Systematische Entwicklung hybrider, intelligenter Konstruktionselemente

Die besondere Forschungsaufgabe der Forschergruppe bezieht sich auf hybride intelligente Konstruktionselemente „HIKE“. Durch den Verbund von sieben Hochschulinstituten aus den Fachbereichen Bauingenieurwesen, Luft- und Raumfahrtechnik, Konstruktions-, Produktions-, Fahrzeug- bzw. Textil- und Verfahrenstechnik wird der wissenschaftliche Ansatz verfolgt, systematisch neuartige Konstruktionselemente zu entwickeln, die funktionale, wirtschaftliche und innovative Anforderungen erfüllen und sich deutlich von den klassischen Konstruktionselementen abheben. Solche im Vergleich zu heute deutlich erhöhte Funktionalitäten einzelner, für ihren Einsatzbereich konzipierter Konstruktionselemente können nur durch neuartige Konstruktions- und Dimensionierungssystematiken erzielt werden, die die Systembestandteile Werkstoff, Mess- und Informationstechnik zu einem sehr frühen Entwurfszeitpunkt miteinander verbinden. Der Aufbau der Forschergruppe ist in die Bereiche Grundlagen- und Anwendungsforschung geteilt mit einer engen Verzahnung und Abstimmung der Einzelprojekte.

Ziel des Teilprojekts ist es, Grundlagen für eine zukünftige methodische Entwicklung von hybriden intelligenten Konstruktionselementen zu schaffen. Die dafür zu entwickelnde Methodik baut auf den Erfahrungen der anderen Teilprojekte bei der Entwicklung des Demonstrators „Schalentragwerk“ auf, um künftige Entwicklungen systematisch zu unterstützen, gezielt vorhandene Anwendungsfelder zu strukturieren und neue zu erschließen. Um die Potenziale hybrider und intelligenter Konstruktionselemente (HIKE) voll auszuschöpfen, müssen ihre Eigenschaften und Anwendungsfelder schon bei der Entwicklung ausreichend berücksichtigt werden.

Teilziele sind dabei insbesondere:

• Erarbeiten einer konstruktionstechnischen Theorie für HIKE
• Erarbeiten einer Gestaltungsrichtlinie für das HIKE-gerechte Konstruieren
• Konzipieren einer angepassten Vorgehensweise für die Entwicklung von HIKE

Diese Teilziele betreffen zwei wesentliche Bereiche konstruktiver Tätigkeiten im Rahmen der HIKE-Forschergruppe:

• Das Konstruieren von HIKE: Entwicklung der HIKE in den Teilprojekten
• Das Konstruieren mit HIKE: Konstruktion des Demonstrators und Einsatz der HIKE im Demonstrator

Hubka teilt konstruktionswissenschaftliche Aussagen in einem übersichtlichen Diagramm ein. Er unterscheidet das Objekt der Aussage, nämlich das Technische System und den Konstruktionsprozess, sowie die Art der Aussage, die deskriptiv oder präskriptiv formuliert sein kann. Im Mittelpunkt der Forschergruppe stehen die HIKE, die einerseits entwickelt werden und andererseits in einem konkreten Demonstrator eingesetzt werden. Aus der Begleitung dieser beiden Prozesse und der Analyse der HIKE werden Bestandteile einer angepassten präskriptiven Vorgehensweise abgeleitet. Diese wird in der zweiten Projektphase vertieft validiert.

Bild 1 zeigt die Einordnung der Teilziele in die Menge der konstruktionswissenschaftlichen Aussagen nach Hubka.

Klassische Konstruktionselemente wie Wellen, Schrauben oder Lager sind mechanische Tragstrukturen. Sie übertragen statisch beispielsweise Kräfte und Momente oder dynamisch Leistungen. Das Konzept der hybriden intelligenten Konstruktionselemente wird durch Kombinationen gebildet, die sowohl die mechanische Tragstruktur als auch Sensoren und Aktoren umfassen können. Im Idealfall vereinigt ein HIKE alle drei Bestandteile. Ergänzend wird eine Regelung oder Steuerung benötigt. Sie wird durch eigenständige Hard- und Software verwirklicht. HIKE unterscheiden sich somit von klassischen Konstruktionselementen dadurch, dass die Bestandteile Sensor, Aktor und mechanische Tragstruktur in einem Konstruktionselement, d.h. auf Elementebene, vereint werden. Sie stehen dem Konstrukteur als ein Bauteil zur Verfügung. Es müssen nicht mehr einzelne Komponenten erst zu einem Teilsystem vergleichbarer Funktionalität zusammengestellt werden.

Bild 2 zeigt die Zusammensetzung von HIKE aus den Komponenten Sensor, Aktor und mechanische Tragstruktur.

• "Neue Möglichkeiten durch hybride intelligente Konstruktionselemente (HIKE) - Vom Tragwerk zur adaptiven Motorhaube" (Stuttgarter unikurier Nr. 104 2/2009 S. 50). als PDF
• "Hybride intelligente Konstruktionselemente. Neue Forschergruppe HIKE entwickelt Vision der Zukunft" (transmitter 2/2011 Magazin der Fakultäten des Stuttgarter Maschinenbaus S. 5-14). als PDF

• A3 Multifunktionale, hybride Sandwichstrukturen für flächige und rohrföhrmige Konstruktionselemente
• A4 Integration sensorischer Funktionalität in die Matrixstruktur hybrider Konstruktionselemente
• B1 Entwicklung von steifen und biegeschlaffen Zugelementen und Krafteinleitungselementen für Flächenelemente
• B2 Flächige anpassungsfähige Elemente in der Gebäudehülle
• B3 Herstellung eines intelligenten Kraftumlenkelements durch teilflüssige Formgebung
• B4 Regelungs- und Steuerungsmethodik für Systeme mit hybridern intelligenten Konstruktionselementen

• Institut für Flugzeugbau (IFB), Universität Stuttgart
• Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT), Universität Stuttgart
• Institut für Umformtechnik (IFU), Universität Stuttgart
• Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), Universität Stuttgart
• Institut für Systemdynamik (ISYS), Universität Stuttgart
• Institut für Textil-und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV) der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) Lehrstuhl für Textiltechnik, Universität Stuttgart