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Smart Materials: Schnelle Anpassung an wechselnde Situationen

Smart Materials, oder auch intelligente Materialien sind in der Lage, ihren Zustand blitzschnell an wechselnde Situationen anzupassen. Die Anwendungsmöglichkeiten gestalten sich vielfältig, beispielsweise im Automobil- oder Maschienenbau sowie in der Elektronikindustrie. Verschiedene Fraunhofer-Institute haben sich deshalb zur Allianz Adaptronik (FAA) zusammengeschlossen, in der sie neue "smarte" Lösungen zur Marktreife bringen.

Die Adaptronik integriert aktorische und sensorische Funktionen in die mechanischen Lastpfade von Strukturen. Verknüpft werden diese durch regelungstechnische Intelligenz. Damit lassen sich adaptive Struktursysteme realisieren, das heißt Strukturen, die sich an veränderliche Betriebsbedingungen selbstständig anpassen. Durch die Integration aktiver mechanischer Funktionen können moderne Leichtbaustrukturen vibrations- und lärmarm sowie formstabil und selbst überwachend ausgeführt werden. Dadurch können mechanische Eigenschaften, die Effizienz oder die Leistungsfähigkeit von Systemen verbessert werden.

Smart Materials im Einsatz gegen die Schwingungen im Automobil ist eines der möglichen Anwendungsgebiete. Dafür setzen die Fraunhofer-Forscher Piezo-Keramiken ein. Das ist ein Material, das elektrische Energie in Bewegung und umgekehrt Erschütterungen in elektrische Energie umwandelt. Derzeit testen sie in einem VW-Passat Piezo-Lager, die zwischen dem Fahrgestell und einem darauf sitzenden Metallrahmen der Karosserie befestigt werden, berichtet die Fraunhofer-Gesellschaft. Normalerweise würden dafür Gummielemente verwendet, doch die schlucken die störenden Schwingungen nicht optimal. Erschütterungen und Vibrationen seien deshalb als Lärm im Auto zu hören. Die Piezo-Lager hingegen werden elektronisch exakt so angesteuert, dass sie sich den störenden Vibrationen entgegen stemmen, erklärt die Gesellschaft. Damit neutralisieren sie quasi die Erschütterungen, im Auto bleibt es ruhig, heißt es weiter. Den umgekehrten Weg gehen die Forscher in einem anderen Projekt. Darin entwickeln sie Piezo-Elemente, die feinste Schwingungen von Bauwerken, etwa vielbefahrenen Brücken, in elektrische Energie wandeln. Künftig sollen damit kleine Sensoren versorgt werden, die den Zustand der Brücke überwachen und Schäden per Funk an eine Zentrale melden.

Doch nicht nur Piezo-Keramiken können "smart" sein. Ein alternatives Material, mit dem sich die Fraunhofer-Forscher befassen, sind magneto-rheologische Flüssigkeiten. Diese Flüssigkeiten enthalten winzige Partikel, die sich in einem Magnetfeld zu festen Ketten anordnen, wird erläutert. Die Flüssigkeit erstarrt. Je nach Stärke des Feldes ist die Flüssigkeit fest, zäh oder dünnflüssig. Die Allianz-Partner haben daraus eine Sicherheitskupplung für Maschinen entwickelt - für Fahrzeugantriebe oder auch Fräsmaschinen. Während des Betriebes ist die Flüssigkeit erstarrt. In diesem Zustand verbindet sie Antriebswelle und Fräskopf fest miteinander. Drückt man den Notaus-Knopf, schaltet sich das Magnetfeld ab. Die Substanz verflüssigt sich wieder. Die Antriebswelle dreht frei. Der Fräskopf steht.

In der Allianz arbeiten Spezialisten verschiedener Fachrichtungen zusammen: Materialentwickler, Strukturmechaniker, Elektroniker, System-Ingenieure, die alle Aspekte zu einem Ganzen zusammenfügen. Mitglieder der Allianz Adaptronik (FAA) sind die Fraunhofer-Institute für Kurzzeitdynamik EMI, Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Integrierte Schaltungen IIS, Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Silicatforschung ISC, Schicht- und Oberflächentechnik (IST), Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM), Werkstoffmechanik IWM, Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) sowie das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF). Branchenkenner erwarten, dass mit dem derzeitigen wirtschaftlichen Aufschwung in den nächsten zwei Jahren weitere Produkte mit smarten Materialien auf den Markt kommen. "Die Technik ist so weit. Es wird an weiteren spannenden Lösungen gearbeitet - vom Maschinenbau bis zum Konsumgütermarkt", sagt der Leiter der Allianz, Tobias Melz vom Fraunhofer LBF in Darmstadt. Auf der Hannover Messe stellt die Allianz auf einem Gemeinschaftsstand mit weiteren Adaptronik-Partnern verschiedene Entwicklungen vor - unter anderem einen Tisch mit Lagern zur Schwingungsdämpfung, ein Flugzeugbauteil mit piezo-keramischen Überwachungssensoren und ein Oberklasseauto mit smartem Innenleben.
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