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Version vom 13. April 2018, 09:04 Uhr

OpenAdaptronik ist ein Projekt, welches die Adaptronik für die Maker-Bewegung in der Photonik aufbereitet. Im Rahmen von OpenAdaptronik werden einfache Vorgehensweisen zum Aufbau und Einbindung adaptronischer Maßnahmen in der Photonik erarbeitet, mit der Maker-Szene diskutiert und veröffentlicht. Es wird eine Plattform entstehen, auf der jeder mitmachen und seine eigne Kreativität ausleben kann.

Diese Seite ergänzt vorhandene Wikipedia-Seiten und erklärt das Thema Adaptronik für die Maker-Bewegung in der Photonik. Theoretische Grundlagen die in Wikipedia dargestellt werden, sind verlinkt.


Das Projekt

Die hohe Präzision, welche durch photonische Technologien z.B. bei der Laserbearbeitung oder optischer Messtechnik möglich ist, lässt sich nur erreichen, wenn störende Schwingungen von den sensitiven Komponenten ferngehalten werden. Bisher werden diese durch hochspezialisierte und entsprechend teure aktive Systeme vermindert. Bekannte Beispiele sind die aktive Schwingungsisolation für Mikroskope, astronomische Forschungsteleskope, 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 ebenfalls die Störung der Sensoren und Kameras autonomer Fluggeräte für den Hobbybereich (z.B. Arducopter) dar. Die zugrundeliegende Technologie der Adaptronik steht derzeit nur großen Unternehmen und Forschungseinrichtungen zur Verfügung, welche sich mit der Entwicklung photonischer Systeme beschäftigen. Das Projekt "Open Adaptronik" hat das Ziel, diese Technologie für eine breite Anwenderschaft durch die Entwicklung eines Open Source Toolkits – einem frei verfügbaren Baukasten - für die Adaptronik zu erschließen. Insbesondere werden so den in der Entwicklung photonischer Technologien tätigen kmU´s Werkzeuge zur Verfügung gestellt, mit denen sich die Präzision ihrer Produkte und Entwicklungen durch leistungsfähige und dennoch preiswert herzustellende adaptronische Systeme zur Schwingungsminderung deutlich verbessern können.

BMBF Initiative

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt „Open Adaptronik“ über drei Jahre im Rahmen der Fördermaßnahme „Open Photonik“. Ziel der Maßnahme ist es, am Beispiel der Photonik neue Formen der Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft mit Bürgern zu ermöglichen und damit zusätzliche Innovationspfade und -potentiale zu erschließen. Die Maßnahme läuft im Rahmen des Programms „Photonik Forschung Deutschland“, sie ist Bestandteil der High-Tech-Strategie der Bundesregierung.

Projektinhalt

Der Werkzeugkasten soll dazu dienen, dass der Nutzer (den in der Entwicklung photonischer Technologien tätigen kleinen und mittelständischen Unternehmen)sein spezielles Schwingungsproblem durch rechnergestützte Verfahren leicht simulieren und somit besser analysieren kann. Auch kann er ein grundsätzliches Verständnis von schwingungstechnischen Aufgaben in photonischen Systemen (resonante Schwingungen, verschiedene Arten von Störungen, …) erlangen. Darüber hinaus dient diese Simulation zur Auslegung und Dimensionierung geeigneter preiswerter Komponenten, so dass der Entwickler mit geringem Mitteleinsatz eine auf sein photonisches System zugeschnittene Lösung erarbeiten und prototypisch umsetzen kann.

Die zu entwickelnden Werkzeuge und Systeme werden unter geeigneten Open Source Lizenzen zur Verfügung stehen. Besonderer Wert wird darauf gelegt, dass die adaptronischen Systeme unter Einsatz leicht zu beschaffender Komponenten realisiert werden können, um die Technologie der breiten Öffentlichkeit leicht zugänglich zu machen und die Eintrittshürden für eigene wissenschaftlich-technische Untersuchungen zu senken. Eine offene Plattform zur Dokumentation der Werkzeuge und Entwürfe komplettiert das Open Source Toolkit.

Zur Erreichung dieser Ziele werden im Projekt zunächst offene Plattformen zur Schwingungsmessung entwickelt, welche eine einfache Problemanalyse am jeweiligen photonischen System ermöglichen. Mit Hilfe von Open Source Plattformen werden weiterhin offene Simulations- und Modellierungswerkzeuge geschaffen, welche eine einfache Auslegung des adaptronischen Systems ermöglichen. Schließlich werden auch offene Entwürfe für adaptronische Systemkomponenten (Sensoren, Elektronik, Aktorik) entwickelt, welche sich preiswert und flexibel z.B. in FabLabs herstellen lassen und leicht an das eigene photonische System und Schwingungsproblem angepasst werden können. Die Komponenten werden gegen herkömmliche Standardlösungen evaluiert, um ihre Leistungsfähigkeit einschätzen zu können. Das Toolkit soll in repräsentativen Beispielanwendungen aus der Photonik, z.B. der Bildstabilisierung einer Kamera oder eines optischen Tischs zur Anwendung kommen und evaluiert werden.

In Ergänzung dazu wird das Fraunhofer LBF selbst eine Verwertung vornehmen, indem es bei solchen Entwicklungs- oder Engineering-Projekten unterstützend tätig wird. Eine im Projekt entstehende, freie Wissensplattform wird zudem dokumentierte und versionierte Weiterentwicklungen des Open Source Toolkits nicht nur durch das LBF, sondern durch alle Nutzer ermöglichen. Insbesondere soll auch der Austausch zwischen potentiellen Kunden und Anbietern für die obigen Lösungen und Dienstleistungen ermöglicht werden. Das Projekt und dessen Verwertung werden durch das FabLab Darmstadt vielfältig unterstützt.

Alternativer Text

Projektpartner

Fraunhofer LBF Am Fraunhofer LBF werden anwendungsorientiert wissenschaftliche Fragestellungen aus den drei Themenbereichen Betriebsfestigkeit, Systemzuverlässigkeit und Adaptronik bearbeitet. Letzter beinhaltet unter anderem adaptive und aktive Maßnahmen zur Schwingungsminderung, das Monitoring von mechanischen Systemen sowie die Aktor- und Sensorentwicklung und somit Aufgabenstellungen, die auch für diese Vorhaben von großer Relevanz sind. Der Bereich Adaptronik des LBF stellt inzwischen die europaweit größte Forschungsgruppe in diesem Thema dar. Konkrete Vorhaben an photonischen Anwendungen sind zum Beispiel die Entwicklung aktiver Systeme zur Schwingungsminderung an optischen Tischen und für die optische Kommunikation, sowie die Isolation von Kameras in Kleinsthelikoptern. Eine für das Projekt wesentliche Vorarbeit ist die Etablierung einer Entwicklungsmethode für adaptronische Systeme. Auch sind erste Arbeiten zur Realisierung von preisgünstigen Komponenten durch 3D-Druck und MEMS-Sensorik erfolgt.

TU Darmstadt (Unterauftragnehmer) Das Darmstädter „Fabbing & Founding“ beschäftigt sich mit den Auswirkungen der „digital Fabrication“ (digitale Fertigung) auf Wirtschaft und Innovationen. Der Begriff „digital Fabrication“ umfasst all jene Technologien, die es ermöglichen, aus digitalen Vorlagen reale Gegenstände zu fabrizieren, u.a. 3D-Drucker, Fräsen und Laserschneiden. Im FabLab Darmstadt können interessierte Personen neue Technologien der digitalen Fabrikation ausprobieren und mit Ihnen experimentieren. Das Fatlab bietet einen Raum, in dem sich Tüftler, Bastler, Kreative, Erfinder, Tekkies, Forscher und Programmierer zum gemeinsamen Arbeiten und zum Austausch treffen. Zudem wird das generierte Wissen durch verschiedenste Programme an Unternehmen (insbesondere KMU´s), Start-ups, Gründer, User-Entrepreneure und Studierende weitergegeben. Studierende der Darmstädter Universitäten, Forscher, Bastler, Kreative und „Tekkies“ nutzen bereits die Plattform zur gemeinsamen Gestaltung neuer Technologien und Produkte und führen einen regen Austausch über interdisziplinäre Problemstellungen. Darüber hinaus stellt das Fablab Experten für CAD Modellierung zur Verfügung, die auch ein sehr breites Knowhow im Bereich von unterschiedlichsten 3D-Druck-Verfahren besitzen. Diese reichen von sehr günstigen Verfahren wie FDM über Erfahrungen mit der Aufbereitung von Geometrien für SLS oder Polyjeting.

Mitmachen

Open Innovation bezeichnet die Öffnung des Innovationsprozesses für Beteiligte außerhalb einer Organisation wie beispielsweise Unternehmen oder Instituten. Kunden und Nutzer können z. B. bei Open Source Produkten nicht nur die Rolle von Konsumenten einnehmen, sondern aktiv an der Weiterentwicklung und Verbesserung teilhaben. Während der Open Source Gedanke für Software-Produkte (z. B. das Android- Betriebssystem für Handys, Webbrowser oder auch Wikipedia) fest etabliert ist, gewinnt er aktuell auch in anderen Bereichen an Bedeutung. Ein Beispiel hierfür ist der 3D-Druck - eine in der Industrie seit Jahrzehnten eingesetzte Technik wurde durch preiswerte Open-Source-Lösungen für einen breiteren Anwenderkreis nutzbar und konnte erst so ihren Siegeszug antreten. Ein anderes Beispiel ist die Arduino-Plattform, die Mikrocontroller durch offene Hardware und eine frei verfügbare Programmieroberfläche leichter und besser nutzbar macht.

Zentrales Element des Projekts ist die webbasierte Wissensplattform, die im Laufe des Projekts entstehen wird. So füttern nicht nur die Wissenschaftler die Plattform mit Werkzeugen, Anleitungen und ersten Praxisbeispielen – dieses Sortiment deckt bereits die gesamte Kette von der Problemanalyse bis hin zur Entwicklung angepasster Hardware-Komponenten ab. Denn erst die Beiträge der Nutzer in Form von eigenen Anleitungen und Praxisbeispielen für ganz individuelle Entwicklungen erweckt die Wissensplattform zum Leben. Eine wichtige Säule für den Erfolg der Plattform ist im Dialog mit und unter den Nutzern zu sehen: Ganz im Sinne einer Open Source-Strategie sollen die einzelnen Teile des Baukastens gemeinsam mit Nutzern verbessert werden. Auch der Austausch zwischen Anbietern und potentiellen Kunden von Lösungen und Dienstleistern soll über die Plattform möglich sein.

Adaptronik

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.

Grundlagen der Adaptronik

Früher wurde der Begriff Adaptronikfür ein sehr kleines Technologiefeld genutzt. Mittlerweile wurden von einigen Forschungseinrichtungen [2] die Themen aktive Schwingungs- und Lärmreduktion, aktive Formkontrolle, Monitoring (Schadenserkennung), Energy Harvesting und Smarte Komponenten unter dem Begriff Adaptronik gebündelt. Adaptronische Komponenten haben in den letzten Jahren den Einzug in immer mehr Produkte gefunden und den Bereich der reinen Forschung schon längst verlassen. Trotzdem ist die Entwicklung von adaptronischen Komponenten eine komplexe und schwierige Aufgabe, die viel Erfahrung benötigt. Es werden Kompetenzen in der Strukturdynamik, in der Aktorik, in der Signalverarbeitung und in der Sensorik benötigt. OpenAdaptronik wird diese Themen anschaulich und für jeden verständlich aufbereiten.

Strukturdynamik

Die Strukturdynamik untersucht die Antwort von Strukturen auf dynamische, also zeitlich veränderliche, Lasten. Die Strukturen können dabei rein mechanische Strukturen oder multiphysikalisch, zum Beispiel elektromechanisch, sein. Lasten sind die auf die Struktur einwikenden Einflüsse wie Kräfte, Drücke oder auch elektrische Spannungen an elektromechanischen Strukturen. Die Antwort der Struktur sind zum Beispiel resultierende Verformungen oder Dehnungen. Das Antwortverhalten einer Struktur kann experimentell durch Frequenzganganalyse oder Modalanalysen oder durch numerische Analysen zum Beispiel an diskreten Merhkörpermodellen oder diskretisierten Finite-Elemente-Modellen kontinuierlicher Strukturen ermittelt werden. Das Antwortverhalten der Struktur kann Ausganspunkt für Festigkeits- und Lebensdauerbetrachtungen, Kompfortbetrachtungen oder Strukturoptimierungen sein.

Sind die Lasten in hinblick auf die resultierende Anregung des Systems klein, so liegt häufig ein - zumindest annähernd - linearer Zusammenhang zwischen Last und Antwort vor, so dass von linear-elastischen Systemen geprochen werden kann. Solche Systeme lassen sich vorteilhaft im Frequenzbereich untersuchen, das Antwortverhalten wird dann durch die Übertragungsfunktion im frequenzbereich beschrieben.

Sensorik

Die Sensorik ist ein Teilgebiet der Messtechnik und befasst sich mit der Entwicklung und dem Einsatz von Sensoren. In der Adaptronik werden Sensoren vorzugsweise zum Erfassen mechanischen Größen verwendet. Dabei wandelt der Sensor nichtelektrische Größen wie Druck, Kraft, Drehmoment, Ausschlag, Beschleunigung und Geschwindigkeit in eine elektrische Größe (Widerstand, Kapazität, Ladung, Induktivität, Frequenz, Spannung oder Strom). Im allgemeinem setzt sich der Sensor dabei aus den Wandlungsblöcken Primärsensor, Primärelektronik und Sekundärelektronik zusammen. Je nach Integrationsgrad können jedoch einzelne Varianten davon abweichen. Der Primärsensor oder auch Sensorelement vollzieht die Umwandlung der nichtelektrischen Größe in eine elektrische Zwischengröße (∆R, ∆C, ∆Q, ∆L oder ∆f). Die Primärelektronik erzeugt aus diesen Zwischengrößen ein verstärktes Spannungs- oder Stromsignal. Der Verstärker ist hierbei signifikant, um den Störabstand zu gewährleisten. Des Weiteren wird in dieser Stufe der minimale und maximale Ausgangspegel an die Eingangsstufe der Sekundärelektronik angepasst. Häufig erfolgt hierbei auch schon eine Analog-Digital-Umsetzung. Die Sekundärelektronik dient zur Signalaufbereitung einschließlich der Fehlerkorrektur, Speicherung und Umwandlung in ein standardisiertes analoges Ausgangssignal (z.B. 4mA bis 20mA). Oft wird an dieser Stelle auch eine digitale Ausgabe realisiert mit einer entsprechenden Bus-Ankopplung. Das so erzeugte Ausgangssignal kann unteranderem zur Überwachung von Prozessen oder als Eingangsparameter einer Regelung verwendet werden.

Regelung

Bei der Regelung handelt es sich um einen weiteren Baustein der Adaptronik. Im Regler werden die Zustände eines physikalischen Systems mit Hilfe von Sensoren erfasst und ein Ausgangssignal berechnet. Das Ausgangssignal wird dann zur Ansteuerung einer oder mehrerer Aktoren genutzt. Die Berechnung der Ausgangssignale geschieht dabei mit Hilfe von bestimmten Regelgesetzten. Die Regelgesetzte können dabei zum einen über elektronische Schaltungen auf Basis von Operationsverstärkern oder mit Hilfe von digitalen Signalprozessoren berechnet werden.

Beim Entwurf von Regelungen muss das Verhalten der Regelstrecke (d.h. das Übertragungsverhalten des Aktors bis zum Sensor) berücksichtigt werden. Hierfür wird das Verhalten der Regelstrecke meist im Rahmen einer Systemidentifikation ermittelt und fließt dann in die Berechnung der Regelgesetzte mit ein.

Aktorik

Aktoren sind sozusagen die Muskeln adaptronischer Anwendungen. Die vom Regler berechneten Stellgrößen werden über den Aktor in die Struktur eingeleitet und äußern sich dort als Kraft oder Verformung der Struktur. Das ist Abhängig vom Verhältnis der mechanischen Impedanz des Aktors zur Impedanz der der Struktur.
In adaptronischen Anwendungen sind typischerweise Piezoaktoren oder elektrodynamische Aktoren vorzufinden. Trotz ihrer komplementären Eigenschaften lassen sich beide Aktorprinzipien gut zur Schwingungsminderung nutzen.

Bei der Auswahl der Aktortechnologie ist es entscheidend welche Kräfte und Stellwege der Aktor zur Verfügung stellen muss, wo der Betriebsfrequenzbereich liegt und ob der Aktor auch statisch wirkenden Lasten ausgesetzt ist. Teilweise werden in adaptronischen Anwendungen auch elektromagnetische Aktoren verwendet, die sich sehr kostengünstig herstellen lassen. Auch die sogenannten Dielektrischen Elastomere, die kommerziell praktisch noch nicht verfügbar sind, sind hier sehr vielversprechend. Die beiden Letzteren sind allerdings insbesondere aufgrund ihres nichtlinearen Verhaltens für schwingungsmindernde Systeme schwer handhabbar und stellen besondere Anforderungen an die Regelung. Weitere eher seltener Wirkprinzipien elektromechanischer Wandler werden in der Literatur z.B. von Janocha behandelt. [3].

kommerzielle Anwendungen

In den letzten Jahren wurden immer mehr Systeme mit einer aktiver Schwingungsminderung auf dem Markt gebracht. Der Marktanteil wächst und die vielen Vorteile die ein aktives System bietet, wird das Wachstum anhalten lassen. Insbesondere die Reduktion der Kosten bei den elektronischen Komponenten und die Steigerung bei der Prozessorleistung haben diese Entwicklung möglich gemacht. Folgend einige Beispiele für den Einsatz aktiver Schwingungsminderung:

  • Aktive Motorlager werden bei einigen Fahrzeugherstellern eingesetzt und von verschiedenen Motorlagerherstellern entwickelt.
  • Aktive Dämpfungssysteme in optischen Tischen reduzieren störende Schwingungen bei hochpräziser Messtechnik.
  • Gimbal stabilisiert aktiv die Kameras von Drohnen, Multicopter und Quadrocoptern.
  • Die Mechanical Simulation Toolbox unterstützt bei der Auslegung aktiver Systeme und ist die professionelle Variante der Auslegungstools von OpenAdaptronik.

Fertigungsmöglichkeiten für Sensorgehäuse in FabLabs/MakerSpaces

Sensorgehäuse aus dem FDM Drucker

In diesem Abschnitt werden Möglichkeiten zur Fertigung von Sensorgehäusen thematisiert unter Verwendung von Werkzeugen die typischerweise in FabLabs und MakerSpaces zur Verfügung stehen.

Sensoren

Bezeichnung Hersteller Achsen Länge in mm Breite in mm Platinenhöhe in mm Gesamthöhe in mm
LIS344ALH isys Adaptive Solutions 3 9,6 9,6 1 2,56
ADXL335 SparkFun 3 17,78 17,78 TBD TBD
ADXL345 SparkFun 3 ca. 21,00 ca 17,78 TBD TBD

Modelle für den 3D Druck

In diesem Bereich werden im Laufe des Projektes u. a. Modelle für Sensorgehäuse hochgeladen und die Designs dokumentiert.

Gehäuse aus dem Lasercutter

Wir werden testen, wie gut sich der Lasercutter eignet um Sensorgehäuse zu erstellen oder wie er andere Verfahren unterstützen kann.

Anwendungsbeispiele

Im Rahmen der Arbeiten von OpenAdaptronik sollen verschiedene Demonstratoren aufgebaut werden und die Anleitungen frei zur Verfügung gestellt werden. Geplant sind aktuell Anleitungen zu folgenden Themen:

  • Aktive Lagerung Kamera
  • Aktive Motorlagerung
  • Schwingungsentkopplung von sensiblen Aufbauten, z.b. Versuchstisch

Die Liste wird zukünftig weiter ergänzt und nach Feedback aus der Maker-Szene angepasst.

Weblinks

http://www.adaptronik.fraunhofer.de/ – Fraunhofer-Allianz Adaptronik

Einzelnachweise

  1. Stepp, Larry M. et. al. (2014): Implementation of an active vibration damping system for the SOFIA telescope assembly, SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, Montréal.
  2. Fraunhofer-Allianz Adaptronik
  3. Hartmut Janocha (2013): Unkonventionelle Aktoren, Eine Einführung, Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH. ISBN: 978-3-486-71886-7

Weiterführende Infos