicht möglich. Daher werden alternative Hochauftriebskonzepte entwickelt die wie
z.B. die Krügerklappe laminare Bereiche auf dem Flügel ermöglichen. Darüber hinaus erforscht das DLR den Einsatz einer ‚Smart Droop Nose‘. Diese Technologie der
formvariablen Strukturen nutzt die Elastizität der Struktur, so dass eine Formänderung
der Vorderkante durch einen inneren Mechanismus möglich wird. Neben der leichtbaugerechten Ausführung müssen zur industriellen Anwendung allerdings Anforderungen
erfüllt werden, wie sie auch für konventionelle Systeme gelten. Dies sind z.B. Anforderungen bezüglich
• Erosionsschutz
• Anti-/De-Icing
• Blitzschutz
• Vogelschlag
Die Integration dieser Technologien in formvariable Strukturen stellt eine große Herausforderung dar und ist Voraussetzung für eine Anwendung der Technologie in zukünftigen Flugzeugkonzepten. In der Veröffentlichung werden Ergebnisse vorgestellt,
die im Rahmen des europäischen Projekts SARISTU erarbeitet wurden. Insbesondere
Zusammenhänge und Einflüsse der einzelnen zu integrierenden Technologien auf den
Entwurf der Bauweise werden diskutiert.
16:20
28
Ein Entwurfsprozess für formvariable Strukturen mit Beispielen aus der Luftund Raumfahrt
L. da Rocha-Schmidt (V), H. Baier, L. Datashvili, Technische Universität München,
Garching
Morphing Aerospace structures have to adapt their shape according to different
mission scenarios in order to improve efficiency in most if not all of such operational
scenarios. So during operation different shapes have to be generated which provide
proper interaction with their varying environment, e.g. with the flow field of aircraft
or with the electro-magnetic field for space antenna reflectors. An inherent challenge
for this is to obtain a proper balance between sufficient mechanical flexibility for ease
of morphing on the one side and on the other side on high load carrying capability for
aircraft components or high morphed shape accuracy for space antenna reflectors. So
far only a small number of practical demonstration cases have been established, which
calls for further investigations in that area.
For such design tasks, a structured multi-step approach ranging from system considerations down to the design of flexible morphing skins and their interaction with adjacent
structures and morphing actuation mechanisms is established and demonstrated.
This approach will be discussed for different cases of morphing aerospace structures,
namely
• Wing leading and trailing edges for aircraft, and especially for a (scaled model of
an) unmanned aerial vehicle (UAV) in order to improve aerodynamic and flight
control behavior and to reduce radar visibility
• A morphing nacelle and especially its air inlet of commercial aircraft propulsion
systems in order to improve homogeneity of the airflow in front of the fan or of
the first compressor blades
• A space antenna reflector which adapts or morphs its shape in orbit with high
spatial frequency in order to adapt to changing mission requirements once the
satellite is in orbit
Simulation and test results show the validity of the approach and the benefit of morphing structures. Brief references will be also made to possible analogies in biology.
16:40
Active vortex generator deployed on demand by size independent actuation of
shape memory alloy wire integrated fiber reinforced polymers
M. Hübler (V), S. Nissle, M. Gurka, U. Breuer, Institut für Verbundwerkstoffe GmbH,
Kaiserslautern; J. Wassenaar, DG Flugzeugbau GmbH, Bruchsal
High performance airfoils show minimum drag and maximum lift, but tend to suddenly stall due to flow separation at low air speed. This requires an increased approach
speed, resulting in less steep approaches and a higher noise exposure of the surroundings. Traditionally, this problem is solved with vortex generators which prevent
flow separation by energizing the boundary layer of air flow. These traditional vortex
generators substantially reduce the efficiency, causing a permanently increased drag
over the whole flight cycle. New active vortex generators, deployed only on demand at
low speed, can help to overcome this contradiction. Active hybrid structures, combining
the actuation of shape memory alloys (SMA) with fiber reinforced polymers (FRP) on
the materials level, provide an actuation principle with high lightweight potential and
small space requirements. Being one of the first applications of active hybrid structures
from SMA and FRP, these active vortex generators help to demonstrate the advantages of this new technology. The advantages, such as reduced space and weight, of
integrated SMA wires in FRP in contrast to separated actuator-structure combinations,
will be clarified. The design and experimental results of active vortex generators will
be presented based on design tools and unique manufacturing approaches for these
active hybrid structures. For the design an application-oriented SMA actuation model
is implemented in the Finite Element Method (FEM) and supplied with experimentally
determined parameter of the SMA material. The manufacturing approach is in charge
of a sufficient load transfer between SMA and FRP and the applied process temperatures need to pay respect to the temperature sensitive behavior of the SMA element
during manufacturing.
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Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Seminarraum
Session
Funktionsintegration
10:00
Integration von Mikro- und Nanosystemen in Hybride Strukturen
M. Schüller (V), Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS,
Chemnitz; J. Tröltzsch, T. Geßner, L. Groll, Technische Universität Chemnitz
Die Integration von mikroelektronischen Bauelementen in Hybridstrukturen ermöglicht die Funktionalisierung durch Sensoren, Aktoren und Elektronik und somit eine
weitere Leistungssteigerung und Erhöhung der Funktionsdichte hybrider Bauteile und
Halbzeuge. Um eine zuverlässige Integration zusätzlicher Funktionen zu erreichen, sind
Verfahren für die Gestaltung und Integration neuartiger Sensor- und Aktorelemente
in Leichtbaustrukturen notwendig. Derzeit noch getrennte Fertigungsprozesse bei der
Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffgruppen, wie etwa Metalle oder Kunststoffe
bzw. bei der Einbindung aktiver Komponenten wie Sensoren und Aktoren, müssen
durch Fusion und Verkettung zu durchgängigen großseriennahen Technologien zur
Herstellung von Hochleistungsstrukturen zusammengeführt werden. Eine derartige
Technologiefusion zeichnet sich durch erhebliche Energie- und Materialeinsparungen
und durch eine Erhöhung der Funktionsdichte aus. Bei Leichtbaustrukturen ist zudem
per Definition ein reduzierter Materialeinsatz gegeben, was bei mobilen Anwendungen eine Verbrauchs- und CO2-Reduzierung zur Folge hat. Das Hauptanliegen des
Exzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen“ ist die
Verschmelzung von großserientauglichen Basistechnologien zur ressourceneffizienten
Herstellung von Leichtbaustrukturen hoher Leistungs- und Funktionsdichte. Aufgrund
zunehmender Nutzung von faser- und textilverstärkten Bauteilen für die Reduzierung
des Energieverbrauches in mobilen Anwendungen ist die Überwachung dieser Leichtbaustrukturen von zunehmender Bedeutung. Die Integration von Mikro- und Nanosystemen in hybride Strukturen zielt darauf ab, die Funktionsdichte von Bauteilen und
Halbzeugen zu erhöhen, indem aktorischen und sensorischen Eigenschaften hinzugefügt werden. Dafür wird eine Kombination aus In-situ- und Inlineverfahren genutzt,
die das Spritzgießverfahren mit funktionalisierten Kunststoffschichten für elektrische
Kontaktierung und Massendruckverfahren beinhaltet. Darüber hinaus erfordert die Integration von Sensoren, Aktoren und Elektronik in anwendungsspezifische Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) neuartige Verbindungs-, Befestigungs- sowie Gehäusetechnik. Die
beinhaltet auch die Steigerung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Signalund Energieübertragung zu Sensoren und Aktoren in Hybridstrukturen. Die Forschungstätigkeiten berücksichtigen alle Aspekte solcher funktionalisierter Leichtbaustrukturen
und –systeme, einschließlich des Anlagenaufbaus, der Technologieentwicklung für die
Integration von Sensoren und Aktoren, Energieversorgung und Kommunikation sowie
die Untersuchung der Zuverlässigkeit. Diese Entwicklungen werden im vorliegenden
Beitrag vorgestellt und diskutiert.
30
10:20
Aktive faserverstärkte Thermoplastverbunde mit materialhomogen integrierten Piezokeramikmodulen – ein Ausblick
A. Winkler (V), N. Modler, M. Dannemann, E. Starke, K. Holeczek, Technische
Universität Dresden
Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften weisen faserverstärkte Kunststoffe (FVK) ein hohes Leichtbaupotenzial auf. Mit dem Einsatz
derartiger Werkstoffe kann z. B. im Luftfahrt- oder Automobilsektor eine Senkung des
Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen erreicht werden. Darüber hinaus bieten
einige FVK die Möglichkeit Sensoren, Aktoren sowie elektronischen Schaltungen in den
Lagenaufbau und somit direkt im Herstellungsprozess der Leichtbaukomponenten zu
integrieren. Neben der Tragfunktion weisen derartige Bauteile zusätzliche Funktionen
auf, wie z. B. Zustandsüberwachung, Structural health monitoring oder aktive Eigenschaftsänderungen. Ein Hindernis für die industrielle bzw. groß-serienfähige Anwendung derartiger Bauteile besteht in den meist manuellen und somit sehr zeit- und
kostenaufwändigen Herstellungsverfahren für die Piezokeramikmodule und die damit
funktionali¬sierten Struktruren. In diesem Zusammenhang zeigt die Anwendung von
thermoplastischen Träger- und Matrixmaterialien ein hohes Potenzial zur Realisierung
großserientauglicher Herstellungs¬prozesse für neue Modultypen und aktive FVK-Bauteile. Schwerpunkte dieses Beitrags sind demnach der Einsatz sowie die Konfektionierung von thermoplastverbundkompatiblen Piezokeramikmodulen (TPM), die Herstellung
aktiver Thermoplastverbundkomponenten mit werkstofflich homogen integrierten TPM
sowie deren Anwendung für ausgewählte messtechnische Aufgaben.
11:20
Vibration damping of a composite control arm through embedded piezoceramic patches shunted with a negative capacitance
R. Salloum (V), P. Töws, S. Schmidt, D. Mayer, D. Spancken, A. Büter, FraunhoferInstitut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Vibrations in modern cars constitute a real issue that can lead to undesirable noise and
diminished durability. To reduce these effects, passive vibration attenuation measures
have been extensively used, but can no longer cope with the increasing complexity of
mechanical systems. In this sense, smart structures have been developed to efficiently
suppress vibration without notable adverse effects. A well-known technique consists in
coupling a piezoceramic transducer to a mechanical structure and then connecting it to
a shunt circuit. In this work, a novel approach to deal with the application of shunted
piezoceramics in lightweight structures for vibration attenuation is proposed. It is based
on the simultaneous optimization of different sub-systems of the smart structure, i.e.
host structure, transducers and electronics. Instead of being considered as an addon solution, the shunted piezoceramics are regarded as additional design variables.
Therefore, passive structural mass is substituted by active material in an intelligent way,
which can potentially reduce overall weight. Moreover, in contrast to surface-bonded
transducers, embedded piezoceramics inside the laminate are protected from the external environment and provide direct coupling to the structure. To show the potential of
this approach in a real technical structure, the case study of a control arm is considered, since it is one of the main transfer paths for vibrations in the front suspension of a
passenger vehicle.
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Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Seminarraum
11:40
Designte Sensorfunktionalität im Automobilleichtbau mittels Faserverbundkunststoff (eine Systembetrachtung)
L. Klein (V), Robert Bosch GmbH/Universität Stuttgart, Malsheim; P. Middendorf,
Universität Stuttgart
Session
Neue Sensorik / Aktorik
14:50
Functionalisation of PVDF-based sensor filaments
B. Glauß (V), G. Seide, T. Gries, RWTH Aachen
Durch den Trend zum Leichtbau im Automobil kommen zunehmend auch faserverstärkte Kunststoffe (FVK) zum Einsatz. Für tragende Primärstrukturen sind besonders
carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) geeignet, deren Einsatz jedoch hohe Kosten
bedeutet. Um die Vorteile von CFK auch im Commodity-Bereich nutzen zu können,
werden Konzepte benötigt, die zusätzlich zur primären Gewichtseinsparung auch einen
sekundären Nutzen mit sich bringen. Ein Potenzial liegt in der bauteilimmanenten Integration von Funktionen, die bisher über separate Komponenten im Fahrzeug realisiert
werden. Dies ist durch den schichtweisen Aufbau und die relativ geringen Prozessdrücke und -temperaturen bei der Herstellung von FVK-Strukturen möglich. Ein essenzieller
Ansatz für eine solche Funktionsintegration stellt die Integration von Sensoren für die
Fahrzeugsicherheit dar. Dies wird anhand der Integration eines Beschleunigungssensors
für die Airbagauslösung in eine CFK-Struktur aufgezeigt. Um die Anforderungen an
den Automobilsensor mit dem Integrationskonzept zu erfüllen, sind bei der Auslegung
und Herstellung des Bauteils wesentliche Faktoren zu beachten. Unter anderem ist
die präzise Ausrichtung des Sensors wichtig sowie die Gestaltung der Schnittstelle zur
umgebenden Struktur, die das funktionell-mechanische Verhalten des Sensors und
die Strukturmechanik des Gesamtbauteils beeinflusst. Dazu wurde ein folienbasiertes
Sensorsystem konzipiert, das mittels des Liquid Composite Molding (LCM) in eine
CFK-Struktur integriert wurde. Der Fokus liegt auf der Beurteilung der Zuverlässigkeit
des integrierten Systems sowie des Gesamtbauteils. Mit angepassten Konzepten ist
somit designte Funktionalität, also die Vereinigung sensorischer und struktureller Funktionen, möglich, die CFK den Einzug in Commodity-Automobile ermöglichen können.
This work explains the production and functionalisation steps for polyvinylidene fluoride
(PVDF) based piezoelectric stress sensor filaments. PVDF is used as active material. It is
an easily processible thermoplastic showing piezoelectric behaviour. To manufacture a
piezoelectric filament, certain material functionalisation steps have to be fulfilled. These
three steps include extrusion, solid state drawing and electrical poling. The necessity of
each step is explained with respect towards filament functionalisation. Production parameters are varied to show their impact on the final filament’s behaviour. Results shown
include the filaments crystal structure, determined by x-ray diffraction and its remanent
polarisation. Firstly, bicomponent fibres are melt-spun in a core/sheath geometry. PVDF
is the sheath material, an electrically conductive Polypropylene/carbon black compound
is used for core electrode. Secondly, solid state drawing leads to a transformation of
the PVDF’s crystal structure. The PVDF forms beta phase crystals, consisting of polymer
chains with dipole characteristics perpendicular to the chain axis. These are necessary
for a piezoelectric effect. A variation in drawing ratios would lead to different mass
fractions of beta phase crystals. Thirdly, the filaments outer surface and inner electrode
are contacted and poled with a 20 kV electrical field. Hence, the polymer chain dipoles
are uniformly aligned. A design of experiments is set up for filament poling. Characteristics of filaments, drawn at different draw ratios are compared. Eventually, process parameters of a working PVDF sensor filament are shown. An outlook is given for possible
applications of PVDF based sensor filaments, including integration possibilities of sensor
filaments with respect to processing boundaries and limitations.
15:10
Flip-Chip montierbarer Mikro-Drucksensor zum Einsatz in harscher Umgebung
M. Schwerter (V), M. Leester-Schädel, A. Dietzel, Technische Universität Braunschweig
Im Folgenden wird ein neuartiger, „umgekrempelter“ piezoresistiver Drucksensor,
hergestellt unter Verwendung des 3D-Femtosekundenlaser-Kaltabtrags und einer
metallischen Bondverbindung, vorgestellt. Der Sensorgrundkörper wird statt aus dem
sonst üblichen Silizium aus Borofloat-Glas hergestellt; aus ersterem wird dagegen nur
eine dünne, funktionale Membran mit den piezoresistiven Elementen gefertigt. Der
Herstellungsvorgang erlaubt eine umgedrehte Anordnung der Siliziummembran, sodass
die piezoresistiven Elemente im Sensorinneren liegen und eine Kontaktierung dieser
durch das Glas nach unten ermöglicht wird. Der Sensor kann daher mittels Flip-ChipTechnik montiert und verlötet werden. Die Herstellung der Kontaktierungslöcher und
der Referenzdruckkammer im Glas sowie die Strukturierung der Bond-Metallschicht
erfolgen mittels Femtosekundenlaserbearbeitung (Wellenlänger 1030 nm). Die elektrische Kontaktierung und die metallische Bondschicht resultieren aus derselben Metallisierung. Dieser Aufbau führt zu einer kleinen Grundfläche von nur 3 x 3 mm² und einer
Sensorhöhe von 220 µm. Im Gegensatz zu bestehenden Drucksensorsystemen wird
eine absolut flache Sensoroberfläche realisiert, die keine elektrischen Elemente oder
Anschlusspads beinhaltet. Somit ist der Sensor sowohl an Luft als auch in Wasser einsetzbar, ohne die Strömung selbst zu beeinflussen. Im Anwendungsfeld stehen daher
beispielsweise adaptronische Systeme in der Luftfahrt oder die Integration in dünne,
flexible Substrate.
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Vorträge Mittwoch, 06. April 2016: Seminarraum
16:00
Self-Sensing Control of a Bi-Stable Dielectric Elastomer Actuator Operating
Against a Load
P. Motzki (V), G. Rizzello, A. York, S. Seelecke, Universität des Saarlandes, Saarbrücken;
D. Naso, Politecnico di Bari (IT)
This paper presents a bi-stable actuator system based on a dielectric elastomer film.
The motion of the DEA (Dielectric Elastomer Actuator) is generated by the electrostatic
compressive force between two compliant electrodes applied on the surface of the
material. The membrane is connected to a bi-stable spring that acts as biasing element,
and permits to significantly extend the stroke when operating against external loads.
The bi-stable biasing element, however, makes the system strongly nonlinear and
open-loop unstable. In order to overcome such limitation, this paper proposes a closed
loop control strategy which guarantees a stable actuation in the whole operating range
of the system. A self-sensing algorithm is also implemented in conjunction with the
control law, allowing the closed-loop positioning to be performed without any additional electromechanical transducers. Several experiments are carried out for evaluating
the performance of the actuator when operating against different kind of load characteristics. In order to reproduce a desired force/displacement profile, a feedback control
strategy is implemented on a linear motor which is, in turn, used as loading element for
the DEA.
16:20
Anwendung von Formgedächtnislegierungen in einem Ringspannwerkzeug in
der Montagetechnik
A. Czechowicz (V), F. Hoffmann, Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik,
Remscheid
16:40
Piezokeramische Multilayer-Aktoren für den hochfrequenten Betrieb
R. Block (V), P. Pertsch, B. Broich, J. Pogodzik, S. Hasler, K. Speer, PI Ceramic GmbH,
Lederhose
Durch die elektromechanische Festkörperwandlung in piezokeramischen Aktoren können sehr dynamische mechanische Signale erzeugt werden.
Beispielsweise führten Anstiegszeiten im Mikrosekunden-Bereich sowie Wiederholfrequenzen von einigen hundert Hertz zur Anwendung der Aktoren in der Benzin- und
Diesel-Einspritzung, der Dispenstechnik, dem Inkjet-Druck, der aktiven Schwingungsdämpfung oder der Präzisionsbearbeitung.
Die hochfrequente Ansteuerung der Aktoren mit großen Spannungsamplituden ist in
der Regel durch die Eigenerwärmung aufgrund der dielektrischen Verluste im Material
begrenzt. Durch Kühlungsmaßnahmen kann der Frequenzbereich erweitert werden. Die
effektivste Art der Kühlung erfolgt mit Flüssigkeiten.
Im Beitrag werden hermetisch gekapselte PICMA® Stack Aktoren vorgestellt, die
speziell für hochdynamische Anwendungen entwickelt wurden. Die Aktoren enthalten
überwachende Temperatursensoren auf der Aktoroberfläche. Außerdem sind sie mit
einem wärmeleitenden Medium verfüllt, welches die Aktorwärme zur metallischen
Außenhülle ableitet. Aufgrund der hermetischen Kapselung können die Aktoren direkt
in der kühlenden Flüssigkeit betrieben werden.
Mit Hilfe der Flüssigkeitskühlung kann die Ansteuerfrequenz der Aktoren auf mehr als
3 kHz bei voller Amplitude erweitert werden. Es werden außerdem die zur Ansteuerung
geeigneten Verstärker mit Energie-Rückgewinnung vorgestellt.
Da beim hochfrequenten Betrieb viele Zyklen in kurzer Zeit durchlaufen werden, sind
die Lebensdauerergebnisse der Aktoren besonders relevant.
In der Werkzeugindustrie hat der Pardigmenwechsel von einfachen metallischen Hilfskomponenten zu elektrischen bzw. mechatronischen Systemen stattgefunden. Bedingt
durch den kompakten Bauraum von Handwerkzeugen, sind er elektrischen Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Im Projekt hyProFGA wurde am Beispiel eines Ringspannwerkzeuges die industrielle Nutzung von Formgedächtnislegierungen methodisch analysiert.
Die Präsentation umfasst sowohl die Vorstellung der Anforderungsanalyse, als auch die
methodischen Konzipierungsschritte, Versuche und die aufbereiteten Versuchsergebnisse sowie die Übertragung auf andere mögliche Wirkprinzipien in Handwerkzeugen.
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Vorträge Donnerstag, 07. April 2016: Auditorium
Session
Aktive Schwingungsbeeinflussung
09:40
Aktive Schwingungskompensation bei der Bearbeitung dünnwandiger Bauteile
H.-C. Möhring (V), C. Lerez, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
10:20
Bei der Fräsbearbeitung dünnwandiger Bauteile, wie bspw. Turbinenschaufeln oder
Radialverdichtern, kommt es infolge der Anregung durch den Fräsprozess zu Bauteilschwingungen. Diese können sich derart schädlich auf die Bauteiloberfläche auswirken,
dass die gefertigten Werkstücke zu Ausschuss werden. Um solche Schwingungs- bzw.
sogenannte Ratter-Effekte zu vermeiden werden heutzutage die Prozessparameter
zulasten der Produktivität reduziert. In diesem Beitrag wird demgegenüber ein aktives
Kompensationssystem vorgestellt, welches kritische Schwingungen während der
Bearbeitung erkennt und diesen durch gezielte Gegenanregung entgegen wirkt. Die
hierzu erforderlichen sensorischen und aktorischen Elemente sind in die Struktur eines
Werkstückhalters integriert. Im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
erfolgt eine PC-basierte Ansteuerung, welche eine Implementierung unterschiedlicher
Regelungsstrategien ermöglicht. Der Systemaufbau sowie die Funktionsweise und erste
Reglerstrukturen werden hier vorgestellt und diskutiert. Darüber hinaus werden Ergebnisse aus realen Bearbeitungsversuchen sowie aus Simulationen vorgestellt.
10:00
Ein wesentlicher Treiber der zukünftigen Entwicklung in der Produktionstechnik sind
hybride Produktionssysteme. Ziel dieser Entwicklung ist es, bisher getrennte Prozessschritte zu kombinieren und so die Produktivität, bei gleichzeitig reduziertem Ressourceneinsatz in der Produktion, zu erhöhen. Hybride Produktionssysteme erlauben
außerdem durch neue Fertigungsmöglichkeiten eine optimierte Produktgestaltung.
Optimierte Oberflächen oder eine perfekt angepasste Geometrie reduzieren Reibung
und Verschleiß und ermöglichen so eine längere Lebensdauer des Produktes bzw. einen
ressourcenschonenden Produktbetrieb.
Aufgrund der sehr hohen erzeugbaren Kräfte und ihrer hohen Steifigkeit eignen sich
Piezokeramiken hervorragend als integrierte Antriebe in Werkzeugmaschinen. Der
Einsatz piezobasierter Komponenten in der Produktionstechnik ist deshalb Gegenstand
vieler Forschungsarbeiten. Der Fokus liegt dabei sehr oft auf Systemen zur Zustandsüberwachung oder Schwingungsreduktion. Es existieren allerdings auch einige Ansätze,
in denen die Piezoaktoren für die Erzeugung von Schwingungen genutzt werden. Diese
gezielt eingebrachten Schwingungen beeinflussen Bearbeitungsvorgänge positiv oder
erweitern bisher bestehende Fertigungsgrenzen. Der Beitrag liefert einen Überblick
über diese Anwendungen, deren Parameter und den technologischen Hintergrund.
Ausgewählte Systeme werden detailliert u. a. mittels experimenteller Ergebnisse
dargestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einem adaptronischem Honwerkzeug
und Systemen zur Mikrokonturierung sowie zur Unrundbearbeitung mit bestimmter
Schneide. Zusammenfassend werden die bestehenden Systeme unter Berücksichtigung
ihrer Vorteile und eventuellen Hindernisse verglichen. Darüber hinaus beschreibt der
Ausblick die Herausforderungen, die einem zukünftigen breiten Einsatz piezobasierter
Zusatzkomponenten in Bearbeitungssystemen aktuell noch entgegenstehen.
Power consumption and performance limit estimation of Smart Actuators for
Active Vibration Control
G. Lapiccirella (V), T. Jungblut, Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt; J. Rohlfing, Technische Universität Darmstadt
Active vibration control concepts have been demonstrated to be a promising approach
for controlling vibrations in various automotive-, naval-, aerospace-, and industrial-applications. However, in many cases, the implementation of these concepts in commercial products is challenging due to practical, physical and economic constraints on the
allowable computational load, the total power consumption of the system and the
linear operation limits of compact control actuators. Therefore, recent research increasingly focuses on the development of computationally efficient control algorithms and
the evaluation of the power consumption of the control system from an early design
stage. In this paper, we highlight the importance of modelling the control system including the electrical power amplification stages for both electrodynamic voice coil and
piezoelectric actuators. In particular, the results of numerical studies on the apparent,
effective and reactive power consumption of an inertial mass actuator with voice coil
engine for feedback, and feedforward control approaches are investigated. In the simulations the control actuator is used to control a single degree of freedom system with
variable natural frequency. The model closely resembles a laboratory test rig, which is
used validate the simulations experimentally. The results show that different control
approaches yield different ‘optimal’ control performances and power consumptions.
Work in this area is ongoing, and at this stage it is too early to draw final conclusions;
however the work clearly highlights that a holistic model of control systems is necessary
to properly evaluate both the control performance and the power consumption.
Piezobasierte Zusatzachsen für hybride Bearbeitungsverfahren
A. Bucht (V), K. Pagel, M. Ullrich, H. Kunze, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Dresden; W.-G. Drossel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
11:20
Development of a Piezoelectric
Inertial Vibration Absorber
J. Steinmetz (V), M. Sinapius, Technische Universität Braunschweig; K. Takagi,
I. Jikuya, T. Ikegame, Nagoya University (JP)
A piezoelectric inertial vibration absorber, which may be applied to an arbitrary control
object, is proposed. The absorber consists of a cantilever beam with an adjustable tip
mass and a shunted piezoelectric element. Two different shunting circuits are investigated , i.e. a resistor alone and a resistor in series with a negative capacitance.
The governing equations of a two degrees of freedom system are derived and a simulation model for designing both the mechanical vibration absorber and the shunt circuits
has been implemented. In addition, the optimal parameters of the shunt circuit are
estimated using an H-Infinity-Norm approach.
For validating the simulation model a piezoelectric inertial vibration absorber for a
given control object is constructed. It is shown in the simulation and confirmed by the
experiment that the negative capacitor shunt is very efficient. Moreover, it is demonstrated that its performance may be improved even further by adjusting the tip mass in
a manner that it would be slightly out of tune for a pure mechanical vibration absorber.
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Vorträge Donnerstag, 07. April 2016: Auditorium
11:40
Methodisches Vorgehen zur Auslegung des vibro-akustischen Verhaltens eines
Fahrzeugs
C. Tamm (V), J. Thiel, H. Atzrodt, H. Buff, S. Herold, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Der Wandel in der Automobilindustrie von konventionellen hin zu hybriden und
elektrischen Antriebskonzepten ist in vollem Gange. Auch am Fraunhofer LBF wird ein
Forschungsfahrzeug entwickelt, an dem die Energieeffizienz Gas-elektrischer Hybridantriebe untersucht wird. Durch den modifizierten Antrieb wird das NVH-Verhalten des
Fahrzeugs deutlich verändert. Die von Motor, Nebenaggregaten und Fahrbahn induzierten Schwingungen führen zu unangenehmen Vibrationen und Lärm im Fahrzeuginnenraum. Um den Fahrkomfort zu erhöhen, sollten die auftretenden Schwingungen
durch breitbandig wirkende aktive Maßnahmen und schmalbandig wirkende passive
Maßnahmen reduziert werden.
In diesem Beitrag werden die Simulation und Auslegung von verschiedenen Maßnahmen zur Auslegung von vibro-akustischen Maßnahmen verglichen, die von Aggregatund Fahrbahn induzierten Schwingungen hervorgerufen werden. Die Systemkomponenten Anregung, mechanisches System, Aktoren, Sensoren, und Regelung werden in
einer ganzheitlichen Simulation betrachtet. Die Methodik zur Auslegung von aktiven
Systemen beinhaltet einen hierarchischen und modularen Aufbau der Systemkomponenten. Für den Aufbau eines ganzheitlichen Systemmodells werden neben Messdaten
und analytischen Beschreibungen auch reduzierte FE-Modelleeinbezogen.
Als Ergebnis werden aktive Maßnahmen zur Schwingungsminderung mit Hilfe der
Mechanical Simulation Toolbox analysiert und bewertet sowie mit passiven Ansätzen
verglichen.
Uhrzeit
Keynotevortrag
13:30
Holistic approach towards the development of smart textile products - material
development, production technologies and services
T. Gries, RWTH Aachen
In the last decades Smart Textile demonstrators came up and have significantly increased market demand. Due to high production costs commercial distribution has not yet
been achieved. Existing demonstrators generally don‘t consider scalable production
because subsequent processes are required to integrate Smart Functionality into each
product. However to meet the market needs flexible and cost-effective production
processes are required. Considering Smart Functionality of the final product at an early
production stage will offer flexibility, adaptability and resource efficiency. Therefore the
product development has to address the material development as well as the productions technology.
In a first step polymer optical fibers for particular sensor applications were developed
at ITA. A simple and versatile fabrication process is presented that is continuous and
allows the production of cheap sensor fibers with adjusted properties. The fabrication
process is based on conventional melt-spinning with subsequent rapid cooling of the
filament in order to introduce a temperature gradient within the fiber. This will result in
a density and finally in a refractive-index profile. By a combination of process parameters like temperature, spinning speed and elongation the scattering can be influenced
in order to obtain fibers for illumination or collecting light for irradiance sensors. A
fabrication process that can be adjusted in a way that fiber properties like bandwidth
and scattering can be controlled in a wide range can make way for specially tailored
sensor fibers that are not just cheap, but also perfectly suited for a particular sensing
application. Since the fabrication method is adjusted from textile manufacturing it
can be included into textiles for wearable sensors or flexible sensing surfaces in many
different applications.
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For useful final products such sensor yarns have to be combined with further components. To achieve this, the manufactured textile (weave or knit) can be functionalized
by textile printing. So-called „printed electronics“-systems can be transferred on textiles
using digital-printing machinery. In electronic textile printing ITA focuses on the area
of „organic printed electronics“. Recent investigations were initially performed on flat
surfaces. Challenges in textile printing as rough surface topography and flexibility of
textiles, stable adhesion of printed electronics, process evaluation, selection of materials
and drying process of printed products are subjects of research. Lightning, flexible displays as well as force, elongation and olfactory sensor systems are possible applications
for the investigated technology.
Session
Neue Materialien und Strukturen
14:20
Soft Condensed Matter Sensors for Shape Sensing of Adaptive Structures
F. Clemens (V), M. Melnykowycz, S. Tutu, Eidgenössische Materialprüfungs- und
Forschungsanstalt, Dübendorf (CH)
Advances in layered manufacturing technologies and materials science are making the
manufacture of complex structures with adaptive mechanical characteristics easier to
achieve. Additionally, the ability to print soft and flexible polymers such as Thermoplastic Elastomers (TPE) in consumer-grade Fusion Deposition Modeling (FDM) 3D printers
is reducing the barriers to producing mechanically adaptive structures. Soft condensed
matter piezoresistive sensors based on a Carbon Black (CB) and TPE have been produced [1] in order to measure the deformation of light weight structures. Mechanical
testing has shown that a textile band sensor design shows some relaxation during loading to different strain levels, but has very low signal drift over time for resistivity versus
strain monitoring. Mechanical characterization of the piezoresistive sensor (in 0.3 mm
diameter monofilaments) has shown a decoupling between the non-linear force and a
linear electrical resistance response during tensile loading. The CB/TPE sensor material
can achieve ultimate strains of over 150%, with a safe working range up to 100% [2].
Pre-straining of the material is required in order to improve the sensor performance.
Initial tests have shown that monitoring of large expansion like hand motion and small
expansion like pulse wave of a person can be detected precisely with this new sensor.
Subsequent tests included sensor integration into a 3D printed compliant structure
with an unfolding nature in the sensor region will be presented. The 3D printed band
with an expanding structural design unfolds along the direction of longitudinal strain
to monitor structural deformation. Future research will focus on integrating the sensor
material directly in the printing process, lending to use in smart skins for soft robotics
or wearable computing applications. Finally new results on soft condensed matter
piezoelectric sensors and actuators and the potential application will be presented.
39
Vorträge Donnerstag, 07. April 2016: Auditorium
14:40
Maßgeschneiderte Kompositwandler auf Basis piezokeramischer Fasern und
Perlen
K. Hohlfeld (V), TU Dresden; S. Gebhardt, A. Michaelis, Fraunhofer-Institut für
Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden
Elektromechanische Wandler auf Basis von Piezokeramik-Polymer-Verbundwerkstoffen
finden als Sensoren, Aktoren, Ultraschallwandler oder Generatoren vor allem in der
Adaptronik, in der Medizintechnik sowie in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
Einsatz. Für die Auslegung und kosteneffektive Fertigung leistungsfähiger Wandler
müssen sowohl die verwendeten piezokeramischen Komponenten als auch die daraus
entstehenden piezoelektrischen Komposite speziell auf den Anwendungsfall zugeschnitten sein.
Am IfWW der TU Dresden / Fraunhofer IKTS steht ein serienfähiges Verfahren zur
Verfügung, das die Fertigung piezokeramischer Komponenten in breiter Geometrievariation erlaubt. Damit lassen sich piezokeramische Fasern mit einem Durchmesser d =
100 - 800 µm sowie piezokeramische Perlen im Durchmesserbereich d = 0,8 - 1,6 mm
fertigen. Die Weiterverarbeitung zu Piezokeramik-Polymer-Verbundwerkstoffen erfolgt
durch gezielte Anordnung der piezokeramischen Komponenten in einer Polymermatrix,
mechanische Bearbeitung und durch das Aufbringen strukturierter Elektroden.
Flächenwandler, bestehend aus einer Monolage parallel angeordneter Fasern in einer
Epoxidharzmatrix, eignen sich besonders als Sensor, Aktor oder Generator. Sie können
für die Schwingungs- und Geräuschdämpfung sowie für Aufgaben der Strukturkontrolle genutzt werden. Gewöhnlich werden Fingerelektroden auf die Oberfläche der
Wandler aufgebracht. Durch das Versenken der Elektroden in die Faserlage, konnte das
Arbeitsvermögen der Flächenwandler auf das Vierfache erhöht werden. Zur Fertigung
von Ultraschallwandlern für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Medizin- oder
Sonartechnik werden piezokeramische Fasern als Bündel angeordnet und mit einem
Polymer infiltriert. Über die Anordnung der Fasern sowie Dicke und Form des Wandlers
wird der Ultraschallwandler für die jeweilige Anwendung konfektioniert. Zur kosteneffektiven Fertigung großflächiger Wandler für die Realisierung sensorischer Aufgaben
sowie zur Energieversorgung verbrauchsarmer Elektronik aus Bauteilschwingungen,
sind piezokeramische Perlen vorteilhaft. Dazu werden die Perlen als Monolage in eine
Polymermatrix eingebracht und die Oberfläche für die Kontaktierung durch Schleifen
freigelegt.
Der Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsschritte zur Herstellung maßgeschneiderter piezoelektrischer Komposite. Der Einfluss von Art und Anordnung der
Komponenten, mechanischer Bearbeitung sowie Elektrodenausprägung auf die dielektrischen, ferroelektrischen und elektromechanischen Eigenschaften wird dargestellt.
15:30
Integration von Faser Bragg Gitter Sensoren (FBGS) in thermoplastische
Laminate
M. John (V), T. Jacob, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Halle; K.-H. Haase,
Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt
Im Automobilbau sollen zukünftig verstärkt hybride Strukturen und Bauteile eingesetzt
werden, wobei endlosfaserverstärkte thermoplastische Laminate eine entscheidende
Rolle spielen werden. Zur Qualitätssicherung oder Strukturüberwachung können diese
hybriden Strukturen mit Fasersensoren wie bspw. Faser Bragg Gitter Sensoren (FBGS)
ausgestattet werden. Der Einsatz dieser FBG-Sensorfasern verspricht nicht nur im
Automobilbau ein großes technisches Potential. Neben bestehenden Anwendungen zur
Überwachung von Windkraftanlagen (am Rotorblatt) sowie Elementen im Bauwesen
(Brücken- und Fassadenelemente) sind verschiedenste weitere Nutzungen denkbar.
Am Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik in Halle wurden deshalb FBGS der Firma
HBM GmbH für den Einsatz in endlosfaserverstärkten thermoplastischen Laminaten
untersucht.
40
Die FBG-Sensorfasern wurden zunächst hinsichtlich ihrer Beständigkeit bei der Verarbeitung und Integration in thermoplastischen UD-Tapes geprüft. Die verwendeten
thermoplastischen UD-Tapes aus Polypropylen mit 60% Glasfasern (PP/GF60) wurden
im Kreuzverbund zu Laminaten verpresst. Eine besondere Herausforderung bestand
hierbei in der Ausrichtung und Fixierung der Sensorfaser sowie bei deren Herausführung aus dem Laminat. Hierzu wurde eine geeignete Pressform zur Konsolidierung
der UD-Tapes unter Druck und Temperatur im Heißpressverfahren entwickelt. Bereits
während der Probenherstellung wurden faseroptische Dehnungsmessungen durchgeführt und der Einsatz der FBGS zur Analyse von Konsolidierungsvorgängen, zur Prozessüberwachung und zur Ermittlung von Eigenspannungen erprobt. Die so hergestellten
Zugprüfkörper mit integrierten FBG-Sensorfasern wurden anschließend unterschiedlichen Zugbelastungen ausgesetzt. Neben quasistatischen Versuchen wurde auch die
Beständigkeit der Sensorfaseranbindung hinsichtlich dehnratenvariierter und zyklischer
Belastung sowie in Zeitstandversuchen untersucht. Als Vergleichswert zur gemessenen
Dehnung der FBG-Sensorfaser wurde über ein berührungsloses Referenzmesssystem
die Dehnung an der Probenoberfläche mittels Specklemuster und anschließender Grauwertkorrelation bestimmt.
Die bisherigen Untersuchungen zur Dehnungsmessung von endlosfaserverstärkten
thermoplastischen Laminaten aus PP/GF60-Tapes mit integrierten FBG-Sensorfasern haben aussagesichere, reproduzierbar Ergebnisse geliefert. Sowohl eine gute Anbindung
der Sensorfaser zur Matrix und somit eine sichere Dehnungsübertragung, als auch die
Beständigkeit der Anbindung konnten durch die Untersuchungen gezeigt werden.
15:50
Development of a hydraulic valve driven by SMA wires
P. Motzki (V), S. Nalbach, ZeMA - Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH, Saarbrücken; A. York, S. Seelecke, Universität des Saarlandes,
Saarbrücken
The thermal shape memory effect describes the ability of a deformed material to return
to its original shape when heated. This effect is found in shape memory alloys (SMAs)
such as nickel-titanium (NiTi). SMA actuator wire is known for its high energy density
and allows for the construction of compact systems. An additional advantage is the
so-called „self-sensing“ effect, which can be used for sensor tasks within an actuator-sensor-system.
Hydraulic switching valves are used in almost every hydraulic application. A standard
state-of-art switching valve consists of a valve block with bores, a valve spool a spring
and an electro-magnetic actuator. In a simple configuration, the valve has two states,
open and closed. The spring pushes the spool into its first position and the electromagnetic actuator is used to pull the spool into its second position, working against the
spring force.
Focus of this work is to replace the electro-magnetic actuator in a hydraulic switching
valve with SMA wires. That way construction space and weight of the switching valve
can be reduced and also the costs can be decreased.
In a first step, the valve characteristics like the actuator force and stroke are evaluated.
Based on these evaluations a new valve design using SMA wires is constructed. The
SMA based valve is evaluated with respect to force and stroke. In this evaluation, the
effect of the wire diameter on the valve frequency is examined.
Finally both valves are arranged with other hydraulic components in a test station. The
results concerning the hydraulic parameters like pressure and flow rate are compared
to the conventional valve. The switching time of the magnetic valve could be reached
and similar hydraulic behavior was detected.
In conclusion, the experimental results are displayed and an outlook on future work
and possible application scenarios is given.
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Vorträge Donnerstag, 07. April 2016: Auditorium
16:10
Entwicklung von haptischen Informationselementen zur Unterstützung älterer
Menschen
A. Czechowicz (V), F. Zobel, Zentrum für angewandte Formgedätchtnistechnik,
Remscheid; L. Bucher, Bergische Universität Wuppertal
Im Alter ist die Verarbeitung optischer und akustischer Signale schwerer zu trainieren
und wahrzunehmen als die taktile Wahrnehmung. Daher werden im Projekt AHAFeel (Altersgerechte Haptik Feedback Elemente auf Basis von Formgedächtnisaktoren)
haptische Feedbackelemente, als technische Unterstützungssysteme, auf Basis von
Formgedächtnisaktoren entwickelt. In der Publikation wird die Projektidee anhand von
Anwendungsbeispielen systematisch aufgeführt. Die Einordnung der psychologischen
Gewichtungsfaktoren hinsichtlich Anwendungsszenarien werden anhand von konstruktiven Wirkprinzipien für Versuchsstände und Anwendungsszenarien erläutert.
Vorträge Donnerstag, 07. April 2016: Seminarraum
Uhrzeit
Keynotevortrag
09:00
Aktive Systeme zur Schwingungs- und Schallminderung - der (lange) Weg von
der Idee zur industriellen Serienanwendung
P. Wölfel, Wölfel Beratende Ingenieure GmbH & Co. KG, Höchberg
Session
Structural Health Monitoring und Energy Harvesting
09:40
Systementwicklung zur Strukturüberwachung mit geführten Wellen
L. Schubert (V), B. Weihnacht, U. Lieske, B. Frankenstein, S. Gebhardt,
P. Neumeister, H. Neubert, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und
Systeme IKTS, Dresden
Am Fraunhofer IKTS wurde eine Vielzahl systemtechnischer Ansätze für die Strukturüberwachung mit geführten Wellen entwickelt. Anwendung finden dabei sowohl passiv
arbeitende Lösungen, die von Schädigungsprozessen emittierte Schallereignisse ausnutzen, als auch aktiv anregende Verfahren, die die Wechselwirkung von akustischen
Wellen mit Materialschädigungen bewerten. Der Beitrag stellt ein breites Spektrum von
Anwendungen vor. Ausgehend von Applikationen im Luftfahrtbereich zur Überwachung von CFK-Strukturen- über Anwendungen im Automobilbau bis zur Überwachung der Rotorblätter und Gründungsstrukturen von Windkraftanlagen wird eine
Brücke gespannt, die bei den verschiedenen Anwendungen ähnliche systemtechnische
Ansätze aufzeigt. Kernelemente der Systeme und wesentlicher Teil der Arbeiten sind
piezoelektrische Wandler, die strukturintegriert oder strukturappliziert elastische Wellen
anregen oder empfangen. Die technologischen Umsetzungen reichen vom keramischen
Mikrosystem mit integrierten piezoelektrischen Wandlerelementen über modulare
Umsetzungen mit separaten Wandlern bis hin zu anwendungsspezifischen Mehrwandlersystemen. Neben den sensorischen und aktorischen Wandlern sind Ansteuerelektronik und Auswerteprogramme maßgebliche Systemkomponenten, welche ebenfalls
am Fraunhofer IKTS entwickelt werden. Der Beitrag betont die ähnliche Systemstruktur
in den verschiedenen Applikationen und gibt einen Überblick über Möglichkeiten und
Grenzen zerstörungsfreier Überwachungstechniken basierend auf geführten Wellen.
10:00
Robuste, berührungslose Bauteilprüfung: eine Perspektive für Maschinelles
Lernen
A. Winkler (V), P. Kostka, M. Dannemann, Technische Universität Dresden
Zur Realisierung reproduzierbarer Bauteilqualitäten von Faserverbundstrukturen ist
während deren Herstellung die Einhaltung enger Toleranzfenster erforderlich. Weiterhin ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Komponenten eine zuverlässige Identifizierung möglicher Schädigungsentwicklungen infolge unvorhersehbarer Lastereignisse
notwendig. Im Vergleich zu bildgebenden zerstörungsfreien Prüfverfahren bieten
schwingungsbasierte Methoden die Möglichkeit zu einer deutlich zeit- und kosteneffizienteren Qualitäts- und Eigenschaftskontrolle. In diesem Beitrag wird die Entwicklung eines Diagnosesystems dargestellt, das eine effiziente und zuverlässige Bauteilbeurteilung
ermöglicht, indem das zustandsabhängige dynamische Antwortverhalten der Struktur
auf eine definierte Anregung akustisch aufgezeichnet, die darin enthaltene Information analysiert und mittels moderner Algorithmen zum Maschinellen Lernen (Machine
Learning) in Form von Klassifikatoren modelliert wird.
Am Beispiel eines generischen Bauteils werden die Definition der akustischen Messstrecke, die Analyse der Antwortsignale, die Merkmalsdefinition, die Bewertung von
Lernstrategien sowie die Klassifikatorprüfung aufgezeigt. Hierfür wurden die Anwendungsgrenzen bei der Qualitätsprüfung und Vor-Ort-Begutachtung von Faserverbundstrukturen anhand von Messungen an definiert vorgeschädigten Probekörpern
analysiert, wobei die akustischen Signale unter realitätsnahen, verrauschten
Bedingungen aufgenommen wurden.
42
43
Vorträge Donnerstag, 07. April 2016: Seminarraum
10:20
Zustandsüberwachung mit energieautarken Sensoren am Beispiel der Intralogistik und des Schienengüterverkehrs
M. Koch (V), Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF,
Darmstadt
Der Vortrag informiert über Untersuchungen und Ergebnisse im Rahmen der Forschungsprojekte „Zustandsüberwachung von Intralogistiksystemen – ZIL“ und „Energieautarke Sensoren zur Überwachung von Güterwagen – ESZüG“.
Ziel im Projekt ZIL ist die Entwicklung von neuen Systemen und Algorithmen zur
Zustandsüberwachung von Geräten und Anlagen der Intralogistik. Untersucht wurden
neue Ansätze für die autonome Detektion von Strukturschäden (Structural Health
Monitoring), autonome Detektion von Zustandsänderungen in Antriebs- und Führungsrollen (Condition Monitoring) und die autonome Detektion von Überlastungen (Load
Monitoring).
Ziel im Projekt ESZüG ist die Entwicklung energieautarker Sensoren die ihre benötigte
Energie mittels Energy Harvesting aus den Vibrationen am Güterwagen selbst generieren. Da das Schwingungsverhalten der Vibrationsquelle jedoch von den Betriebseigenschaften (Fahrgeschwindigkeit, Beladung, Streckenabschnitt, etc.) abhängt, wurden die
Generatoren anwendungsspezifisch ausgelegt.
Eine kontinuierliche Überwachung der Systeme durch Sensoren ermöglicht neue Optimierungspotenziale. Der Einsatz von Sensorik zur Überwachung soll dazu beitragen,
die Verfügbarkeit zu erhöhen, die Wartungskosten durch bedarfsgerechte Wartung zu
senken, Gerätefehlnutzungen zu detektieren und neue Erkenntnisse über die tatsächlich im Betrieb auftretenden Belastungen und Beanspruchungen von Komponenten zu
gewinnen.
11:20
44
Zur Entwicklung eines Structural Health Monitoring Systems zur automatisierten Festigkeitskontrolle von Steuerflächen von Zivilflugzeugen
M. Schagerl (V), S. Gschoßmann, N. Kama, Y. Zhao, Institut für Konstruktiven Leichtbau, Christian Doppler Laboratory for Structural Strength Control of Lightweight
Constructions, Johannes Kepler Universität Linz (AT)
Steuerflächen an den Tragflügeln von Zivilflugzeugen sind im Betrieb hohen aerodynamischen Belastungen ausgesetzt. Die ständigen Steuervorgänge stellen eine signifikante Ermüdungsbelastung dar und bei der Nutzung als Bremsklappe wirken hohe
statische Lastspitzen. Zudem birgt die exponierte Lage der Steuerfläche die Gefahr
einer Beschädigung. Ein weiterer Aspekt ist die aufwendige Konstruktion in Sandwichbauweise, die große Anforderungen an die Fertigung und nachfolgende Inspektionen
stellt. Im aktuellen Auslegungsprozess werden diese Bauteile daher konservativ auf
sicheres Leben ausgelegt. Im Vortrag wird ein moderner Ansatz einer schadenstoleranten Festigkeitsauslegung vorgestellt. Basierend auf einer detaillierten Strukturanalyse
werden gezielt Structural Health Monitoring (SHM) Systeme eingesetzt, die in Echtzeit
eine umfassende, automatisierte Festigkeitskontrolle ermöglichen. Die Strukturanalyse
beinhaltet dabei (i) numerische Berechnungen zur Vorhersage des Zeitpunkts einer
möglichen Schadensinitiierung, (ii) Simulationen zur fortschreitenden Ausbreitung eines
vorhandenen Schadens und (iii) die ständige Bewertung der Restfestigkeit des geschädigten Bauteils. Kritische Stellen am Bauteil werden dann durch optimal platzierte
Sensoren überwacht. Die Messergebnisse sollen dabei vor allem optimal das Schadenstoleranzkonzept unterstützten bzw. ergänzen. Zu den möglichen Kandidaten von
Sensoren und SHM Methoden zählen dabei sowohl klassische Verfahren wie elektro-mechanische Impedanzmessungen oder verteilte Dehnungsmessungen mit faseroptischen Sensoren, als auch elektrisch leitende, mit CNT aktivierte Beschichtungen, deren
flächige Widerstandsmessungen mit Tomographieverfahren ausgewertet wird. Mit
analytischen Betrachtungen, numerischen Simulationen und experimentellen Versuchsaufbauten werden diese Konzepte zunächst auf ihre Tauglichkeit für den konkreten
Anwendungsfall der Steuerfläche untersucht. Im Ergebnis wird schließlich der Entwurf
eines automatisierten Überwachungssystems vorgestellt, das den Strukturzustand und
die Strukturfestigkeit im Betrieb beobachtet und – im Einklang mit dem Sicherheitskonzept der Schadenstoleranz – letztendlich kontrolliert.
11:40
Energy Harvesting auf Basis piezoelektrischer AlN- und AlScN -Dünnschichten
D. Hecker (V), S. Barth, H. Bartzsch, D. Glöß, P. Frach, Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik, Dresden
Aluminiumnitrid (AlN) ist ein piezoelektrisch wirksames Material, das als dünne Schicht
beispielsweise bereits für elektroakustische Filter, sogenannte BAW-Filter eingesetzt
wird. Aufgrund seiner niedrigen dielektrischen Konstante und guter mechanischer
Eigenschaften ist es auch ein interessantes Material für Anwendungen im Bereich des
Energy Harvesting. In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass sich der vergleichsweise
niedrige piezoelektrische Koeffizient des AlN durch eine Dotierung mit Sc auf ungefähr
das 4fache erhöhen lässt.
Im Vortrag werden die piezoelektrischen Eigenschaften von AlN- und AlScN-Schichten
insbesondere im Hinblick auf das Energy Harvesting verglichen. Anhand eines Messaufbaus auf der Basis einfacher Schwinger aus Si-Streifen mit Schichten von ca. 10µm
Dicke wird gezeigt, dass sich die generierte Energie durch Nutzung von AlScN auf
ungefähr das 5 fache im Vergleich zu AlN-Schichten steigern lässt. Maximal wurde eine
Leistung von 350µW generiert.
Die Schichtabscheidung von AlN und AlScN erfolgte mittels reaktiven Magnetronsputterns. Es wurde eine Beschichtungsrate von 200nm/min auf einem Substratdurchmesser
von 200mm erzielt. Damit ist eine kostengünstige Abscheidung von Schichten für das
Energy Harvesting auch im industriellen Maßstab möglich.
Session
Modellierung, Simulation und Optimierung smarter Strukturen und Systeme
14:20
Anwendung stochstischer Simulationstechniken an smarten Systemen mit
reduziertem Simulationsaufwand
S. Li (V), T. Melz, Technischen Universität Darmstadt
Smarte Systeme weisen aufgrund ihres meist komplexen Aufbaus eine Vielzahl von
Systemparametern auf, die das Systemverhalten unterschiedlich stark beeinflussen. Eine
quantitative Analyse der Einflüsse dieser Parameter auf die Systemperformance ist zur
Bewertung der Systemzuverlässigkeit unabdingbar. Stochastische Simulationstechniken
bieten die Möglichkeit sowohl Haupteffekte – der direkte Einfluss eines Parameters –
als auch Wechselwirkungseffekte zwischen den Parametern zu identifizieren. Jedoch
steigt mit der Anzahl der berücksichtigten Parameter der Simulationsaufwand exponentiell an.
Die Anwendbarkeit stochastischer Simulationstechniken bei smarten Systemen ist bisher noch wenig erforscht. In diesem Beitrag wird ein neues Verfahren zur Bestimmung
der Mindestsimulationszahl der Monte-Carlo Simulation für belastbare Ergebnisse
vorgestellt. Das Verfahren zielt darauf ab, überflüssige Monte-Carlo Simulationsdurchläufe zu vermeiden, in dem iterativ das Konvergenzverhalten der statistischen Schätzer
auswertet wird.
Als Anwendungsbeispiel wurde eine adaptronische Balkenstruktur – mit aufgeklebten
piezokeramischen Aktoren und Sensoren sowie einer Regelung zur Schwingungsminderung – modelliert und simuliert. Dieses smarte System weist eine Vielzahl von Material-,
Geometrie-, Topologie- und Technologieparameter auf, die teilweise auch nichtlineare
Abhängigkeiten aufweisen. Es wurde analysiert welches Konvergenzverhalten sich in
solch einem smarten System einstellt und wie daraus geeignete Entscheidungskriterien
zur Bestimmung der Mindestsimulationszahl abgeleitet werden können. Durch die
Reduzierung der notwendigen Simulationen pro Systemparameter können insgesamt
mehr Parameter untersucht und somit das komplette Systemverhalten analysiert werden.
45
Vorträge Donnerstag, 07. April 2016: Seminarraum
14:40
Effiziente Validierung stochastischer Sensitivitätsanalysen an smarten Systemen
S. Ochs (V), Technische Universität Darmstadt; T. Melz, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Die Integration aktiver Komponenten – auf Basis von multifunktionalen Werkstoffen
– in ein Struktursystem initiiert Wechselwirkungen zwischen den aktiven und passiven
Systemkomponenten. Diese Wechselwirkungen erschweren die Beurteilung der Systemzuverlässigkeit, da weitere Systemzustände entstehen. Mit Hilfe stochastischer Sensitivitätsanalysen wird versucht, die Zuverlässigkeit smarter Systeme mit statistischen Maßen
(Haupt- und Wechselwirkungseffekte) numerisch zu bewerten. Die experimentelle
Validierung der numerischen Ergebnisse ist aufgrund der hohen Anzahl an Simulationspunkten jedoch aufwendig. Zudem ist die Anwendbarkeit bekannter experimenteller
Simulationstechniken zur Validierung stochastischer Sensitivitätsanalysen bisher noch
sehr wenig erforscht.
Dieser Beitrag stellt eine neue Methode zur Validierung stochastischer Sensitivitätsanalysen an smarten Systemen mit Hilfe der modellbasierten Versuchsplanung vor. Diese
erlaubt die Anpassung der Messungen an das numerisch analysierte Systemverhalten
und ermöglicht somit eine effiziente Versuchsdurchführung, indem nicht-relevante
Effekte unberücksichtigt bleiben. Im Vergleich zu einem konventionellen vollfaktoriellen
Versuchsdesign reduziert sich der Messaufwand durch die modellbasierte Planung um
bis zu 40 %, bei vergleichbarem Informationsinhalt. Allerdings können nur die Hauptund Wechselwirkungseffekte validiert werden, die in der numerischen Simulation als
relevant identifiziert wurden.
Die Anwendbarkeit dieser Methode wurde an einem smarten System zur Schwingungsreduktion überprüft. Basierend auf einem numerischen Modell des Systems wurde
zuerst eine varianzbasierte Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der relevanten Systemgrößen auf die Funktionstüchtigkeit des Systems durchgeführt. An einem Prüfstand,
der die realen Betriebsbedingungen des Systems nachbildet, wurden anschließend die
Effekte experimentell bestimmt und die numerischen Ergebnisse validiert. Zur Validierung der neuen Methode wurden des Weiteren Messungen nach konventionellen
Versuchdesigns realisiert und die Ergebnisse mit denen der neuen Methode verglichen.
15:30
46
Simulation von Antriebssystemen mit Festkörperaktoren durch Netzwerkmodelle
H. Neubert (V), F. Ehle, P. Neumeister, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien
und Systeme IKTS, Dresden
Intelligente Wandlerwerkstoffe für Festkörperaktoren wie Ferroelektrika, thermische
oder magne-tische Formgedächtniswerkstoffe zeigen ein kompliziertes Verhalten, das
den Entwurf von Aktor-systemen zu einer schwierigen Aufgabe macht. In der Regel
sind Simulationsmodelle zur Entwurfs-validierung oder -optimierung unerlässlich. In
frühen Entwurfsstadien, in denen Struktur und Hauptparameter eines Antriebs festzulegen sind, eignen sich hierfür besonders Kirchhoffsche Netzwerke. Adäquate Elementmodelle der Wandlerwerkstoffe sind dabei eine Grundvorausset-zung der erfolgreichen
Systemmodellierung. Der Beitrag präsentiert geeignete Netzwerkelemente am Beispiel
magnetischer Formgedächtniswerkstoffe. Ein Materialmodell für den gebräuchlichsten
Anwendungsfall wird entwickelt und anhand von Messungen parametriert. Es schließt
die ausge-prägte Dehnungshysterese der Formgedächtniswerkstoffe, abhängig von
magnetischer Flussdichte und mechanischer Spannung ein. Berücksichtigt wird ebenfalls die Polarisierung in Abhängigkeit von Magnetfeld und Dehnung. Für den typischen
Fall eines quaderförmigen, magnetisch und me-chanisch homogen beanspruchten
Aktorelements wird ein Netzwerkelement zur Systemmodellie-rung in der Modelica-Sprache abgeleitet. Beispielhaft werden mit ihm erzielte Simulationsergebnis-se zum
dynamischen Verhalten eines magnetischen Formgedächtnisaktors dargestellt und mit
Messungen verglichen. Die Vorteile und Grenzen des gewählten Modellierungsansatzes
werden erläutert, abschließend wird die Übertragbarkeit auf andere Wandlerwerkstoffe
diskutiert.
15:50
Electrical Power-Hardware-In-The-Loop simulation for the early validation of
power amplifiers used in Active Vibration Control
J. Millitzer (V), C. Ranisch, J. Kloepfer, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Early stage Hardware-In-The-Loop (HIL) testing is becoming an increasingly important
tool during the development of complex and highly interacting mechatronic systems.
In the case of a power amplifier under test, an early HIL investigation allows for an
evaluation of the required electrical power, the suitability of the power amplifier to
drive a variety of different actuators and an investigation of defined fault states. In this
paper, we highlight the development of an electrical Power-HIL interface for the test of
a power amplifier for an electrodynamic voice coil actuator.
In this context, the electrical Power-HIL interface represents a voltage controlled current
source which is realized by means of a current controlled MOSFET H-bridge amplifier.
The bi-directional load current in the test power amplifier is adjusted as a function of its
driving voltage and a higher-level real-time simulation process. The real-time simulation
includes a numerical simulation model of the electrodynamic voice coil actuator and an
attached mechanical structure.
This paper presents the derivation of general design parameters for an electrical Power-HIL interface from a preliminary numerical investigation and the results of initial tests
with a common audio amplifier attached to the electrical Power-HIL interface.
16:10
Mehrgrößenregelung des Car-in-the-Loop-Prüfstands
R. Fietzek (V), S. Foulard, S. Rinderknecht, Technische Universität Darmstadt
Ein Treiber für Innovationen in der Automobilindustrie sind selbstfahrende Fahrzeuge.
An ihnen wird mit Hochdruck geforscht. Ein Zwischenschritt zu diesem Entwicklungsziel
sind bereits verfügbare Fahrerassistenzsysteme, wie zum Beispiel ein Spurhalteassistent,
der unbeabsichtigten Fahrstreifenwechsel durch aktiven Lenkeingriff verhindern kann.
Dadurch kann die Sicherheit im Straßenverkehr erhöht und die Zahl der Verkehrstoten
reduziert werden. Die Bundesregierung fördert unter anderem deshalb die Entwicklung
selbstfahrender Fahrzeuge und Fahrerassistenzsysteme im Rahmen der neuen HighTech Strategie im Schwerpunkt „Intelligente Mobilität“. Der Markt für Prüfstände weist
jedoch in diesem Themengebiet eine Lücke auf. So existiert bisher kein geeigneter
Gesamtfahrzeugprüfstand, der eine Fahrt auf der Teststrecke realistisch nachbilden
kann, um Fahrerassistenzsysteme und selbstfahrende Fahrzeuge hinsichtlich Sicherheit,
Betriebsfestigkeit, Dynamik und Komfort zu testen.
Deswegen wurde das sogenannte „Car-in-the-Loop-Konzept“ (CiL) innerhalb der
letzten fünf Jahre am Institut für Mechatronische Systeme (IMS) im Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt entwickelt. Es erlaubt, die bei einer Fahrt auf einer Teststrecke auf den Antriebsstrang, die Lenkung und die Federung eines Fahrzeugs wirkenden
Belastungen unter Laborbedingungen realistisch nachzubilden. Dieser erweiterte
Funktionsumfang ist für das Testen von Fahrerassistenzsystemen und selbstfahrenden
Fahrzeugen unerlässlich. Die Kombination mit relativ geringen Kosten ist im Vergleich
zum Stand der Technik ein klares Alleinstellungsmerkmal. Die resultierenden Vorteile
sind die exakte Reproduzierbarkeit und automatisierte Durchführung der Versuche, die
Unabhängigkeit von Witterungsbedingungen sowie die Minimierung der Gefahr von
Personenschäden, die sonst beim Testen von Sicherheitsfunktionen auftreten können.
Folglich werden immer mehr Testkilometer von Teststrecken und öffentlichen Straßen
auf Prüfstände verlagert, wodurch sich das starke Wachstum des Marktes für Prüfstände in den letzten Jahren erklären lässt. Die Bezeichnung Car-in-the-Loop ist eine
Anlehnung an Hardware-in-the-Loop. Sie soll verdeutlichen, dass das gesamte Fahrzeug
in Verbindung mit Modellen und entsprechender Hardware, die Belastungen aufbringt
getestet wird. In diesem Beitrag wird die Mehrgrößenregelung des Car-in-the-LoopKonzepts erläutert, mit besonderem Fokus auf der Kompensation der Kopplungen
zwischen den Freiheitsgraden.
47
Autoren- und Teilnehmerverzeichnis
A
Algermissen, S. Anhalt, F.
Atzrodt, H. Arnold, S.
Auhl, D. 10, 21
15, 38
11, 22
B
Babaei, M. 11, 22
Baier, H. 6, 12, 28
Barth, S. 15, 45
Bartzsch, H. 15, 45
Bein, T. 6, 12
Block, R. 12, 35
Bös, J. 11
Breuer, U. 12, 29
Broich, B. 12, 35
Bucher, L. 16, 42
Bucht, A. 14, 37
Buff, H. 15, 38
Büter, A. 10, 31
C
Clemens, F. Czechowicz, A. 15, 39
11, 12, 16,
25, 34, 42
D
Dannemann, M. 10, 14, 31,
43
da Rocha-Schmidt, L.
12, 28
Datashvili, L. 12, 28
Dietzel, A.
11, 12, 23, 33
Drossel, W.-G.
6, 12, 14, 37
E
Ehle, F. Ehrt, T.
Ermanni, P. Eul, U.
F
Fietzek, R. Florian, T. Fuchs, T.
Foulard, S. Frach, P. Frankenstein, B. Freund, T. 48
15, 46
11, 21
16, 47
11, 23
16, 47
15, 45
14, 43
11, 24
G
Gebhardt, S.
14, 15, 40, 43
Gerstmayr, J. 12, 27
Geßner, T. 10, 30
Glauß, B.
11, 12, 22, 33
Glöß, D. 15, 45
Gramüller, B. 12, 27
Gries, T.
11, 12, 15, 22, 33, 38
Gund, C.
Groll, L. 10, 30
Gschoßmann, S. 14, 44
Gurka, M.
11, 12, 24, 29
H
Haase, K.-H. Haase, T. Hasler, S. Hauske, M.
Hecker, D.
Heintze, O.
Herold, S. Hoffmann, F. Hoffstadt, T. Hohlfeld, K. Hollmann, F.
Horn, S.
Holeczek, K. Hübler, M.
Hühne, C. Humer, A. I
Ikegame, T. Infante, F.
J
Jackel, M. Jacob, T. Jänker, P. Jörg, B.
Jikuya, I. John, M. Jungblut, T. K
Kama, N. Karkosch, H.-J. Kintscher, M. Klein, L. Kletz, B.T. 15, 40
10, 21
12, 35
15, 45
10
15, 38
12, 34
11, 25
15, 40
10, 31
11, 12, 24, 29
12, 27
10, 19
14, 37
10, 20
15, 40
10
14, 37
15, 40
14, 36
14, 44
6, 14
12, 28
10, 32
10, 20
Kloepfer, J.
Koch, M. Kostka, P. Kunze, H. 10, 16, 20, 47
14, 44
14, 43
14, 37
L
Lake, M. Lammering, R. Lapiccirella, G. Larink, D. Leester-Schädel, M. Lerez, C. Lieske, U. Linke, S. Li, S. 11, 22
6, 14
14, 36
11, 23
12, 33
14, 36
14, 43
6
15, 45
M
Maas, J. 11, 25
Mallapur, S. 11, 24
Matthias, M. 10, 20
Mayer, D.
6, 10, 15, 31
Melcher, J. 10, 20
Melnykowycz, M. 15, 39
Melzer, C. 11, 24
Melz, T. 3, 6, 10, 11, 15, 24,
45, 46
Michaelis, A. 15, 40
Middendorf, P. 10, 32
Millitzer, J.
16, 47
Misol, M.
Modler, N. 10, 31
Möhring, H.-C. 6, 14, 36
Monner, H.P. 6, 10, 12, 21, 28
Mönster, T. 11, 23
Motzki, P. 12, 34
Motzki, V. 16, 41
Müller, C.
Mroszczok, J. 11, 22
N
Nader, M. Nalbach, S. Naso, D. Nee, I. Neubert, H.
Neupert, J.
Neumeister, P.
Nissle, S. 6, 15
16, 41
12, 34
11, 23
14, 15, 43, 46
14, 15, 43, 46
11, 12, 24, 29
O
Ochs, S. Osterhage, K. P
Pagel, K. Pargen, S. Pertsch, P. Pfeiffer, T.
Pieber, M. Platz, R. Pogodzik, J. Pohl, M. R
Ranisch, C. Reischl, D. Rey, I.
Rinderknecht, S.
Rizzello, G. Rohlfing, J. Rudolph, T. 15, 46
6, 10
14, 37
11, 23
12, 35
12, 27
11, 24
12, 35
10, 21
16, 47
10, 19
6, 10, 16, 47
12, 34
14, 36
11, 22
S
Salloum, R. 10, 31
Schaaf, P. 11, 22
Schagerl, M. 14, 44
Schibli, S.
Schirmacher, R. 10, 19
Schmidt, S. 10, 31
Schönecker, A. 6, 15
Schramm, D. 11, 26
Schriever, S. 11, 22
Schroll, K.
Schubert, L. 14, 43
Schüller, M. 10, 30
Schwerter, M. 12, 33
Seelecke, S.
6, 12, 16, 34, 41
Seide, G. 11, 12, 22, 33
Sen, S. 11, 22
Sinapius, M. 6, 14, 37
Spancken, D. 10, 31
Speer, K. 12, 35
Starke, E. 10, 31
Steinmetz, J. 14, 37
Stephan, T.
T
Takagi, K. Tamm, C. Thiel, J. Töws, P. Tröltzsch, J. Trümper, W.
Türke, S. Tutu, S. U
Ullrich, M. Unruh, O. 15, 38
15, 38
10, 31
10, 30
11, 26
15, 39
14, 37
10, 21
W
Walther, A. 11, 22
Wassenaar, J. 12, 29
Weigelt, T. 11, 26
Weihnacht, B. 14, 43
Weise, B. 11, 22
Wiedemann, M.
3, 6, 12, 28
Wierach, P. 15
Winkler, A.
10, 14, 31, 43
Wölfel, P. 14, 43
Y
York, A. 12, 16, 34, 41
Z
Zaudtke, O. 11, 23
Zellhofer, M. 10, 19
Zenz, G. 10, 19
Zhao, Y. 14, 44
Ziegmann, G. 11, 23
Zobel, F. 16, 42
Zwinscher, Y. 11, 25
14, 37
49
Aussteller
PI Ceramic GmbH
Lindenstrasse
D-07589 Lederhose
T + 49 (36604) 882-4210
F +49 (36604) 882-4249
E [email protected]
www.piceramic.com
PI Ceramic gilt als weltweit führendes Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer
Piezoprodukte. Große Erfahrung im komplexen Entwicklungs- und Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente verbunden mit modernster Produktionsausstattung gewährleisten hohe
Qualität, Flexibilität und Liefertreue. Prototypen und Kleinserien kundenspezifischer Piezobaugruppen
stehen bereits nach kurzen Bearbeitungszeiten zur Verfügung. PI Ceramic besitzt darüber hinaus die
Kapazitäten für die Herstellung mittlerer und großer Serien in automatisierten Linien. PI Ceramic ist
ein Tochterunternehmen der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG und hat seinen Sitz in Lederhose, Thüringen.
Das Produktsortiment setzt sich zusammen aus Piezoelementen- und Komponenten, Aktoren im
Hoch- und Niedervoltbereich, Piezo-Biege-Aktoren sowie der dazugehörigen Verstärkertechnologie.
Weiterführende Informationen finden Sie unter:
http://piceramic.de/produkte.html
Fraunhofer-Institut für
Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
Bartningstr. 47
D-64289 Darmstadt
T + 49 (6151) 705 0
www.lbf.fraunhofer.de
Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Lilienthalplatz 7
D-38108 Braunschweig
T +49 (531) 295-2301
www.dlr.de/fa
Die Adaptronik-Pioniere in Europa
Seit 1989 arbeitet die Abteilung Adaptronik als einer der ersten europäischen Forschungsgruppen an
technologischen Lösungen aus dem Gebiet der Adaptronik.
Adaptronik gilt als eine interdisziplinäre Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts zur Schaffung
einer neuen Klasse von sogenannten “adaptiven Struktursystemen”. Voraussetzung dafür ist die systemoptimale Integration von Sensoren und Aktuatoren auf der Basis von Multifunktionswerkstoffen
wie z.B. Piezokeramiken, Formgedächtnislegierungen oder magnetostriktive Materialien in die lasttragende Struktur. Kombiniert mit optimierter Regelungstechnik und Leistungsversorgung realisieren wir
quer durch alle Branchen neue Lösungsansätze zur aktiven
•
•
•
Vibrationsunterdrückung (z.B. bei optischen Systemen)
Lärmreduktion (z.B. in Magnetresonanztomografen)
Gestaltkontrolle (z.B. bei Flugzeugflügeln)
bei variierenden operationellen Bedingungen.
Mit unserer jahrelangen Erfahrung decken wir die gesamte Prozesskette zur Realisierung eines adaptronischen Systems ab, so dass unser Motto lautet:
„Von der Struktur zum adaptiven System“
Leistungsprofil:
MIT SICHERHEIT INNOVATIV.
Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt, bewertet
und realisiert im Kundenauftrag maßgeschneiderte Lösungen für maschinenbauliche Komponenten
und Systeme, vor allem für sicherheitsrelevante Bauteile und Systeme. Der Leichtbau steht dabei im
Zentrum der Überlegungen. Neben der Bewertung und optimierten Auslegung passiver mechanischer
Strukturen werden aktive, mechatronisch-adaptronische Funktionseinheiten entwickelt und prototypisch umgesetzt. Parallel werden entsprechende numerische sowie experimentelle Methoden und
Prüftechniken vorausschauend weiterentwickelt. Die Auftraggeber kommen aus dem Automobil- und
Nutzfahrzeugbau, der Schienenverkehrstechnik, dem Schiffbau, der Luftfahrt, dem Maschinen- und
Anlagenbau, der Energietechnik, der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Medizintechnik, der chemischen Industrie und weiteren Branchen. Rund 500 Mitarbeiter und modernste Technologie auf mehr
als 11 560 Quadratmetern Labor- und Versuchsfläche an zwei Standorten in Darmstadt stehen zur
Verfügung.
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Systemanalyse und Identifikation
Modellierung und Simulation komplexer adaptiver Systeme
Reglerentwicklung und Implementierung
Sensor- und Aktuatorentwicklung
Systemintegration, Validierung und Demonstration
Die Abteilung Adaptronik, welche in 2001 vom DLR-Vorstand die Auszeichnung zum „Center of
Excellence“ erhielt, leitet zahlreiche nationale und internationale Projekte. Ein Meilenstein der Adaptronik in Deutschland markiert dabei das vom BMBF geförderte Leitprojekt ADAPTRONIK. Darüber
hinaus ist die Abteilung Adaptronik verantwortlich für das Kompetenznetz ADAPTRONIK.
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Aussteller
Opel Group GmbH
Bahnhofsplatz 1
D-65423 Rüsselsheim
T +49(0) 6142 7-70
E [email protected]
www.opel.de
Opel – das Unternehmen
Opel wurde im Jahr 1862 von Adam Opel im hessischen Rüsselsheim gegründet und ist einer der
größten europäischen Automobilhersteller. Das Unternehmen verkauft jährlich mehr als eine Million
Fahrzeuge.
Opel investiert in Wachstum und befindet sich in der größten Produktoffensive der Unternehmensgeschichte: Von 2016 bis 2020 bringt die Marke 29 neue Modelle auf den Markt. Im Jahr 2015 hat
Opel einen Meilenstein seiner Offensive präsentiert – den neuen Astra: Er ist ein Quantensprung
in Sachen Effizienz, Vernetzung und innovativer Ausstattung. Darüber hinaus hat die Marke mit
Fahrzeugen wie dem kompakten SUV Mokka, dem Lifestyle-Kleinwagen ADAM und dem eleganten
Cabrio Cascada erfolgreich neue Segmente besetzt.
Anspruch von Opel ist es, Hightech für alle in allen Segmenten zu bieten – zu bezahlbaren Preisen.
Das Unternehmen macht deutsche Ingenieurskunst einer breiten Bevölkerungsschicht zugänglich und
überrascht mit Innovationen, die man sonst nur aus der Oberklasse kennt. Im Astra finden sich zum
Beispiel hochmoderne Fahrerassistenz-Systeme und das blendfreie Matrix-Lichtsystem IntelliLux LED®.
Die Marke versteht sich als Wegbereiter der digitalen Vernetzung zwischen Mensch und Auto und
setzt mit dem persönlichen Online- und Service-Assistenten Opel OnStar mit 4G/LTE WLAN-Hotspot
Maßstäbe im Volumensegment. Auf dem Weg zum umfassenden Mobilitätsdienstleister wurden
innovative Konzepte wie die Carsharing-App CarUnity auf den Markt gebracht.
Opel ist Teil von General Motors und hat seine Zentrale am Traditionsstandort Rüsselsheim. Das
Unternehmen produziert in zehn Werken und betreibt drei Entwicklungs- und Testzentren in sieben
europäischen Ländern; es hat rund 35.600 Mitarbeiter, davon mehr als 18.250 in Deutschland. Opel
und seine britische Schwestermarke Vauxhall sind in mehr als 50 Ländern vertreten.
Aktuelles aus dem Kompetenznetz Adaptronik
Die 4SMARTS-Schirmherren Fraunhofer-Institut
für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und Deutsches Zentrum für Luft- und
Raumfahrt e.V. (DLR) leiten auch das Cluster
Kompetenznetz Adaptronik e.V.
Das Technologienetzwerk wurde 2007 als RheinMain Adaptronik e. V. in Darmstadt gegründet.
Im Zuge der bundesweiten Ausweitung der
Vereinsaktivitäten hat sich der Verein 2014 in
Kompetenznetz Adaptronik umbenannt. Er bündelt die führenden deutschen Kompetenzen auf
dem Gebiet der Adaptronik und ist damit die
zentrale Anlaufstelle für Adaptronik im deutschsprachigen Raum.
Zu den Mitgliedern gehören kleine und mittlere
Betriebe sowie große Industrieunternehmen,
hinzu kommen Universitäten, Hochschulen und
Forschungseinrichtungen. Der Verein bietet damit
ein breites Kompetenzspektrum rund um die Adaptronik, von Materialien und Werkstofftechnik
über Sensorik und Aktorik bis hin zu Prototyping
und Prüftechnik, von der Grundlagenuntersuchung bis zur Anwendung.
Ziel des Kompetenznetz Adaptronik ist es, Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft, die an
unterschiedlichen Stellen der Wertschöpfungskette forschen, entwickeln oder anwenden, zu
vernetzen und weitere Potenziale der Technologie
zu erarbeiten und auszuschöpfen.
Der Verein bietet seinen Mitgliedern eine Plattform zum offenen Dialog, zum vertrauensvollen
Erfahrungsaustausch und zur Initiierung und
Umsetzung gemeinsamer Projekte. Darüber
hinaus zählen u. a. Informationen zu Förderoptionen und Fachveranstaltungen, gemeinsame
Marketingaktivitäten sowie Vermittlung von Kooperationspartnern zu den Zielen.
Das Kompetenznetz Adaptronik richtet sich vor
allem an die Zielmärkte Automotive, Luft- und
Raumfahrt, Maschinen- und Anlagenbau und Automatisierungstechnik.
Werden Sie Mitglied und profitieren Sie vom
Leistungsangebot des Vereins und den Kooperationsmöglichkeiten mit den Netzwerkmitgliedern.
Geschäftsstelle
Kompetenznetz Adaptronik
c/o Fraunhofer LBF
Bartningstraße 47
D - 64289 Darmstadt
[email protected]
www.kompetenznetz-adaptronik.de
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Bauteilen zuhören mit
Ultraschall-Dehnmessfolien
21.–22. Juni 2017
Braunschweig
Deadline zur Vortragseinreichung: 25.11.2016
Piezoelektrische Ultraschall-Dehnmessfolien für AE Testing und Funktionsintegration
Materialversagen verstehen,
Betriebsfestigkeit optimieren,
Leichtbaupotenziale heben.
pd2m
pd2m GmbH
c/o TU Darmstadt
Landgraf-Georg-Str. 4
64283 Darmstadt
[email protected]
w w w.pd2m.de
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www.4smarts.inventum.de
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Tagungsorganisation
INVENTUM GmbH
Postfach 20 07 14 . D-53137 Bonn
[email protected]
www.4smarts.inventum.de
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