FOR 981:  Hybrid Intelligent Construction Elements

• Subject Area: Mechanical and Industrial Engineering
• Term: from 2009 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 52793350

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Konstruktionselemente wie Federn oder Seile sind schon seit Jahrhunderten wesentliche Bestandteile von technischen Systemen. Auch wenn durch zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten die Leistungsfähigkeit von Konstruktionselementen permanent gesteigert wurde, so sind die grundlegenden Funktionen doch immer in der mechanischen Domäne verblieben. Aufgrund zahlreicher Anforderungen werden allerdings seit Jahrzehnten mechanische Systeme zunehmend zu mechatronischen Systemen weiterentwickelt, die Sensorik, Aktorik und Regelungstechnik in sich vereinen und somit vielfältige Aufgaben übernehmen. Daher hat sich die Forschergruppe „Hybride Intelligente Konstruktionselemente“ (HIKE) die Aufgabe gestellt, die grundlegenden Funktionen solcher Konstruktionselemente zu erweitern. Die so entwickelten HIKE zeichnen sich durch Fertigungs- und funktionale Integration von Sensoren, Aktoren, anzeigenden Elementen und/oder Regelungen/Steuerungen auf der Ebene des Konstruktionselements aus. In der ersten Förderphase wurden HIKE entwickelt, Grundlagen für eine neuartige Konstruktionsmethodik sowie die Einbindung der Sensorik in diese HIKE erarbeitet. Die Verknüpfungen der Teilprojekte und die Evaluierung der gewonnenen Erkenntnisse erfolgten anhand eines Schalentragwerks mit integrierter Sensorik, Aktorik und Regelung. Durch die Einbringung der Adaptivität können unterschiedliche Lastfälle (z. B. durch Windlasten) identifiziert, geeignete Maßnahmen für eine Homogenisierung und Reduzierung der Spannungen ermittelt sowie mittels der Aktoren umgesetzt werden. Während die HIKE aus der ersten Förderphase nur über zusätzliche sensorische Funktionen verfügten, die zusammen mit konventionellen Aktoren in den Demonstrator eingebracht wurden, konnten diese in der zweiten Förderphase durch sensorische und aktorische HIKE ersetzt werden. Darauf aufbauend wurden weitere Untersuchungen hinsichtlich der Dynamik der HIKE bzw. den sich daraus ergebenden Möglichkeiten wie eine aktive Schwingungsdämpfung untersucht. Weiterhin wurden verschiedene Untersuchungen hinsichtlich der Selbstorganisation der HIKE durchgeführt. Einige dieser Ergebnisse wurden erfolgreich in neuen Prototypen, wie den kommunikativen Flächenelementen, umgesetzt und evaluiert. Aufgrund der Neuartigkeit der adaptiven Tragwerke konnten innerhalb der Forschergruppe erste grundlegende Untersuchungen für die zu erweiternden Sicherheitskonzepte im Bauingenieurswesen durchgeführt und Ansätze erarbeitet werden. Um die angestrebte Fertigungsintegration der HIKE auch hinsichtlich der Serientauglichkeit zu prüfen, wurden verschiedene Produktionstechnologien untersucht bzw. weiterentwickelt. So können bspw. im Fall der Formgebung im teilflüssigen Zustand die geschmiedete HIKE reproduzierbar endkonturnah hergestellt werden. Dabei fokussierte die zweite Förderphase nicht nur auf die Weiterentwicklung der HIKE, sondern auch auf die Entwicklung zusätzlicher, neuartiger HIKE. Die Forschergruppe hat die Ergebnisse der zweiten Förderperiode anlässlich eines Abschlusskolloquiums am 10.11.2015 in der Universität Stuttgart vor ca. 50 Gästen aus Industrie und Wissenschaft präsentiert und sowohl den Demonstrator als auch zahlreiche weitere Funktionsmuster vorgeführt. Aufbauend auf den Ergebnissen der Forschergruppe ergeben sich zahlreiche neue und erweiterte Fragestellungen, die im Rahmen neuer Forschungsvorhaben untersucht und in mehreren Transferprojekten gemeinsam mit der Industrie weiterentwickelt werden sollen.

Publications

• Adaptive Tragwerke – Aktuelle Forschungen im Ultraleichtbau. Stahlbau, 82 (2013), 6, S. 428–437
  Neuhäuser, S. ; Weickgenannt, M. ; Haase, W. ; Sawodny, O.
  
• Stuttgart SmartShell – a full scale prototype of an adaptive shell structure. Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, 54 (2013), 4, S. 259-270
  Neuhaeuser, S. ; Weickgenannt, M. ; Witte, C. ; Haase, W. ; Sawodny, O. ; Sobek, W.
  
• Concept for modelling a control system using the Characteristics-Properties Modelling (CPM). In: Marjanovic, D.; Storga, M.; Pavkovic, N.; Bojcetic, N (ed.): Proceedings of the DESIGN 2014 - 13th International Design Conference. Dubrovnik, 2014, S. 1261- 1270 - ISSN 1847-9073
  Crostack, A. ; Heidingsfeld, M. ; Binz, H. ; Sawodny, O. ; Roth, D.
  
• Kinematic Exploration of 1-DOF Origami Mechanisms. In: Schroecker, H. P. & Husty, M. (Hrsg.): Proceedings of the the 16th International Conference on Geometry and Graphics. Innsbruck, 2014, S. 719-725
  Klett, Y. ; Middendorf, P.
  
• Material Property Modification of Continuous Fibre-reinforced Aluminum Matrices Produced by Semi-solid Forming Strategies. In: KMUTNB: International Journal of Applied Science and Technology. 2014, Vol. 7, No. 3, S. 21-28
  Liewald, M. ; Riedmüller, K. R.
  
• Model-based sensor fault diagnosis for the Stuttgart SmartShell. In: Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering. Taipei, 2014, S. 846-851
  Heidingsfeld, M.; Kimmerle, U.; Tarín, C.; Sawodny, O.
  
• New textile solution strategies for resource-efficient civil engineering. 8th Aachen-Dresden International Textile Conference. Dresden, 2014
  Baesch, B. ; Scharpf, K. ; Riethmüller, C. ; Gresser, G. T.
  
• Biegeschlaffe Zug- und Krafteinleitungskomponenten für Flächenelemente. Technische Textilien / Euroseil, 2. Band, April 2015
  Wehking K.-H. ; Finckh-Jung, A. ; Winter, S.
  
• Capture of actual development processes of Hybrid Intelligent Design Elements in order to define a target development process. In: Weber, C. et al. (Hrsg.): Proceedings of the 20th International Conference on Engineering Design 2015 (ICED15). Mailand, 2015, S. 1-10 - ISSN 2223-7941
  Crostack, A. ; Binz, H. ; Roth, D.
  
• Entwicklung einer eigenschaftsbasierten Informationsbasis am Beispiel der Entwicklung von und mit Hybriden Intelligenten Konstruktionselementen (HIKE). In: Binz, H. ; Bertsche, B. ; Bauer, W. ; Roth, D. (Hrsg.): Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung 2015. Stuttgart, 2015, S. 1-10 - ISSN 2364-4885
  Crostack, A. ; Binz, H. ; Roth, D.
  
• From 4 mm up to 50 mm rope diameter – Scaling up a new termination for high-modulus fibre ropes. OIPEEC Conference 2015. Stuttgart, 2015. ISBN 978-0-9552500-5-7
  Finckh-Jung, A. ; Winter, S.
  
• Kinematic Analysis of Congruent Multilayer Tessellations. In: Journal of Mechanisms and Robotics, Special Issue: Orig (2015), Nr. JMR-15-1125
  Klett, Y.
  
• Research activities and new developments in bulk metal forming at the Institute for Metal Forming Technology. In: Proceedings of the International Conference on “New Developments in Forging Technology”. Fellbach, Germany, 2015. ISBN 978-3-88355-409-9
  Liewald, M. ; Felde A.