Mechatronik und Funktionsleichtbau

Die Mechatronik ist ein interdisziplinäres Arbeitsgebiet von Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik. In Produktionssysteme werden Sensoren integriert, um den aktuellen Zustand von Prozess und Maschine zu erfassen. Die Daten werden mit Modellen in der Steuerung und Regelung abgeglichen, im Ergebnis stellen Aktoren den optimalen Betriebszustand ein. So ist auch bei wechselnden Prozess- und Umgebungsbedingungen eine hohe Effizienz gewährleistet. Voraussetzung dafür ist eine bis ins Detail abgestimmte Auslegung von mechanischen Bauteilen, Antrieben sowie der Ansteuer- und Regelungselektronik.

Mechatronische Komponenten sind Schrittmacher für eine durchgängig digitalisierte Produktion Industrie 4.0. Die Adaptronik greift die Systemmethodik der Mechatronik auf und zielt auf eine hohe Funktionsverdichtung durch eine Integration der Sensoren und Aktoren in die Werkstoffebene ab. Genutzt werden dazu Verbunde von sogenannten Smart Materials wie beispielsweise Piezokeramik, Formgedächtnislegierungen oder aktiven Polymeren mit Konstruktionswerkstoffen wie Stahl, Aluminium oder Faserkunststoffverbunden. Ziel sind aktive Komponenten für Maschinen und Fahrzeuge, die Störungen wie Verformungen, Schwingungen oder Schallabstrahlung bereits am Ort ihrer Entstehung verhindern. Diese Maßnahmen sind wesentlich wirksamer als rein konstruktive Verbesserungen und, da sie nur zum Zeitpunkt und am Ort der Störung aktiv sind, erheblich energieeffizienter.

Der Leichtbau bietet ein enormes Potenzial für ressourceneffiziente mechatronische Systeme. Für uns bedeutet Leichtbau nicht nur ein geringeres Gewicht bewegter Baugruppen, er ist darüber hinaus ein Synonym für den optimalen Einsatz von Werkstoffen und Konstruktionsprinzipien. Die Substitution konventioneller Werkstoffe durch Hochleistungsmaterialien, die Übertragung bionischer Strukturen auf die Auslegung mechanischer Baugruppen sowie simulationsbasierte Auslegungsstrategien zur belastungsgerechten Anpassung der Materialverteilung sind Grundkonzepte des anwendungsoptimierten Leichtbaus. Die Integration verschiedenster Funktionen direkt in das Bauteil führt nicht nur zur Materialeinsparung, sondern bietet auch Potenzial zur Verkürzung der Prozesskette und somit zur Reduzierung der Herstellungskosten.

Darüber hinaus nutzen wir generative Fertigungsverfahren, wie das Laserstrahlschmelzen und den 3D-Druck, um höchst komplexe Strukturen herzustellen. Das Prinzip des schichtweisen Aufbaus bietet eine große Designfreiheit sowie die Möglichkeit zur wirtschaftlichen Herstellung kleiner Losgrößen von individualisierten und funktionsintegrierten Bauteilen. Mithilfe generativer Verfahren gelingt es uns u. a., filigrane Strukturen für den Leichtbau sehr effektiv zu erzeugen.

Aus unserer Forschung

 

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