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2026-01-27T07:12:41Z

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'''Adaptronik''' ([[Kunstwort]] aus '''adap'''tiv und Elek'''tronik''') ist eine [[interdisziplinär]]e [[Wissenschaft]], die sich mit dem Aufbau [[Adaptive Regelung|adaptiver]] (selbstanpassender), aktiv reagierender mechanischer [[Struktursystem]]e befasst. Die in der Adaptronik verwendeten [[Aktor]]en werden, anders als in der [[Mechatronik]], direkt in den [[Kraftfluss]] integriert und nutzen die [[Elastizitätstheorie|elastomechanischen]] Eigenschaften der verwendeten [[Werkstoff|Materialien]] aus.

== Bedeutung und Geschichte ==
Die Adaptronik wird in den [[Vereinigte Staaten|USA]] seit den frühen achtziger Jahren unter dem Begriff der ''Smart Structures'' oder auch ''[[Smart Materials]]'' beforscht, zunächst mit dem Ziel der Realisierung veränderlicher, d. h. anpassungsfähiger Satellitenstrukturen für das [[Strategic Defense Initiative|SDI-]]Projekt.

Untersucht wurde beispielsweise die aktive Kontrolle der Form von Reflektoren oder die Schwingungen und Verformungen von [[Stabwerk (Technische Mechanik)|Stabwerken]]. Anspruch war, die Auswirkungen von veränderlichen Umgebungsbedingungen auf die mechanischen Strukturen (zum Beispiel die [[Thermomechanik|thermomechanischen]] Beanspruchungen der [[Leichtbauweise|Leichtbaustrukturen]] infolge der stark veränderlichen Sonneneinstrahlung im Erdschatten beziehungsweise bei direkter Bestrahlung oder die mechanischen Eigenschaftsveränderungen der alternden Satellitenstrukturen bei hohen Betriebsdauern) aktiv auszugleichen.

In [[Deutschland]] beschäftigte man sich – zunächst im Bereich der [[Grundlagenforschung]] und nachfolgend der angewandten [[Forschung und Entwicklung|FuE]] – etwa 10 Jahre danach mit diesem [[Technologie]]ansatz. Von diversen Experten wird den ''smarten Materialsystemen'' und der Adaptronik eine stark zunehmende Rolle in modernen Produkten beigemessen. Sie würden, aufgrund der technologieimmanenten Komplexität, eine erschwerte Kopierbarkeit der Produkte und einen Wettbewerbsvorsprung von [[Hochtechnologie]]standorten bedeuten. Als ein Hindernis für die breite [[kommerz]]ielle Nutzung der Adaptronik werden gerade von [[Serienfertigung|Serienanwendern]] häufig noch zu hohe Kosten für Adaptronik-Komponenten und resultierende Adaptronik-Endprodukte angeführt. Hier wurden jedoch in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt, diese auch durch angrenzende Technologieentwicklungen und Produkte wie die u. g. Piezo-Dieseldirekteinspritzung.

== Multifunktionale Basiswerkstoffe ==

Ein Großteil der in adaptronischen Systemen eingesetzten [[Werkstoff]]e kann sowohl als Aktor als auch als [[Sensor]] verwendet werden. In diesem Sinne übernehmen diese Werkstoffe zwei Funktionen. Da die Idee der Adaptronik im direkten mechanischen Eingriff in Strukturen, die durch Integration der Werkstoffe in die mechanischen [[Lastpfad]]e<ref group="A"> Ein Lastpfad ist der „Pfad“, den die Kraft bei einem Aufprall nimmt.</ref> von Strukturen besteht, wird die aktorische und sensorische Funktion durch diese mechanisch lasttragende, dritte Funktion ergänzt. Demzufolge werden die in der Adaptronik vorzugsweise verwendeten Basiswerkstoffe auch multifunktional genannt.

Diese multifunktionalen Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie [[Elektrische Energie|elektrische]], [[Thermische Energie|thermische]] oder andere [[Energie]] in mechanische Energie ''umwandeln''. Folglich werden diese Werkstoffe auch Wandlerwerkstoffe oder Energiewandler genannt, im angelsächsischen auch ''Transducers''. In der Adaptronik finden besonders solche Wandlerwerkstoffe Verwendung, bei denen die nicht-mechanische Energieform (beispielsweise die elektrische) technisch besonders gut kontrollier- bzw. auswertbar ist.

Bei bestimmten dieser Werkstoffe kann diese Energiewandlung in beide Richtungen reziprok geschehen. Bekanntestes und viel zitiertes Beispiel ist die [[Piezoelektrizität]] bestimmter Werkstoffe. Bei diesen führt die Einwirkung eines mechanischen [[Druck (Physik)|Druckes]] zu einer Verschiebung von elektrischen Dipolen und einer Ausbildung elektrischer Ladungen an am [[Piezoelement]] angebrachten Elektroden. Die resultierende elektrische Spannung kann sensorisch erfasst und ausgewertet werden. Anwendungsbeispiele für diesen piezoelektrischen Effekt im Alltag sind elektrische Feuerzeuge, im technischen Bereich piezoelektrische Sensoren wie Kraft-, Beschleunigungs- oder Dehnungsaufnehmer. Der inverse piezoelektrische Effekt, der eine Verformung des Piezomaterials infolge des Anlegens einer elektrischen Spannung entspricht, wird aktorisch verwendet. Dieser Effekt wird in akustischen Generatoren als Lautsprecher-Hochtöner, [[Signalgeber]]n etc. genutzt. Darüber hinaus sind vielfältigste Aktorbauformen für die Positions- und Schwingungserzeugung am kommerziellen Markt verfügbar.

Neben den Piezowerkstoffen sind die gebräuchlichsten Werkstoffe in der Adaptronik die sogenannten [[Formgedächtnislegierung]]en. Diese werden meist thermisch, in bestimmten Legierungszusammensetzungen jedoch auch magnetisch aktiviert. Die thermischen Formgedächtnislegierungen werden in der [[Chirurgie]] für [[Stents]] verwendet, die verengte [[Blutbahn]]en erweitern und offenhalten sollen und die durch die Körperwärme aktiviert werden. Darüber hinaus werden sie – üblich in Drahtform – für kompakte, einfache Stellaktoren (zum Beispiel Prinzip des [[Bowdenzug]]s) oder für schaltende, teilweise sehr schnelle Verriegelungssysteme eingesetzt. Letzteres ist zum Beispiel aktuell für reversible Pkw-Crashaktoren als Ergänzung von [[Airbag]]s in der Entwicklung – Vorteil: der Formgedächtniswerkstoff ist vergleichend zu den pyrotechnischen Airbagaktoren reversibel ansteuerbar und damit wiederholt und damit für Pre-Crash-Anwendungen verwendbar.

Ferner werden [[Magnetostriktion|magnetostriktive]] Werkstoffe eingesetzt, beispielsweise als Aktoren in [[Sonar]]en von Schiffen oder in adaptiven [[Schwingungstilger]]n. Zudem kommen Fluide zum Einsatz, die durch das Anlegen elektrischer ([[Elektrorheologische Flüssigkeit|elektrorheologische Fluide]]) oder magnetischer Felder ([[Ferrofluid|magnetorheologische Fluide]]) ihre [[Viskosität]] ändern. Eingesetzt werden diese Fluide beispielsweise in der [[Hydraulik]] sowie in Stoßdämpfern im Fahrzeugbau oder Sportgeräten.

== Funktionsprinzip und Anwendungsbeispiele ==

Um das Funktionsprinzip der Adaptronik zu demonstrieren und neue Verfahren und Methoden zu erarbeiten, werden häufig Balken mit aufgeklebten Piezofolienaktoren, auch Piezopatches genannt, verwendet. Hier können Schwingungen des Balkens durch geeignete Ansteuerung der Piezopatches stark reduziert werden. Der Transfer in Anwendungen wie beispielsweise Hautfelder von Maschinenverkleidungen, Schallschutzkabinen, Fassadenelemente wie [[Fenster]], [[Hauptrotor#Rotorblatt|Rotorblätter]] von Helikoptern, Ausleger in der [[Robotik]] und [[Seitenleitwerk]]en von Militärflugzeugen ist recht offensichtlich und fortwährender Bestandteil der anwendungsorientierten Forschung.<ref>{{Literatur |Autor=Johannes Michael Sinapius |Titel=Adaptronik. Prinzipien - Funktionswerkstoffe - Funktionselemente - Zielfelder mit Forschungsbeispielen |Hrsg= |Sammelwerk= |Band= |Nummer= |Auflage= |Verlag=Springer Vieweg |Ort=Braunschweig |Datum=2018 |ISBN=978-3-662-55883-6 |Seiten=}}</ref> Rein aktorisch wird dieses Prinzip der Piezobiegebalken beispielsweise in Textilmaschinen mit hohen Stückzahlen und sehr großer Lebensdauer eingesetzt.

Ein weiteres typisches Demonstrationsobjekt ist ein Wasserglas mit darunterliegender, adaptronischer Schnittstelle, die wiederum auf einer schwingenden Unterstruktur montiert ist. Werden die in der Schnittstelle verbauten Aktoren geeignet angesteuert, kann das Wasser im Glas trotz der unter ihr und der Schnittstelle wirkenden Störschwingungen in Ruhe gehalten werden. Gedanklich kann man dieses Beispiel einer aktiv verformbaren Schraubverbindung gleichsetzen. Anwendungsbeispiele sind aktive [[Lager (Maschinenelement)|Lager]] zur Montage von Maschinen an Fundamenten (z. B. Maschinen in Fabriken oder Schiffsaggregate, die schwingungs- und störarm arbeiten sollen), die Anbindung von Aufspannplatten mit darauf montierten sensiblen Aufbauten im [[Labor]], die Lagerung empfindlicher optischer Komponenten oder die Anbindung der Karosserie an einem Pkw-[[Fahrwerk]]. Anwendung findet dies auch bei der Entwicklung [[Adaptives Tragwerk|adaptiver Tragwerke]]. Typisch werden diskrete Aktoren wie z. B. Piezo-Multilayer eingesetzt. Solche Aktoren sind als Massenprodukt aktuell sehr gut bekannt aus dem Bereich der Piezo-Dieseleinspritztechnik. Auch hier ist eine sehr hohe nachgewiesene Zuverlässigkeit der Aktorik von großer Bedeutung.

== Voraussetzungen für die adaptronische Systementwicklung ==

Neben Kompetenz im Bereich der Werkstoffe, dem Sensor- und insbesondere dem Aktordesign wie der [[Strukturmechanik]] und zumeist Strukturdynamik – dies zur Erreichung der adaptronischen mechanischen Zielfunktion zum Beispiel zur aktiven Kontrolle von Schwingungen, Lärm oder Verformungen – ist für die effiziente Auslegung und Realisierung eines solchen Systems besonders die Modellbildung und Simulation von Komponenten und insbesondere komplexen Systemen essentiell. Diese Simulation muss die verschiedenen Systemkomponenten wie Aktorik, Sensorik, mechanische Struktur, Elektronik wie zum Beispiel Filterung, [[Regelungstechnik|regelungstechnischem]] Code sowie die einwirkenden mechanischen Umgebungsbedingungen geeignet zusammenführen. Zum Einsatz kommen Methoden und Werkzeuge der FEM ([[Finite-Elemente-Methode]]), der MKS ([[Mehrkörpersimulation]]), der CACE (Computer Aided Control Engineering) bzw. RCP ([[Rapid Control Prototyping]]), der EDA ([[Electronic Design Automation]]), [[CAD]] (computer-aided design) wie auch der EMA (Experimentelle [[Modalanalyse]]), der TPA (Transfer Path Analysis, vgl. [[Übertragungsfunktion]]), der [[Betriebsschwingungsanalyse]] und viele andere mehr. Die Simulation dient dabei der Systemanalyse, der Test und der Bewertung möglicher Lösungskonzepte wie der Performanceabschätzung. Da die Adaptronik prinzipiell auf die Funktionsintegration in die mechanischen Lastpfade zielt, ist es wichtig, die starke Rückwirkung der verschiedenen Systemkomponenten untereinander in der Simulation unbedingt hinreichend zu berücksichtigen. Um den Aufwand für die Modellbildung, Simulation und damit Auslegung der adaptronischen Systeme zu optimieren, ist – wie oben mit den Methoden und Werkzeugen bereits angedeutet – eine Verwendung von sowohl numerischen als auch experimentellen Methoden und Verfahren zur Modellbildung angeraten. Zudem sind die Kompetenzen der Regelungstechnik, Elektronik, Codedesign, [[Systemintegrator|Systemintegration]], Fertigungs- und Verarbeitungstechnik und [[Zuverlässigkeit (Technik)|Zuverlässigkeit]] von essentieller Bedeutung für die Adaptronik.

Dies insbesondere auch vor dem Hintergrund der Realisierung eines für den jeweiligen Anwendungsfall besonders optimierten Systems. So wird eine großserientechnische Lösung wie zum Beispiel für den Bereich [[Automotive]] üblich anders bewertet werden als eine Sonderlösung im Anlagenbau oder der Raumfahrt. Neben der Erfüllung der Zielfunktion und der erzielbaren Performance eines adaptronischen Systems werden immer die abbildbaren Kosten und Zuverlässigkeiten prägend sein. So wird die Verwendung kostenintensiver, leistungsstarker Regelelektronik mit maximaler Systemperformance und Sonderfunktionen für eine Highend-Sonderanwendung wünschenswert sein, wenn dies am Endprodukt entscheidende verkaufbare Vorteile bewirkt, hingegen für ein Massenprodukt im Consumerbereich nicht argumentierbar sein.

Adaptronikprojektteams setzen sich sehr häufig aus Wissenschaftlern und Ingenieuren des Maschinenbaus unterschiedlicher Anwendungsrichtungen und der Mechanik, Konstruktion, dem Leichtbau, den Materialwissenschaften, der Regelungstechnik, der Elektrotechnik, Informatik, Physik, Mathematik zusammen.

== Bemerkungen ==
<references group="A" />

== Literatur ==
* Christopher R. Fuller et al.: ''Active Control of Vibration'', ISBN 978-0-12-269440-0, Academic Press, 1996
* Stephen Elliott: ''Signal Processing for Active Control'', ISBN 978-0-12-237085-4, Academic Press, 2001
* André Preumont: ''Vibration Control of Active Structures'', ISBN 978-1-4020-0925-9, Kluwer Academic Publishers, 2003
* Hartmut Janocha: ''Adaptronics and Smart Structures'', ISBN 978-3-540-71965-6, Springer Verlag, 2007
* Daniel J. Jendritza: ''Technischer Einsatz Neuer Aktoren'', ISBN 978-3-8169-2765-5, expert-Verlag, 2007

== Weblinks ==
* [https://www.kompetenznetz-adaptronik.de/ Kompetenznetz Adaptronik]
* [http://www.transmechatronic.de TransMechatronic - Das Fachportal zum Thema Mechatronik] Fördermaßnahme vom Bundesministerium für Bildung und Forschung

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Steuerungs- und Regelungstechnik]]
[[Kategorie:Mechatronik]]
[[Kategorie:Interdisziplinäre Wissenschaft]]
[[Kategorie:Kofferwort]]

Adaptronik - Versionsgeschichte

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