Bartel, Torsten (2013)
Entwicklung adaptiver Strukturen am Beispiel einer funktionsintegrierten Lagerung zur aktiven Schwingungsisolation empfindlicher Geräte.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Analyse- und Fertigungsgenauigkeit von Maschinen, Geräten und Aufbauten im Nano und Subnanobereich nimmt immer weiter zu. Zur Reduktion von Umgebungsschwingungen, welche die Funktion moderner Systeme beeinträchtigen, reichen bauliche Maßnahmen und passive Lösungen zur Schwingungsreduktion immer häufiger nicht mehr aus. Daher werden zunehmend aktive Systeme zur Steigerung der Schwingungsisolation eingesetzt. Herkömmliche aktive Systeme basieren meistens auf getrennt voneinander ausgeführten elektrodynamischen Schwingspulen, einer rein mechanischen Struktur, Sensoren, der Regelungshardware und Aktorverstärkern. Demgegenüber bietet eine Integration aktorischer, sensorischer und mechanischer Eigenschaften in ein multifunktionales Bauteil eine Reduktion der Komplexität und kompaktere Bauweisen. Dazu können multifunktionale Materialien, wie piezoelektrische Keramiken, eingesetzt werden. Piezoelektrische Biegebalken, auch Bimorphe genannt, erfüllen die Anforderungen, die an Aktoren und Sensoren zum Einsatz in aktiven Isolationssystemen gestellt werden. Trotz der möglichen Vorteile sind Isolationsplattformen aus piezoelektrischen Bimorphen bislang nicht Stand von Wissenschaft und Technik. In dieser Arbeit wird die methodische Entwicklung der wesentlichen Komponenten einer funktionsintegrierten Isolationsplattform vorgestellt. Ausgehend vom bekannten V-Modell erfolgt die Entwicklung der Einzelkomponenten in verschiedenen Entwicklungsschritten. Dabei unterstützt eine flexible Simulationsumgebung, die anhand von Detaillierungsebenen an den jeweiligen Entwicklungsschritt angepasst werden kann. Während in der ersten Detaillierungsebene idealisierte Komponenten zur Ermittlung prinzipieller Auslegungsgrößen betrachtet werden, können in der Folge Teilsysteme durch Modelle ausgetauscht werden, die auf analytisch, numerisch oder messtechnisch ermittelten Daten basieren. Als Schwerpunkt dieser Arbeit werden die Entwicklungsschritte des piezoelektrischen Bimorphaktors vorgestellt. Dabei werden die analytische Geometrieoptimierung des Bimorphs und daraus abgeleitete Möglichkeiten für seine konstruktive Umsetzung beschrieben. In der Folge wird gezeigt, wie numerische und messtechnische Daten zur Verifizierung der Auslegungsvorgaben ermittelt werden können. Zur Integration einer höheren Detaillierungsebene des Aktormodells in die Simulationsumgebung wird die passive Aktordynamik als Zustandsraummodell abgebildet und sein Blockierkraftverlauf durch ein IIR-Filter approximiert. Alle dazu benötigten Daten lassen sich numerisch oder messtechnisch ermitteln. Eine reduzierte, aber ähnliche Beschreibung wird auch für einen Bimorphsensor aufgezeigt. Ergänzend wird ein Überblick zur Modellierung einer Aufbaustruktur als idealer Starrkörper und als elastische Struktur gegeben. Bezüglich der Regelung werden die Prinzipien verschiedener zentraler und dezentraler Signalrückführungen vorgestellt. Abschließend wird die Anwendung der Entwicklungsmethodik zum Aufbau einer prototypischen, dreiaxial aktiven Schwingungsisolationsplattform demonstriert und ein Einblick in die Entwicklung einer sechsaxial aktiven Isolationsplattform gegeben. Der Einsatz der vorgestellten funktionsintegrierten Lager ermöglicht neuartige, kompakte Bauweisen, die über die Möglichkeiten des gegenwärtigen Stands der Technik hinausgehen.

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