Strukturen, die mehr können als nur zu tragen - Smart Structures & Materials 


Diese Materialklasse ermöglicht eine sehr einfache Umsetzung von Funktionen in tragenden mechanischen Strukturen. Während bei Artefakten wie Maschinen oder Gebäuden diese Funktionen durch das Hinzufügen von Aktuatoren oder Sensoren realisiert werden, stellen intelligente Strukturen diese Funktionen neben der mechanischen Belastung auf sehr einfache und elegante Weise bereit. Ein Beispiel ist eine aerodynamische Flügelstruktur aus Formgedächtnismetall, die sich bei Temperaturänderungen stark verformt. Anstelle komplexer struktureller Lösungen zur Veränderung der aerodynamischen Form, wie aerodynamische Klappen, machen intelligente Materialien diese technischen Elemente überflüssig.


Zu den bekannten intelligenten Materialien gehören Formgedächtnislegierungen, Kunststoffe, magnetostriktive Metalle und piezoelektrische Materialien. Piezomaterialien haben einen entscheidenden Vorteil: Sie lassen sich durch Änderung einer elektrischen Spannung formen und können von einer elektronischen Steuerung einfach kommandiert werden. Außerdem sind sie von Natur aus sehr schnell.

Smart Materials wurden intensiv in Forschungsprojekten eingesetzt und in Technologiedemonstratoren getestet. . Formgedächtnismaterialien wurden in Programmen untersucht, um Tragflächen für Flugzeuge zu realisieren, die die aerodynamischen Nachteile von Klappen, nämlich das Öffnen von Spalten in der Tragfläche während des Klappenbetriebs, vermeiden. In Hubschrauberflügeln wurden piezoelektrische Materialien untersucht, die eine schnelle Formänderung des Tragflügels während der Rotation des Rotors ermöglichen. Diese schnell reagierenden aerodynamischen Profile ermöglichen die Unterdrückung von Vibrationen und Geräuschen. Piezomaterialien eignen sich aufgrund ihrer schnellen Reaktion ideal zur Bekämpfung von Körperschallschwingungen in Maschinen oder geräuschdämpfenden Strukturen. 

Anwendungsbeispiele aus der Luftfahrt


"Trailing Edge Servoklappe". Piezoelektrische Aktuatoren (rot) mit Hubübersetzung steuern aerodynamische Klappen in einem Rotorblatt mit hoher Geschwindigkeit. Anwendung: Schnelle Rotorblattsteuerung eines Hubschrauber EC135.



"Morphing" Rotorblatt mit intergierten Piezoaktuatoren. 

Grohmann B, Maucher C, Jänker P (2006) Actuation concepts for morphing helicopter rotor blades. In: Proceedings of the 25th international congress of the aeronautical sciences (ICAS 2006), Hamburg, Germany, 3–8 September, pp. 1–10.

Aktive Strebe mit Piezoaktuatoren. Die drei Piezoaktuatoren können die Strebe hochdynamisch dehnen. In einem Regelsystem Mikrofon - Verstärker - Strebe kann die Ausbreitung von Körperschallschwingungen  wirksam isoliert werden. 
Anwendung: Aufhängung des Getriebes in einem Hubschrauber. Die Antriebseinheit des Hubschraubermusters EC135 ist ein starr verbundene Einheit, bestehend aus Rotor, zwei Turbinen und einem Getriebe. Diese Einheit ist mit 7 Streben starr mit der Zelle verbunden. 

Jaenker P, Kloeppel V, Konstanzer P, et al. (2008) Piezo active vibration and noise control in helicopters. In: Proceedings of the 26th international congress of the aeronautical sciences, Anchorage, Alaska, 14–19 September, pp. 1–10.


TVA Tuneable Vibration Absorber für A400M. Anwendung:Anti-Noisesystem zur Reduktion des Kabinenlärms im A400M 

Aktive Blattfeder gebaut aus Faserverbundwerkstoff mit integrierten Piezoaktuatoren.   

P Konstanzer, M Grunewald, P Janker, S StormProceedings of the 25th international congress of the aeronautical sciences …, 2006•icas.org