FOR 981: Hybrid Intelligent Construction Elements
Final Report Abstract
Konstruktionselemente wie Federn oder Seile sind schon seit Jahrhunderten wesentliche Bestandteile von technischen Systemen. Auch wenn durch zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten die Leistungsfähigkeit von Konstruktionselementen permanent gesteigert wurde, so sind die grundlegenden Funktionen doch immer in der mechanischen Domäne verblieben. Aufgrund zahlreicher Anforderungen werden allerdings seit Jahrzehnten mechanische Systeme zunehmend zu mechatronischen Systemen weiterentwickelt, die Sensorik, Aktorik und Regelungstechnik in sich vereinen und somit vielfältige Aufgaben übernehmen. Daher hat sich die Forschergruppe „Hybride Intelligente Konstruktionselemente“ (HIKE) die Aufgabe gestellt, die grundlegenden Funktionen solcher Konstruktionselemente zu erweitern. Die so entwickelten HIKE zeichnen sich durch Fertigungs- und funktionale Integration von Sensoren, Aktoren, anzeigenden Elementen und/oder Regelungen/Steuerungen auf der Ebene des Konstruktionselements aus. In der ersten Förderphase wurden HIKE entwickelt, Grundlagen für eine neuartige Konstruktionsmethodik sowie die Einbindung der Sensorik in diese HIKE erarbeitet. Die Verknüpfungen der Teilprojekte und die Evaluierung der gewonnenen Erkenntnisse erfolgten anhand eines Schalentragwerks mit integrierter Sensorik, Aktorik und Regelung. Durch die Einbringung der Adaptivität können unterschiedliche Lastfälle (z. B. durch Windlasten) identifiziert, geeignete Maßnahmen für eine Homogenisierung und Reduzierung der Spannungen ermittelt sowie mittels der Aktoren umgesetzt werden. Während die HIKE aus der ersten Förderphase nur über zusätzliche sensorische Funktionen verfügten, die zusammen mit konventionellen Aktoren in den Demonstrator eingebracht wurden, konnten diese in der zweiten Förderphase durch sensorische und aktorische HIKE ersetzt werden. Darauf aufbauend wurden weitere Untersuchungen hinsichtlich der Dynamik der HIKE bzw. den sich daraus ergebenden Möglichkeiten wie eine aktive Schwingungsdämpfung untersucht. Weiterhin wurden verschiedene Untersuchungen hinsichtlich der Selbstorganisation der HIKE durchgeführt. Einige dieser Ergebnisse wurden erfolgreich in neuen Prototypen, wie den kommunikativen Flächenelementen, umgesetzt und evaluiert. Aufgrund der Neuartigkeit der adaptiven Tragwerke konnten innerhalb der Forschergruppe erste grundlegende Untersuchungen für die zu erweiternden Sicherheitskonzepte im Bauingenieurswesen durchgeführt und Ansätze erarbeitet werden. Um die angestrebte Fertigungsintegration der HIKE auch hinsichtlich der Serientauglichkeit zu prüfen, wurden verschiedene Produktionstechnologien untersucht bzw. weiterentwickelt. So können bspw. im Fall der Formgebung im teilflüssigen Zustand die geschmiedete HIKE reproduzierbar endkonturnah hergestellt werden. Dabei fokussierte die zweite Förderphase nicht nur auf die Weiterentwicklung der HIKE, sondern auch auf die Entwicklung zusätzlicher, neuartiger HIKE. Die Forschergruppe hat die Ergebnisse der zweiten Förderperiode anlässlich eines Abschlusskolloquiums am 10.11.2015 in der Universität Stuttgart vor ca. 50 Gästen aus Industrie und Wissenschaft präsentiert und sowohl den Demonstrator als auch zahlreiche weitere Funktionsmuster vorgeführt. Aufbauend auf den Ergebnissen der Forschergruppe ergeben sich zahlreiche neue und erweiterte Fragestellungen, die im Rahmen neuer Forschungsvorhaben untersucht und in mehreren Transferprojekten gemeinsam mit der Industrie weiterentwickelt werden sollen.
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