Werkstoffe 07.01.2005, 18:36 Uhr

Materialien „fühlen“ Veränderungen und reagieren sensibel darauf

VDI nachrichten, Düsseldorf, 7.1.05 -Werkstoffe, die sowohl als Sensor als auch als Aktor eingesetzt werden können, haben das Zeug, künftige Produktgenerationen zu prägen. „Adaptronik“ heißt diese interdisziplinäre Technologie, die bereits das Interesse von Produktentwicklern in Branchen von der Automobil- bis zur Sportgeräteindustrie geweckt hat.

Materialien wandeln elektrische, thermische oder magnetische Energie in mechanische Energie um und können ebenso den umgekehrten Prozess vollziehen. So reagieren sie auf Verformungen, Schwingungen und Lärm. Adaptronik schafft solche intelligenten Materialien. Mittels Elektronik haucht diese zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts zählende Innovation passiven Strukturen Leben ein und erobert sich von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie und den Maschinenbau bis hin zur Medizin- und Sporttechnik immer neue Anwendungsgebiete.
Beispiele für den Einsatz finden sich in der Schwingungsdämpfung beim Tennisspielen oder Skifahren. Dort dämpfen piezoelektrische Elemente und elektronische Regelung Vibrationen. So hat die Firma Head hat einen Tennisschläger auf den Markt gebracht, der Schwingungen um 26 % reduziert. K2 entwickelte einen Carving-Ski mit adaptiver Dämpfung. Sportgerätehersteller sind damit Vorreiter für die Serienfertigung adaptiver Produkte.
Doch: „Noch fehlt die Vernetzung aller Kompetenzen, um die Vorzüge der Querschnittstechnologie Adaptronik in der ganzen industriellen Breite anzuwenden. Gerade für den Fahrzeug- und Maschinenbau sehen wir enormes Potenzial“, sagt Tobias Melz, Geschäftsführer des Fraunhofer-Themenverbundes Adaptronik. Der seit einem Jahr bestehende Verbund von zehn Fraunhofer-Instituten hat diese Vernetzung zum Ziel: „Wir wollen die Adaptronik über die gesamte Wertschöpfungskette kommerziell nutzbar machen und in wettbewerbsfähige Anwendungen überführen“, so Melz. Mit Standardkompetenzen könne man in Deutschland kaum Geld verdienen. „Großen Mehrwert verspricht das Verschmelzen verschiedener Kompetenzen mit deren Entwicklungsmethoden und -werkzeugen, das Schaffen von Systemkompetenz. Genau das braucht man für die Hochtechnologie Adaptronik“, betont der Werkstoffspezialist.
Wichtige Grundlagen wurden zuvor im inzwischen abgeschlossenen Leitprojekt Adaptronik des Bundesforschungsministeriums geschaffen. In ihm haben mehr als 20 Unternehmen und Forschungseinrichtungen unter Leitung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammengearbeitet. Die Wissenschaftler im Leitprojekt erforschten Voraussetzungen für den Einsatz einer neuen Generation von Piezomaterialien. Adaptroniker nutzen neben Formgedächtnislegierungen, Polymeren oder Flüssigkeiten, die ihre Zähigkeit durch elektrische oder magnetische Ansteuerung ändern, verstärkt Piezofasern oder -keramiken, um Strukturen zum Leben zu erwecken. Diese Materialien können sozusagen einen lebenden Organismus kopieren. Sie empfangen wie ein Gehirn Signale, leiten diese weiter, verwandeln elektrische in mechanische Arbeit oder umgekehrt, dehnen sich bei entsprechend aktiv kontrollierter Stimulation aus oder ziehen sich zusammen – wie Nervenbahnen und Muskeln in einem lebenden Körper.
In der Technik übernehmen sensorische und aktorische Elemente, die direkt ins Material integriert sind, diese organischen Funktionen. „Überall dort, wo besonders dynamische Störenergie kontrolliert, wo Vibrationen gedämpft, Lärm reduziert oder ein Zustand vorausschauend überwacht werden muss, können wir mit Adaptronik angreifen“, verweist Prof. Holger Hanselka, Leiter des Fraunhofer-LBF, auf die Chancen für die breite industrielle Anwendung. Zusammen mit Prof. Elmar Breitbach, Leiter des DLR-Institutes Strukturmechanik, hat er das Leitprojekt Adaptronik geführt. Erste Prototypen mit dieser aus der Luft- und Raumfahrt stammenden Innovation haben die Beteiligten am Leitprojekt realisiert. Dazu gehören eine Vibrationsdämpfung am Drehgestell der neuesten ICE-Generation, leisere medizinische Diagnosegeräte wie Magnetresonanz-Tomographen oder ein „mitdenkendes“ Autodach, das Lärm im Fahrzeuginnenraum reduziert.
Adaptronik heißt auch der Weg für innovativen Leichtbau. Leichtbauteile senken zwar Gewicht, vibrieren aber wegen der geringeren Masse stärker. Weiteres Dämmen würde den Gewichtsvorteil wieder zunichte machen. Adaptronische Strukturen können die Schwingung durch eine Gegenbewegung aktiv mindern oder Störenergie entziehen, ohne schwere Dämmmaterialien hinzuzufügen. Das gilt für Fahrzeuge ebenso wie für Maschinen.
Die Fähigkeiten adaptronischer Strukturen haben sich auch Wissenschaftler des Kompetenzzentrums Strukturleichtbau und der Technischen Universität in Chemnitz zunutze gemacht. Ihr vom Arbeitskreis Verstärkte Kunststoffe mit dem Hochschul-Innovationspreis 2004 ausgezeichnetes elektronisches Gaspedal kann sich aktiv auf den Fahrer und die jeweilige Fahrsituation einstellen. Ein Faserverbundwerkstoff und eine funktionsintegrierte Bauweise sind Grundlagen dieser Innovation, die das Pedalgewicht von herkömmlichen 1,3 kg auf 200 g reduziert und die Fertigung aus nur einem Bauteil ermöglicht. Jan Kunzmann, Vorstandsvorsitzender dieses Kompetenzzentrums und Leiter der Forschungsgruppe Struktronik an der TU Chemnitz, erläutert dazu: „Durch Sensoren, die in den Faserverbund eingelegt sind, und durch aktive Materialien wie Formgedächtnislegierungen oder Piezowerkstoffe wird die Pedalkraft und damit die Geschwindigkeit individuell reguliert. In Kombination mit Fahrerassistenzsystemen kann das aktive Pedal notorische Drängler nahezu ausbremsen. Beispielsweise fängt es an zu vibrieren, wenn der Sicherheitsabstand zum Vorausfahrenden unterschritten wird.“
Wann solche Entwicklungen auch in der Automobilindustrie serienmäßig zum Einsatz kommen, scheint absehbar. Die Chemnitzer Struktroniker wollen Ende 2005 erste Prototypen in Fahrzeugen testen. Eine Serienproduktion sei nach Ablauf von zwei weiteren Jahren denkbar. Auch Dr. Melz ist überzeugt, dass sich die Schlüsseltechnologie schnell ihren Weg bahnt: „2010 wird es eine Vielzahl adaptiver Produkte geben.“INA REICHEL/CIU

 

Ein Beitrag von:

  • Ina Reichel

  • Martin Ciupek

    Redakteur VDI nachrichten
    Fachthemen: Maschinen- und Anlagenbau, Produktion, Automation, Antriebstechnik, Landtechnik

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