Klíčová technologie 21. století vnáší život do mechanických struktur Novinky adaptroniky

Společnost Fraunhofer Allianz Adaptronik představila před časem společně s partnery z výzkumu, průmyslu a malých i středních podniků novinky adaptroniky z výzkumu a průmyslové praxe. Adaptronika je klíčovou technologií 21. století. Jakoby vnášela „život“ do mechanických struktur a umožňuje vznik konstrukčních součástí, které se aktivně přizpůsobují proměnám prostředí a provozním podmínkám. Tím se otevírají nové možnosti funkčních výhod a trvalých výrobních inovací, například v oblasti sníženého kmitání, redukování hluku, kontrole tvaru stejně jako v oboru lehkých konstrukcí a v optimalizaci spolehlivosti. Aktivní zásahy do chování struktur budou stále důležitější. Zvláště aktivní kontrola kmitání je zkoumána ve zcela odlišných technických adaptačních scénářích. Transfer technologií a strategická spolupráce je právě cílem aliance pro adaptroniku. PIEzořídicí technika Na příkladu běžně prodávaného indického motocyklu ukazuje VEMAC, společnost, která je expertem na mechatroniku, jak je možné se speciálními piezokarburátory snížit spotřebu až o 10 % a při tom dodržet přísné normy výfukových plynů v EU. Umožňují to piezořízené karburátory Vemac PCC (Piezo Controlled Carburator), které lze využít u všech typů motorových vozidel, mobilních strojů i u zahradnické techniky. Přestavba na speciální piezokarburátory je jednoduchá a levná. Kromě toho byla představena Rapid Control Prototyping platforma VeRa, otevřený elektronický řídicí přístroj pro vývoj řídicího a regulačního softwaru v automobilovém prostředí. Vedle standardní verze VeRa GP (General Purpose) pro obecné řídicí úkoly se prezentoval také piezoderivát VeRa P6DI, s nímž mohou být provozovány spalovací motory s piezopřímým vstřikováním bez přídavné elektroniky. High-Tech podnik v Cáchách si v posledních 10 letech vybudoval svoje kompetence a know-how na úseku piezoelektronického řízení. Těžištěm jsou řešení pro zážehové motory a dieselmotory se vstřikovacími ventily, tvorba směsi, hydraulické ventily, analýza piezoelektrických aktuátorů a elektronické buzení (aktivace). Minipiezo zesilovací systémy S nově vyvinutými modulárními i signálními zesilovači piezosystému LBF-PIA můžeme dosahovat vysoké výkonové a kvalitativní požadavky na výstupní signály výkonové elektroniky. Zesilovače se např. hodí k buzení piezoaktorů v aktivních vibroakustických systémech pro minimalizaci hluku. Vzhledem k jejich dimenzování produkují mimořádně malé zkreslení, které je často důvodem rušivých vedlejších hluků při provozu piezoaktorů. Výkonová elektronika je důležitý a často používaný stavební prvek v adaptivních nebo mechatronických systémech. Vývoj výkonových zesilovačů pro piezoaktory je mimořádnou výzvou. Důvodem toho jsou vlastní piezoaktory, které představují pro zesilovače kapacitní zátěž. Oproti aktorům založeným na elektromagnetismu, jako jsou např. elektrodynamické budiče kmitů nebo reproduktory, které zesilovače zatěžují induktivně, klesá impedance piezoaktorů lineárně s kmitočtem. Piezoaktory proto „správně“ fungují teprve na vysokých kmitočtech. V důsledku toho mohou rušivé vyšší harmonické regulačního signálu vnášet do systému více energie, než vlastní základní signál. V praxi se aktivní regulace kmitů dělá většinou tak, že senzorem kmitání měřené nízkofrekvenční kmitání může být sice regulováno a redukováno, ale uskutečňuje se na základě dodatečného do struktury zavedeného vysokofrekvenčního kmitání. Akusticky jsou většinou vnímány pouze nechtěné kmity, na které ucho mimořádně citlivě reaguje. Proto jsou pro adaptroniku využívány piezozesilovače. Požadavky na výkon a kvalitu nebyly, ale u obvykle prodávaných zesilovačů se automaticky zajišťovalůy. Proto Fraunhofer LBF vyvíjí řadu kompaktních piezozesilovačů pro mobilní aplikace 12 V DC napájecího napětí až do fáze jejich tržního uplatnění. Pro možnost levné výroby byl jako základ zvolen stavebnicový systém vytvořený z nejrůznějších OEM-modulů. Moduly sestávají ze dvou základních stavebních kamenů (Power Supply Module - PSM a piezozesilovacích modulů - PAM). Individuálně a flexibilně konstruované systémy piezozesilovačů PIA mohou být sestaveny na míru pro každou aplikaci. Systémy jsou k dostání prostřednictvím ISYS Adaptive Solutions GmbH v Darmstadtu. Piezoaktorika s integrovaným nastavitelným zdvihem ISYS Adaptive Solution GmbH prezentuje rovněž nový modulární systém aktorů integrujících robustní piezoaktoriku s elastomerním převodovým modulem v jedné kompaktní aktorové jednotce - ultraStroke. Díky tomu může být nastavení piezoaktoriky zvětšeno o téměř jeden řád. Aktorika byla ve spolupráci Fraunhofer LBF a ISYS koncipována jako zvláštní řešení a následně vyvíjena jako malá modulární standardní jednotka. Její konstrukce zohledňuje stavbu systému jako sériové řešení a u technických aplikací nabízí požadované rozšířené nastavení. Aktory jsou základem moderních aktivních a adaptronických strukturních systémů. Inženýři při vývoji adaptivních struktur často sahají po piezokeramické aktorice. Ta se hodí pro mnoho úloh z oblasti kmitání a nastavování. Piezoaktorické aplikace jsou vzhledem k možnosti velkosériové výroby multiúrovňových piezosvazků upřednostňovány na příklad u vstřikovacích motorů. Aplikační potenciál je limitován relativně malým nastavením. S ultraStroke-aktorikou může být aktorické prodloužení integrovaných piezosvazků z cca jednoho promile s převodovou jednotkou zvýšeno až o řád. Přesto jsou aktory kompaktní. Konstrukce ultraStroke je modulární. Ve standardní verzi ultraStroke - aktoriky, jsou piezovstřikovací aktory používány v aktorickém základním modulu. Tento základní modul však může být podle potřeby aplikace jednoduše vyměněn. Díky modulární výstavbě může zákazník flexibilně využívat aktorová řešení. Je možné využívat jiné aktorové moduly pro jiné zdvihy nebo nastavení síly, jiné převodové jednotky pro jiné zdvihy nebo aktorové tuhosti nebo je možné přímo napojovat další součásti, jako jsou chapadla. Použití elastomerního média v jednotce pro zvětšené nastavení je mimořádně výhodné. Požadavky na utěsnění, tak jako u kapalin, nejsou nutné. Zabrání se netěsnostem, design aktorů je odlehčený a rozšířeny jsou možnosti využití. Piezotechnika je dnes velmi dobře etablována, k dispozici je aktorika v různém uspořádání, vlastnosti jsou velmi dobře známy, technická spolehlivost je vysoká a know-how nasazení je rozšířeno. Tak mohou ultraStroke rychle a bez problémů nalézt uplatnění. UltraStroke mohu být provozovány s novými kompaktními LBF PIA piezozesilovači. Piezokeramické měniče DuraAct Patentované měniče DuraAct lze vyrábět v nejrůznějších tvarech, ani speficky vyformované povrchové plochy nejsou problémem. Vzhledem k relativně vysoké elektrické kapacitě umožňují relativně vysoké využití signálu také v obtížných okrajových podmínkách. DuraAct měniče se ideálně hodí pro stavbu aktivních a adaptivních systémů. Mohou účinně redukovat kmitání nebo na základě mechanických deformací vyrábět elektrické napětí. Piezoměniče mohou fungovat jako malinké generátory. DuraAct technologie se uplatní v lékařské technice u adaptivní optiky a v samokontrolních strukturách. Příkladem toho jsou SHM aplikace na nosných plochách letadel, rotorových listech nebo jako hluková redukce v motorových vozidlech. Miniaturní formát P-876.SP1 DuraAct je dosud nejmenší variantou patentovaných plošných měničů. Tenká piezokeramická fólie (0,2 mm) může být používána jako aktor stejně jako senzor. Hodí se pro použití i ve stísněných podmínkách. Nové aktivní fólie 80, 60 nebo dokonce 55 mikrometrů silné, opatřené elektrodami a laminované do polymeru, umožňují extrémní poloměry ohybu i pod 10 mm. Piezokompozitní prvky tak mohou být nasazeny v náročných podmínkách, jako jsou např. vysoké teploty a vlhkost vzduchu. Výroba a zpracování takové tenké piezokeramické vrstvy („ohebná keramika“) je postupně úspěšně zvládána. Nová generace DuraAct umožňuje snímání kmitů až do vf (ultrazvukové) oblasti s kmitočtem nad 20 kHz. PI Ceramic (PIC) je světově vedoucím výrobcem piezokeramiky. Od roku 1992 vyvíji a vyrábí piezokeramické materiály a stavební prvky pro standardní a OEM-řešení. PI Ceramic, dceřiný podnik Physic Instrumente (PI) sídlí v Lederhose v Thüringenu. /an/