Passive Strukturen zum Leben erwecken – Durch Verschmelzen von Struktur und Funktion auf Werkstoffebene Systeme mit geringer Komplexität aber hoher Funktionalität schaffen

Welf-Guntram Drossel, Holger Kunze und Martin Ettrichrätz

Der Mensch mit seinen Bedürfnissen ist die wesentliche Triebkraft für Innovationen. Er misst den Nutzen von Produkten an den Kriterien Funktionalität, Bezahlbarkeit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit. Im Bestreben, allen Forderungen gleichermaßen gerecht zu werden, werden Produkte und Prozesse zunehmend komplexer. Der Aufwand zur Problemlösung steigt überproportional und die Entwicklungsdynamik fällt steil ab. Mit intelligenten Materialien/Funktionswerkstoffen/smart materials ist eine Transformation von Funktionalitäten auf die Werkstoffebene möglich. Ein Paradigmenwechsel im Produkt – die Verschmelzung von Funktion und Struktur – wird möglich. Damit kann eine neue Qualität im Produktdesign erreicht werden. Die Form folgt stringent der Funktion, die Nutzbarkeit ist intuitiv und folgt natürlichen Vorbildern [1]. Produkt und Produktionsprozesse werden durch smart materials kreativ und wissensbasiert und weniger durch Investitionsumfang und Lohnkosten bestimmt. Die Eigenschaftsbeschreibung intelligenter Werkstoffe, die Potenziale transdisziplinärer Zusammenarbeit, konkrete Anwendungsbeispiele für smarte Strukturen sowie das Thema, den Bekanntheitsgrad und die Akzeptanz von smart materials zu steigern, sind Gegenstand dieses Beitrags

Intelligente Werkstoffe/Funktionswerkstoffe/ smart materials – all diese Begriffe stehen gemeinsam für eine Werkstoffklasse, die sich dadurch auszeichnet, dass die Materialien reversibel änderbare Eigenschaften aufweisen. In technischen Systemen können diese veränderbaren Eigenschaften gezielt beeinflusst und somit nutzbar gemacht werden. Durch ihre multifunktionalen Eigenschaften können intelligente Werkstoffe sowohl sensorische als auch aktorische Funktionen übernehmen – und das auch wechselseitig. Damit stellen sie einen wesentlichen hardwareseitigen Baustein zur realen Umsetzung von Industrie 4.0 Ansätzen und der Digitalisierung dar.
Am Beispiel eines intelligenten Werkstoffs, der Piezokeramik, seien sensorische und aktorische Funktionalität nochmals näher erläutert. Wird ein flächiges piezokeramisches Element auf einer Baugruppe appliziert, können sensorisch bspw. Dehnungen und Schwingungen detektiert werden. Dies gelingt aufgrund der besonderen Eigenschaften der Piezokeramik. Wirkt eine äußere Kraft auf das piezokeramische Element und erzeugt eine Dehnung des Elementes, so wird eine elektrische Ladung generiert, die als Sensorspannung ausgelesen werden kann. Das piezokeramische Element fungiert
in diesem Fall als Sensor. Wird genau dasselbe Element von extern mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, dann wird eine Dehnung des piezokeramischen Elements bewirkt, was wiederum eine Kraftwirkung zur Folge haben kann. Das Element hat einen Stellweg zurückgelegt bzw. eine Stellkraft realisiert. Das piezokeramische Element fungiert in diesem Fall als Aktuator.
Die sensorische Erfassung von Messdaten und die adaptive Reaktion auf die Veränderungen stellen Grundbausteine für Industrie 4.0 Anwendungen in der Produktionstechnik dar.


Bild 1: 3-Säulenkonzept von smart³ – Zieldefinition.

Intelligente Werkstoffe – smart materials

Die Marktforschungsgesellschaft BBC Research beziffert das globale Marktvolumen für 2010 auf 19,6 Milliarden US $ [2]. Die Experten prognostizieren ein jährliches Wachstum von 12,6 Prozent. Das größte Marktsegment entfällt auf aktorische Anwendungen, die ca. 55 Prozent des gesamten Marktvolumens ausmachen. Den zweitgrößten Marktanteil in 2010 erreichten die sensorischen Anwendungen mit einem Volumen von 7 Milliarden US $. Das jährliche Wachstum im aktorischen Segment wird von den Experten höher eingeschätzt (Prognose 15,4 Prozent) als im sensorischen Segment (Prognose 6 Prozent).
Ähnlich wie bei der Einschätzung der wirtschaftlichen Marktpotenziale wird auch aus Sicht der technischen Systeme in einen Sensormode und einen Aktormode bei der Anwendung von intelligenten Werkstoffen unterschieden. Und die Bandbreite der verfügbaren Werkstoffe ist groß genauso wie die Unterschiede in der Marktreife der Werkstoffe und Verarbeitungstechnologien.
Vom Aktormode bei der Anwendung intelligenter Werkstoffe wird gesprochen, wenn die Werkstoffeigenschaften gezielt durch Anlegen einer externen physikalischen Feldgröße beeinflusst werden. Diese Feldgrößen können elektrische Felder, magnetische Felder, Temperaturfelder oder bspw. Licht sein. Die Eigenschaften der intelligenten Werkstoffe ändern sich in der Gestalt, dass sich die Festigkeit, die Viskosität, die Form oder die komplette äußere Geometrie verändern.
Vom Sensormode bei der Anwendung intelligenter Werkstoffe wird gesprochen, wenn sich bspw. durch Anlegen einer mechanischen Kraft oder Dehnung eine physikalische Messgröße des Werkstoffs verändert. Diese Veränderungen können bspw. als Sensorspannung ausgelesen oder als Impedanzänderung des Werkstoffs gemessen werden.
Prominente Vertreter intelligenter Werkstoffe sind beispielsweise Piezokeramiken (PZT), Dielektrische Elastomere (DEA), Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL) oder auch Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM). All diese Vertreter der intelligenten Werkstoffe haben hochkomplexe und gleichzeitig faszinierende Eigenschaften. Jedoch besteht die Ingenieurskunst darin, aus diesen faszinierenden Werkstoff eigenschaften faszinierende technische Systeme zu entwickeln. Im englischen Sprachraum spricht man daher auch nur selten allein von den smart materials an sich, sondern verbindet die Werkstoffe stets mit den Systemen und formuliert daher treff end „smart materials and structures“. Im deutschen Sprachraum hat sich der Kunstbegriff  „Adaptronik“ für den Technologiezweig der intelligenten Werkstoffe und deren Anwendungen etabliert. Er ist Ausdruck für die adaptiven, veränderbaren Eigenschaften und weist gleichzeitig darauf hin, dass über eine Kombination aus Werkstoff  und Elektronik erst ein intelligentes System oder eine Baugruppe entsteht.

 


Bild 2: Funktionsschema werkzeugintegrierte Sensorik – SensoTool.

Potenzialanalyse - smart materials and structures

Werkstoffe stellen die Basis aller materiellen Innovationen dar. Laut des Zukunftsletters des Instituts für Trend- und Zukunftsforschung basieren rund 70 Prozent aller technischen Innovationen in Deutschland auf neuen Werkstoffen oder Werkstoff technologien [3]. In der neuen Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung wird die Werkstofftechnologie als eine, die Zukunft bestimmende Schlüsseltechnologie aufgeführt. Smart materials reihen sich hier ein. Mit der Hightech-Strategie werden zugleich fünf Bedarfsfelder zur Lösung der globalen Herausforderungen definiert – Klima/Energie, Gesundheit/Ernährung, Mobilität, Sicherheit und Kommunikation [4]. In all diesen fünf Bedarfsfeldern können smart materials zu disruptiven Innovationen führen.
Die im Rahmen des vom BMBF geförderten Strategievorhabens für das Innovationsnetzwerk smart³ I materials – solutions – growth durchgeführte Potenzialanalyse hat diese globale Aussage bestätigt. Im Rahmen der Analyse wurden die Materialparameter (realisierbare Dehnung, realisierbare Kraft, realisierbare Wiederholfrequenz, …) der smart materials den Anforderungsprofilen (benötigte Wege, benötigte Kräfte, Wiederholfrequenz, …) verschiedener potenzieller Anwendungsbranchen gegenübergestellt. Dabei ergaben sich besonders in den Bereichen Fahrzeugbau, Maschinenbau, Elektroindustrie, Feinwerktechnik und Optik, Umwelt- und Gebäudetechnik, Textilindustrie, Druckindustrie und Computerindustrie sowie potenziell Biotechnologie und Medizintechnik sowie Möbelindustrie hervorzuhebende Anwendungspotenziale [5]. Beispielhaft seien hier für den Maschinenbau smarte Condition Monitoring Systeme, intelligente Umformwerkzeuge oder schwingungsüberlagerte Fertigungsverfahren benannt. Im Bereich der Medizintechnik handelt es sich bspw. um aktive Implantate, selbstoptimierende Orthesen oder smarte chirurgische Instrumente. Und aus dem Bereich Gebäudetechnik wären beispielhaft energieautarke Verschattungssysteme zu nennen. Neueste Entwicklungstrends zeigen jedoch, dass klassische Branchengrenzen zunehmend verschwimmen und die höchste Innovativität sich an den dynamischen Disziplinengrenzen einstellt.
Intelligente Werkstoffe bieten das Potenzial für Produkte mit struktureller Einfachheit aber komplexer Funktionalität. Die gestiegenen Nutzeranforderungen in Bezug auf Funktionalität, Effizienz und Kosten von Produkten führen zu hochkomplexen Systemen. Diese Komplexität spiegelt sich oftmals gleichfalls in einer komplexeren Interaktion von Mensch-Maschine wider. Die durch den Einsatz von intelligenten Werkstoffen mögliche Verlagerung der Systemgesamtkomplexität von der Handhabungskomplexität (Schnittstelle Mensch-Maschine) zur Werkstoffkomplexität bei gleichzeitig steigendem Funktionsumfang erhöht die Teilhabe und Akzeptanz für Innovationen auf Basis intelligenter Werkstoffe.
Intelligente Werkstoffe – Basis für transdisziplinäre Kooperationen
Adaptronik ist eine Querschnittstechnologie und Werkstofftechnologie (intelligente Werkstoffe) – eine Schlüsseltechnologie als Technologie-Enabler für viele Branchen. Diese Basis, eine Werkstofftechnologie als gemeinsames Fundament und Anwendungspotenziale für diese Werkstoffe in allen fünf Bedarfsfeldern der HightechStrategie vorzufinden, bietet hervorragenden Nährboden für transdisziplinäre Kooperationen. Der Werkstoff wird dabei zur Brücke zwischen wissenschaftlichen Disziplinen, Branchen und Organisationsstrukturen. Er wird somit maßgeblicher Treiber für inter-, trans- und multidisziplinäre Zusammenarbeit mit ausgezeichneten Chancen für radikale Produktinnovationen.
Unter der Konsortialführung des Fraunhofer IWU Dresden haben sich im Frühjahr 2013 31 Initialpartner genau unter diesem Dach versammelt und ein Konzept zur Erschließung der Anwendungspotenziale von intelligenten Werkstoffen erstellt. Mittlerweile haben sich 140 Institutionen (Stand Januar 2018) dem Innovationsnetzwerk smart³ angeschlossen. Mehrheitlich wird das als Verein organisierte Netzwerk durch Unternehmen bestimmt. Deren Anteil beträgt über 70 Prozent der Mitgliedsinstitutionen. Das Netzwerk führt Natur-, Ingenieurs-, Sozial- und Geisteswissenschaften, Design, Wirtschaftswissenschaften und Lebenswissenschaften sowie Unternehmen unterschiedlicher Branchen unter dem Dach der intelligenten Werkstoffe (smart materials) zusammen. Der angestrebte Paradigmenwechsel im Produkt, die visionäre Verschmelzung von Funktion und Struktur, wird flankiert von Forschungsarbeiten zum Paradigmenwechsel im organisationalen [6] und sozialen [7] Kontext. Zur Realisierung dieser smart³-Vision wird das Konsortium durch ein 3-Säulenkonzept getragen. Dabei stehen die Säulen Technik & Technologie, Interdisziplinarität & Vernetzung und Sichtbarkeit & Akzeptanz gleichberechtigt nebeneinander. In Bild 1 ist die 3-Säulenstruktur von smart³ inkl. der internen Zielfunktionen dargestellt.
Die erste Säule „Technik & Technologie“ enthält zwei Leitziele, die zum einen die Erschließung neuer Märkte adressieren und zum anderen die Strukturintegration fokussieren. Es wurden vier Leitthemen – Smart Production, Smart Mobility, Smart Health, Smart Living – definiert. Die zielorientierte Vernetzung neuer Kooperationsformen ist das Leitziel in der zweiten Säule „Interdisziplinarität & Vernetzung“. Abschließend hat das Konsortium das Ziel der Adressierung gesellschaftlicher Herausforderungen in der dritten Säule „Sichtbarkeit & Akzeptanz“ verankert. Bislang wurden im Rahmen von smart³ 20 Forschungsvorhaben durchgeführt. Davon sind bis dato 4 Vorhaben abgeschlossen und 16 Vorhaben laufen derzeit. 17 weitere Projekte sind aktuell in Beantragung.
 


Bild 3: Instrumente der Technikkommunikation – smart³-Steckboard.

Neueste Forschungsergebnisse – werkzeugintegrierte Sensorik

Bei der Entwicklung neuer Werkzeugmaschinengenerationen stehen zunehmend komplexe Prozessregelungsalgorithmen im Vordergrund. Die Maschine der Zukunft passt ihr Verhalten selbstständig an, sodass zu jedem Zeitpunkt eine qualitativ und produktiv optimale Bearbeitung des Werkstücks erfolgt. Am Markt existieren dafür einige Prozessüberwachungssysteme, die jedoch auf die Messung indirekter Prozessgrößen, wie Gestellbeschleunigungen, Motormomente oder Stromsignale der Antriebe der Vorschubachsen, angewiesen sind. Eine solche Sensorik sitzt zudem meist weit weg von der direkten Wirkstelle. Eine solche indirekte Messung, z. B. von Zerspankräften, lässt aufgrund hoher Messungenauigkeiten nur eine grobe Bewertung des Prozesszustands zu [8]. Eine effektive Prozessregelung ist mit diesen Systemen nahezu unmöglich. In [9] ist jedoch gezeigt, dass sich aus der direkten Messung der Schnittkraft, also der Reaktionskräfte direkt an der Werkzeugschneide, ein qualitativ und quantitativ deutlich höherwertiges Prozessabbild gewinnen lässt. Dies legt die Vermutung nahe, dass auch eine Prozessregelung auf der Grundlage eines solchen höherwertigen Prozessabbilds deutlich verbessert werden kann.
Das Ziel aktueller Forschungsarbeiten mit intelligenten Werkstoffen besteht deshalb in der Entwicklung einer hochintegrierten Sensorik, mit der im Zerspanprozess direkt unter der Wendeschneidplatte Kraftverlauf und Temperaturverlauf erfasst werden können. Im Rahmen des smart³-Verbundforschungsvorhabens SensoTool wurde eine werkzeugintegrierte Sensorik entwickelt und aufgebaut [10]. Als Sensortechnologie kommen piezokeramische Dickschichten und Aluminiumnitrid-Dünnschichten zum Einsatz. Beide Schichtsysteme besitzen piezoelektrische Eigenschaften und können deshalb zur direkten Kraftmessung genutzt werden. Während die piezokeramischen Dickschichten eine hohe Sensitivität aufweisen, bieten die Aluminiumnitrid-Dünnschichten eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe Festigkeit. Das gemessene Sensorsignal wird direkt auf dem rotierenden Werkzeug vorverarbeitet. Mittels einer in den Werkzeugträger integrierten Elektronik wird das Signal verstärkt, gefiltert sowie komprimiert bzw. codiert. Für die Zuführung der notwendigen Energie von außen und für die Übertragung des komprimierten Messsignals sorgt eine drahtlose Übertragungsstrecke auf RFID-Basis. Auf der Maschinenseite wird das Messsignal wieder decodiert und an die Steuerung der Werkzeugmaschinen übergeben (Systemübersicht: Bild 2).
Die Maschinensteuerung setzt das gemessene Kraftsignal in Relation zur aktuellen Bearbeitungsaufgabe und vergleicht den aktuellen Prozesszustand mit dem gewünschten Optimalzustand. Anhand der ermittelten Differenz leitet die Maschine selbsttätig eine geeignete Reaktion ab (z. B. Anpassung der Drehzahl der Hauptspindel). Eine adaptive Prozessregelung rückt in greifbare Nähe.
 

Wissenstransfer

Eine große Herausforderung für die weitere Verbreitung von intelligenten Werkstoffen stellt der geringe Bekanntheitsgrad dieser faszinierenden Werkstoffklasse dar. So geht das Fraunhofer IWU im Rahmen seiner Aktivitäten im Netzwerk smart³ ganz neue Wege der Wissenschaftskommunikation. Es werden Mitmach-Ausstellungen in namhaften Museen in Deutschland, wie dem Bauhaus in Dessau, dem Gropius-Bau in Berlin oder den Technischen Sammlungen Dresden konzipiert und gemeinsam mit Partnern und mit einem begeisterten Publikum durchgeführt. Es wurden Kooperationen mit Kunsthochschulen geschlossen, um den von jeher experimentierfreudigen Gestaltern Zugang zum Werkstoff Knowhow zu ermöglichen. In Schulklassen der Gymnasialstufe werden Lerneinheiten im Rahmen des Physikunterrichts angeboten und die Mitarbeiter unserer Mitgliedsunternehmen werden in gezielten Einzelworkshops über die Potenziale von intelligenten Werkstoffen (theoretisch wie praktisch) geschult.
Im Rahmen dieser Aktivitäten wurde ein intuitiv erschließbares Experimentierboard mit unterschiedlichen Sensor- und Aktorbausteinen aus Piezokeramiken und Thermischen Formgedächtnislegierungen realisiert (Bild 3) und steht dem Netzwerk smart³ für den Wissenstransfer zur Verfügung.

Beitrag als pdf herunterladen
 

Schlüsselwörter:

Intelligente Werkstoffe, Funktionswerkstoffe, smart materials and structures, Adaptronik, Wissenstransfer, Transdisziplinarität, Produktionstechnik, Industrie 4.0

Literatur:

[1] Neugebauer, R.; Drossel, W.-G.; Ihlenfeldt, S.; Harzbecker, C.: Design method for machine tools with bionic inspired kinematics. In: CIRP Annals 58 (2009) 1, S. 371-374.
[2] BBC Research LLC: Smart Materials: Technologies and Global Markets. 2011.
[3] Wenzel, E.; Dziemba, O.; Langwieser, C.; Pock, B.; Sturm, D.: Die Zukunftsmatrix; Zukunftsletter der ITZ GmbH 2012, S. 138-139.
[4] Bundesministerium für Bildung und Forschung: Ideen. Innovation. Wachstum. Hightech-Strategie 2020 für Deutschland. Bonn 2010
[5] Bundesministerium für Bildung und Forschung: Abschlussbericht des Strategievorhabens „Start Smart“ des Konsortiums smart³. Dresden, 10.05.2016, BMBF-Datenbank
[6] Sydow, J.; van Well, B: Wissensintensiv durch Netzwerkorganisation – strukturationstheoretische Analyse eines wissensintensiven Netzwerkes. In: Sydow, S. (Hrsg): Management von Netzwerkorganisationen: Beiträge aus der Managementforschung. Wiesbaden 2006, S. 107-150.
[7] Funken, C.; Hörlin, S.: Misstrauen als Ressource. In: OrganisationsEntwicklung 31 (2012) 1, S. 41-45.
[8] Liu, C.; Xu, X.: Cyber-physical Machine Tool – The Era of Machine Tool 4.0. ; Procedia CIRP 63:70-5; 2017
[9] Liang, Q.; Zhang, D.; Wu, W.; Zou, K.: Methods and Research for Multi-Component Cutting Force Sensing Devives and Approaches in Machining; Sensors (Basel, Switzerland) 16(11; 2016.
[10] Drossel, W.-G.; Gebhardt, S.; Bucht, A.; Kranz, B.; Schneider, J.; Ettrichrätz, M.: Performance of a new piezoceramic thick film sensor for measurement and control of cutting forces during milling; CIRP Annals; 2018.