Adaptronik

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Adaptronik (Kunstwort aus adaptiv und Elektronik) ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau adaptiver (selbstanpassender), aktiv reagierender mechanischer Struktursysteme befasst. Die in der Adaptronik verwendeten Aktoren werden, anders als in der Mechatronik, direkt in den Kraftfluss integriert und nutzen die elastomechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien aus. (Wikipedia, 12.1.2018; https://de.wikipedia.org/wiki/Adaptronik)

Im Gegensatz zu passiven Schwingungsdämpfung (Dämpfer z.b. im Fahrwerk von Automobilen) benötigen Adaptronische Systeme eine externe Energiequelle sowie eine geeignete Sensorik & Regelung zur Wirkungsvollen Schwingungsminderung. Der Vorteil Adaptronischer Systeme besteht in dem großen wirkungsvollen Frequenzbereich gegenüber Passiver Schwingungsdämpfung. Auch ist das Anwendungsspektrum adaptronischer Systeme deutlich größer (verschiedene Aktorprinzipien, Räumliche Trennung von Sensorik, Aktorik, Regelung und Energiequelle etc.)

Typische Anwendungsszenarien sind Noise Cancellation ( vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Antischall), Strukturdämpfung in Leichtbaustrukturen, die aufgrund der geringeren Masse schwingungsanfällig sind oder Adaption derselbigen (Formgedächtnislegierungen).

In der Praxis bewährt sich meist eine Mischung von Passiver Dämpfung (Schalldämmung – Dämpfung hoher Frequenzen) und Adaptronik (Dämpfung tiefer Frequenzen). Folgendes Beispiel zeigt das Zusammenspiel von Passiver und aktiver Schalldämpfung in einer Lüftungsanlage:


Aufbau einer active noise cancellation in einer lueftungsanlage.png
Skizze eines Aufbaus zur Aktiven Geräuschreduzierung in einer Lüftungsanlage


Vergleich passiver adaptiver daempfung und kombination.png
Vergleich der Geräuschdämpfung passiver, aktiver und kombinierter Dämpfung

Entwicklung

Der erste Einsatz Adaptronischer Systeme diente der Schwingungstilgung von raumfahrttechnischen Leichtbaustrukturen im Rahmen der Strategic Defense Initiative (1983-88) zur satellitengeschützten Raketenabwehr. Dies führte unter anderem zur Definition einer neuen Strukturklasse der „ Intelligent“ oder „Smart Structures“. Ab den 90er Jahren findet sich der Terminus „Aktiv Reagierende Elastische Strukturen“ oder „Adaptronik“ ausschließlich im Deutschen Sprachgebrauch während „Smart Structures“ bzw. „Smart Materials“ im Angelsächsischen weiterhin Verwendung finden. Die Namensgebung beruht auf den meist verwendeten Strukturintegrierten Aktoren wie z.B. dünne Piezo-Plättchen die nur schwer oder gewollt nicht sichtbar sind (So können z.B. Schwingungsmindernde Aktoren zwischen den Lagen eines Faserverbundwerkstoffes eingearbeitet werden).

Photonik und Adaptronik

Photonische Technologien ermöglichen höchste Genauigkeiten in technischen Anwendungen, beispielsweise bei der Nutzung von Lasern für messtechnische Aufgaben und in der Fertigung (Laserschneiden) oder in der optischen Messtechnik. Diese Präzision wird nur gewährleistet, wenn die entsprechenden Komponenten von störenden Einflüssen der Umwelt weitgehend isoliert werden. Eine der Hauptursachen für verringerte Genauigkeit bei der Anwendung photonischer Technologien sind störende Schwingungen. Die hohe Präzision photonischer Systeme lässt sich daher nur durch die Integration innovativer, aktiver Systeme zur Schwingungsminderung erreichen. Bekannte Beispiele sind die aktive Schwingungsisolierung für Mikroskope, astronomische Forschungsteleskope (z.B. SOFIA[1]), oder die optischen Tische für Versuche mit Lasern. Auch in Konsumprodukten auf Basis photonischer Technologien, z.B. in modernen Digitalkameras finden sich Bildstabilisierungen. Störende Schwingungen stellen auch bei alltäglichen Anwendungen der Photonik, wie bei der möglichst trittschallisolierten Aufstellung von Beamern, breite Kreise vor ähnliche Aufgaben. Eine interessante Herausforderung stellt auch die Störung der Sensoren und Kameras autonomer Fluggeräte für den Hobbybereich (Arducopter) dar. Innovationen in photonischen Technologien sind daher fest mit Innovationen im Bereich der Schwingungsminderung, z.B. der aktiven und adaptronischen Systeme verknüpft.


Einteilung

Adaptronische Systeme zeichnen sich besonders durch die Zusammenstellung von Sensorik und Aktorik in einem geschlossenen Regelkreis aus. Folgende Grafik gibt einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten der Schwingungstilgung:

Vergleich schwingungstilgung systeme.png


Dabei kann keines dieser Systeme als "ideal" angesehen werden. Eher wird je nach Anwendungsfall unterschieden, welcher Aufbau sinnvoll ist.

Besonderheiten

Im Gegensatz zu rein passiven Systemen bieten adaptronische Systeme eine höhere Flexibilität im Einsatz an, von schaltbaren Feder- oder Dämperelementen bis hin zur frei verstellbaren Dämpfung einer Steifigkeit z.B. eines Piezo-Aktors. Durch schnell schaltende Elemente und direkter Messung der Schwingungen kann eine direkte, optimierte Schwingungsminderung erreicht werden.


Aufbau adaptronischer Systeme

Wie bereits erwähnt benötigt man folgende Elemente zum Aufbau einer aktiven Schwingungsminderung:

- Sensorik

- Aktorik

- Energiequelle

- Regelung, z.b. eine Digitale Regelung


Im Allgemeinen ist vor dem Aufbau eines solchen Systems aufgrund der Komponentenkosten eine Analyse notwendig, um sowohl die kritischen Frequenzen eines Aufbaus als auch die gewünschte Bandbreite und Leistungsfähigkeit der Komponenten aufeinander abzustimmen. Einfachste Analysen können bereits mit dem eigenen Smartphone kostenfrei durchgeführt werden.

  1. Stepp, Larry M. et. al. (2014): Implementation of an active vibration damping system for the SOFIA telescope assembly, SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, Montréal.

Stepp, Larry M. et. al. (2014): Implementation of an active vibration damping system for the SOFIA telescope assembly, SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, Montréal