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Aktiv gegen Schwingungen

08.04.2005 - (idw) Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Bauteilverkleidungen von laufenden Maschinen und Fahrzeugen schwingen störend, in der Fertigung vibrieren Werkzeuge: Technischer Fortschritt, Leichtbau, Vibrationen und auch Lärm gehören eng zusammen. Abhilfe versprechen adaptronische, aktive Bauteile: Sie können dafür sorgen, dass Maschinen- oder Fahrzeugvibrationen - und damit auch der Lärm - geringer werden. Weiterer Vorteil: Bei Werkzeugen mehr Präzision, bei Fahrzeugen mehr Komfort, Leichtbau und Sicherheit. Auf der Hannover Messe (11. - 15. April in Han-nover) zeigen Forscher am Fraunhofer-Stand E30 in Halle 2 neueste adaptronische Komponenten für Automobil- und Werkzeugbau. Haltestelle Busbahnhof. Der Fahrer liest gemütlich seine Morgenzeitung. Nach einem Blick auf die Uhr startet er den Motor. Zu dem monotonen Brummen des Motors entstehen starke Vibrationen. Vor allem die Seitenverkleidungen schwingen und dröhnen laut. "Das Beispiel Bus verdeutlicht eindrucksvoll, wie eng Schwingungen und Lärm miteinander verbunden sind", erklärt Dr.-Ing. Tobias Melz vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Der Forscher ist fest davon überzeugt, dass schon bald Produkte des Automobil- und Werkzeugmaschinenbaus mittels Adaptronik optimiert werden. Im Projekt FASPAS (Funktionsverdichtete adaptive Strukturen durch Kombination von Piezotechnik und Softwaretechnologie autonomer Systeme) erarbeiten derzeit Wissenschaftler aus fünf Fraunhofer-Instituten Lösungen aus einer Hand für adaptronische Werkzeuge und Fahrzeugbauteile. Dabei decken sie das gesamte Spektrum von der Materialwissenschaft bis zur Systemzuverlässigkeit ab. Auf der Hannover Messe stellen die FASPAS-Wissenschaftler neben einem adaptiven multiaxialen Interface, das zunächst für den Kfz-Einsatz entwickelt wird, auch eine adaptive torsions- und biegesteife Strebe und eine Spindellagerung für den Einsatz in Werkzeugmaschinen vor.

Intelligente adaptronische Bauteile erkennen Schwingungen und arbeiten ihnen kontrolliert entgegen, etwa durch Einleitung einer Gegenschwingung oder durch aktive Dämpfung. Möglich wird dies dadurch, dass Funktionsmaterialien wie piezoelektrische oder magnetostriktive Werkstoffe in mechanische Bauteile integriert und dort sowohl sensorisch wie auch aktorisch genutzt werden. Als sensorisches Element detektieren sie Schwingungen, die an eine Rechnereinheit gemeldet werden, dem Regler. Dort wird die Störung bewertet und ein geeignetes Signal zur aktiven Bekämpfung der Störung berechnet. Dieses wird an das aktorische Element geleitet und dort in die Struktur gekoppelt. Derart wird der Störung gezielt entgegen gewirkt und die weitere Störaus-breitung verhindert. So kann das aktive System eine Bedämpfung oder Entkopplung der Störquelle bewirken bzw. das Auslöschen der Vibrationen erreichen. An einer Stimmgabel lässt sich die Funktionsweise gut erklären: Schlägt man die Stimmgabel an, wird eine Schwingung in der Struktur erzeugt und die Gabel in Resonanz erregt. Beklebt man die Stimmgabel mit Piezokeramiken, werden diese Schwingungen erfasst, der Regler bestimmt ein störminderndes Stellsignal, das dann aktorisch wirksam in die Gabel eingeleitet wird. Das aktive System reagiert beim Anschlagen sofort, die Stimmgabel verstummt. Nach diesem Prinzip lassen sich eine Vielzahl von technischen Systemen optimieren. Die Forscher erwarten, dass die Adaptronik neben der Automobiltechnik und dem Werkzeugmaschinenbau in viele Branchen - Optik, Schiffbau, Anlagenbau, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung -einziehen wird.

In FASPAS sind neben dem LBF das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, das Fraunhofer-Institut für Autonome intelligente Systeme AIS, das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe IKTS und das Fraunhofer-Institut für Silicatfor-schung ISC beteiligt. Die FASPAS-Wissenschaftler entwickeln neue Methoden und Werkzeuge zur Realisierung adaptiver Struktursysteme und erproben diese mit prototypischen Demonstratoren für den Praxistest. So für ein aktives Interface, das in einem Labortest zwischen Federbein und Karosserieblech geschaltet das Prinzip verdeutlicht. Mit störenden Schwingungen erregt - ähnlich wie bei der Fahrt auf der Straße, wo Fahrbahnrauhigkeiten und der Motor zu Vibrationen und Lärm führen, erregen die Vibrationen ein auf dem Blech stehendes Wasserglas. Die unruhige Flüssigkeit ver-deutlicht die sich in einer Karosserie ausbreitenden Vibrationen. Wird das aktive Interface zugeschaltet, glättet sich die Wasseroberfläche sofort. Die Störungen werden nicht mehr in die Karosserie geleitet, Fahrverhalten und Komfort steigen. Zur Zeit werden die Strukturen unter typischen Lasten im Fahrbetrieb erfolgreich getestet. Zwei Interfacestrukturen werden ausgestellt.

Ein weiteres Exponat ist eine aktive Strebe der Experimental-lattform 3POD. "Die Strebe beinhaltet Sensoren und Akto-ren und reduziert aktiv Torsions- und Biegeschwingungen. So werden gleichzeitig Steifigkeits- und Leichtbaueigenschaften verbessert", erklärt Melz. "Durch diese aktiven Maß-nahmen werden deutlich bessere Fertigungsqualitäten in Werkzeugmaschinen erreichbar." Zudem werden auf dem Stand eine aktive Einheit zur Minderung von Axialschwingungen in Werkzeugmaschinen, verschiedene neuartige piezokeramische Aktoren und Sensoren und ein Demonstrator zur aktiven, geregelten Schwingungsminderung unter Verwendung von Embedded Systems gezeigt.

Weitere Informationen: http://www.faspas.de/
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