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OPEN ADAPTRONIK

Kick Off LBF, 04.04.2016

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OPEN ADAPTRONIK ÜBERSICHT

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Problemstellung

Störende Schwingungen verringern die Präzision photonischer Systeme

Adaptronische Systeme ermöglichen hochwirksame Lösungen durch Integration von

Aktoren

Sensoren

Regelungstechnik

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Anwendungen für die Adaptronik in der Photonik

SOFIA - Im Flugzeug montiertes Teleskop

Aktive Schwingungsisolation für optische Tische (Thorlabs)

• hoch spezialisierte Systeme

• Leistungsfähige Komponenten

Hohe Entwicklungskosten

Teure Komponenten

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Potentielle breitenwirksame Anwendungen…

(myphotonics) (diy-drones)

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Open Adaptronik

Open Source Entwicklungswerkzeuge

Leicht verfügbare Basiskomponenten

Nutzung leicht zugänglicher Fertigungsverfahren

Erschliessung der Adaptronik für breite Anwenderkreise

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Ziele von Open Adaptronik

Ein offenes und leicht umsetzbares System für die Schwingungsmessung und -analyse

Ein Open Source Software-Toolkit zur einfachen, methodischen Systementwicklung

Ein Open Source Hardware-Toolkit für die angepasste, preiswerte Umsetzung adaptronischer Systeme

Eine offene Wissensplattform zur Dokumentation und zum fachlichen Austausch

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Projektstruktur

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PROJEKTPARTNER UND BEITRÄGE: FRAUNHOFER LBF

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Forschungsbereich Adaptronik

Modellbildung und Simulation

Experimentelle Analyse

Design und Prototyping

System- zuverlässigkeit

Regelungs- technik und Systemintegr.

Strukturdynamik und Schwingungs-

technik

Zuv. Signalverar-beitung und Struk-turüberwachung

Aktoren und

Sensoren

Analyse und Beratung

passive, aktive und

adaptive Maßnahmen

…

Regelungs-technik

SHM

Smarte Sensorknoten

und –netze …

Neue Aktoren und Antriebe

Smarte Materialien

Elektroaktive Polymere

…

Betriebsfester und funktionsint.

Leichtbau

Faserverbund-bewertung

Prot. Bauteil-fertigung

Int. aktiver Materialien

…

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Vom Konzept zum Produkt

Neue (Funktions)Materialien, Materialverbünde und smarte Komponenten

Modellbildung, Simulation und Auslegung

Konstruktion, Fertigungstechnologien und Prototyping inkl. Funktionsintegration

Control Engineering und Systemintegration

Systemtest, zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren, Zuverlässigkeit

Unterstützung der Industrie in folgenden Themen

Problemanalyse, Beratung und Produktgestaltung

Systemintegration und Demonstration

Technologietransfer und Weiterbildung

Schwingungstechnik, Überwachung, Vibroakustik, betriebsfester Leichtbau

Systemintegration und Test

Konzeption und Auslegung

Design und Prototyping

Forschungsbereich Adaptronik Portfolio

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Forschungsbereich Adaptronik Arten der Zusammenarbeit

öffentlich finanzierte Projekte

EU, BMWi, BMBF,… TRL 1

TRL 2

TRL 3

TRL 4

TRL 5

TRL 6

TRL 7

TRL 8

TRL 9

Basic Technology Research

Research to Prove Feasibility

Technology Development

Technology Demonstration

System / Subsystem Development

System Test & Operations

Vertragsforschung

Dienstleistungen für die Industrie

Angewandte Forschung

Anwendung bewährter Methoden und Verfahren Strukturanalyse Beratung Fachkräftequalifikation, …

angewandte Forschung bilaterale Kooperation Machbarkeitsstudien …

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Erfahrungen in der Schall- und Schwingungsminderung

Schallminderung Doppelglas-fenster

Aktiver Industrie-schalldämpfer

Aktive Motorlager Schiffbau

Aktive Systeme im Automobilbau

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Arbeitspaket 1: Definition Anwendungsbeispiele, Randbedingungen und Lastenheft

Arbeitspaket 1.1: Definition der Anwendungsbeispiele

Recherche interessanter Beispielanwendungen aus der Literatur

Diskussion potentieller Anwendungen mit den Kooperationspartnern der TU Darmstadt

Priorisierung und Vorabauswahl

Arbeitspaket 1.2: Potentialanalyse der Anwendungsbeispiele

Recherche adaptronischer Lösungen für die gewählten Anwendungsbeispiele

Heuristische Abschätzung der Umsetzbarkeit mit vereinfachten Systemen und Open Source Werkzeugen

Arbeitspaket 1.3: Präzisierte Aufgabenstellung und Lastenheft

Sammlung der Anforderungen an die adaptronischen Systeme

Sammlung von Anforderungen an die Open Source Entwicklungsumgebung

Definition studentischer Anwendungsprojekte

Darstellung der Aufgabenstellungen als Beispiele auf Homepage/ Wissensplattform

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Vorarbeiten

Lagerung optischer Komponenten im Labor

Schwingungsanalyse an einem Helikopter mit Kamerahalterung

Biegemode bei 23 Hz Kamera- position

Rotor- anregung

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Nächste Schritte im Projekt

Review der Vorarbeiten

Workshop zur Findung von Anwendungsbeispielen

Teilnehmer: LBF, Fablab

Zusätzlich: Einsammeln von Ideen (Studenten, Alumni, Maker…)

Ideen aus anderen Open Photonik Projekten (myphotonics?)

Priorisierung

Definition von studentischen Arbeiten

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Arbeitspaket 2: Entwicklung einer offenen Plattform für die Struktur- und Schwingungsanalyse

Arbeitspaket 2.1: Pflichtenheft der Analyseplattform

Gesamtsystemspezifikation entsprechend Anforderungen (AP1.3)

Hardwarespezifikation

Softwarespezifikation

Arbeitspaket 2.2: Prototyping der Datenerfassung und Signalverarbeitung

Recherche und Auswahl nutzbarer Open Source Frameworks (Arduino, IOIO, embed etc.)

Recherche und Auswahl kostengünstiger Sensorik (z.B. MEMS)

Bewertung vorhandener Datenerfassung- und Analysekapazitäten (Notebooks, Tablets, Smartphones, Soundkarten)

Qualifikation der Komponenten

Arbeitspaket 2.3: Entwicklung eines Prototypen

Prototypische Umsetzung von Hard- und Software

Funktionsprüfung und Test

Dokumentation (Schaltpläne, Layouts, Quellcode)

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Vorarbeiten

MEMS Sensoren im generativ gefertigten Gehäuse zur Schwingungsmessung

Datenerfassungsystem auf Basis von uC-Hardware (Arduino, Raspberry PI)

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Nächste Schritte im Projekt

Spezifikation , Auswahl und Qualifikation geeigneter Sensoren im Hinblick auf die Anwendungsbeispiele

Spezifikation , Auswahl und Qualifikation geeigneter SV-Plattformen im Hinblick auf die Anwendungsbeispiele sowie Anbindung an die offene Modellbibliothek

Definition der erforderlichen Analysewerkzeuge, sowie Bwertung und Auswahl geeigneter Plattformen und Softwareframework

Definition und Ausschreibung studentischer Arbeiten

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Arbeitspaket 3: Entwicklung einer offenen Plattform für die Systemauslegung und Modellbildung 3.1 Konzeptionierung der Plattform

Anforderungen speziell für die offene Plattform werden definiert

Open Source Simulationswerkzeuge werden hinsichtlich ihrer Eignung evaluiert

Definition des Umfangs der zu erstellenden Bibliothek, der benötigten Modelle und die Auswahl der geeigneten Simulationswerkzeuge.

Definiton von Schnittstellen zwischen den Programmen

Das geplante Vorgehen wird mittels eines einfachen Beispiels erprobt

3.2 Erstellung eines Analysetools zur Bewertung von Messdaten

Erstellung eines Analysetools

Vorgehen zur Auswahl möglicher schwingungsreduzierender Maßnahmen wird erarbeitet und dokumentiert

3.3 Aufbau Werkzeugkasten für fortgeschrittene Anwender

Erstellung quelloffener und leicht nutzbarer Modell- und Komponentenbibliotheken

Verknüpfung verschiedener Simulationswerkzeuge

3.4 Aufbau Werkzeugkasten für Einsteiger (1.5 PM)

Der Werkzeugkasten aus 3.3 wird stark vereinfacht: Ablauf auf der Projektwebsite

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Erstellung von kommerziellen Matlab Toolboxen zur Simulation aktiver Systeme

Eigene Simulationsmethotik integriert

Bietet Unternehmen die Möglichkeit aktive Systeme effizient auszulegen

Angebotene Toolboxen

Structure and Vibration Toolbox

Ansys®-Matlab® Interface Toolbox®

Smart Structures Toolbox

Weitere Informationen :

www.mechanical-simulation.de

Vorarbeiten: Mechanical Simulation in Matlab

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Vorarbeiten: Aktordesign mit dem Open Source Tool FEMM

Die ermittelten Aktorparameter können unkompliziert in weitere Simulationsumgebungen übertragen werden.

Stromdurchflos- sener Leiter

Magnet

Feldlinien- führung →

F→

I→

BAktormodell im Halbschnitt

Modellbildung von kommerziell verfügbaren Aktoren

Tauchspulenaktor VM4032-315

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Recherche von freier FEM- und CAD Software

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Nächste Schritte im Projekt

Aufbereitung der gesammelten Liste mit Open Source Werkzeugen

Definition von Benchmark-Beispielen

Evaluierung ausgewählter Tools gegen kommerzielle Werkzeuge

Qualität des Ergebnisses

Handling

Öffentliche Dokumentation als Tutorial / Whitepaper

Definition studentischer Arbeiten

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Arbeitspaket 4: Entwicklung eines offenen Werkzeugkastens für die Umsetzung von adaptronischen Systemen

4.1 Recherche

Recherche handelsüblicher Komponenten (z.B. Aktoren und Verstärker aus dem Audio-Bereich, Signalverarbeitung) zur Realisierung adaptronischer Komponenten

Benutzung der Sensorik aus AP 2

Dokumentation geeigneter Komponenten und Darstellung der Einsatzbereiche sowie Vor- und Nachteile auf der Wissensplattform (AP5)

4.2 Anpassung der Aktorik und passiver Komponenten

Benötigten Komponenten (aktiv und passiv) festlegen.

Anpassung eines leicht erhältlichen Aktorsystems an adaptronische Anwendungen

Mechanischer Entwurf der passiven Komponenten (z.B. Federn, Dämpfer)

Anpassung an mögliche Fertigungsverfahren, welche leicht und preiswert zugänglich sind: (Beratung durch das FabLab, AP 4U).

Fertigung, Aufbau und Erprobung der Komponenten

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Arbeitspaket 4: Entwicklung eines offenen Werkzeugkastens für die Umsetzung von adaptronischen Systemen

4.3 Regelungstechnik und Signalverarbeitung

Auswahl einer Signalverarbeitungsplattform z.B. Arduino/ Raspberry PI

Implementierung der Algorithmen aus der offenen Plattform

Funktionstests vor der Erprobung in AP6

4.4 Zusammenstellung des Werkzeugkastens

Sammlung der gefundenen Lösungen

Prüfung der Kompatibilität der Komponenten untereinander

Erarbeitung von Vorschlägen für die Skalierung der passiven und aktorischen Komponenten als Basis für die Anpassung an spezifische Probleme durch die Nutzer

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Vorarbeiten

Prototyping von Schwingungstilgern mit generativ gefertigten Komponenten

50 100 150 200 250 300-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

Frequenz [Hz]

FRF

[dB

| 1m

/s/N

]

Summenfrequenzgang Geschwindigkeit/Kraft

ohne Tilgermit Tilger (innen)

1

2

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Vorarbeiten

Realisierung von Leistungselektronik mit preiswerter Audio-Hardware

Realisierung digitaler Regelungstechnik für Active Noise Control mit Arduino und Low Cost 32bit uC

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Nächste Schritte im Projekt

Review der Vorarbeiten

Evtl. direkte Übernahme in die Wissensplattform

Recherche weiterer Lösungen (Literatur, Studenten)

Definition einer Auswahl von Komponenten

Aufbau, Evaluierung gegen Laborhardware (Studentische Arbeiten)

Dokumentation auf der Wissensplattform

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Arbeitspaket 5: Dokumentation und Erstellung einer offenen Wissensplattform

AP 5.1 Strukturierung und Auswahl geeigneter Tools für Wissensplattform

Definition der Anforderungen an die Wissensplattform

Recherche und Evaluierung von geeigneten offenen Tools zur Zusammenarbeit des Projektteams untereinander und mit Nutzern aus der Öffentlichkeit

Strukturierung der Plattformen zum Wissenstransfer

AP 5.2 Projekthomepage

Aufbau und Einrichtung einer Projekthomepage (z.B. www.openadaptronik.de)

Fortlaufende Dokumentation des Projektverlaufs und -ergebnisse über Website

Möglichkeit der gemeinsamen und gegenseitigen Verbesserung von Komponenten und Systemen durch die Anwender

Bürgerbeteiligung über Diskussionsforum, Gästebuch und Kontaktseite

dokumentierter Bereich für den Download versionierter Distributionen des Toolkits bzw. von Komponenten

Verlinkung aller projektrelevanten Webseiten und Onlinetools zur Zusammenarbeit

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Arbeitspaket 5: Dokumentation und Erstellung einer offenen Wissensplattform

AP 5.3 Wissensplattform

In der Wissensplattform werden das erarbeitete Know How sowie Baupläne und Tutorials offen zugänglich gemacht.

Die Wissenplattform soll Technik-Laien befähigen schnell und erfolgreich neue Anwendungen realisieren zu können und fortgeschrittenen Anwendern (z.B. aus dem universitären Umfeld oder kmU) die Möglichkeit bieten eigene Inhalte beizusteuern.

Ergebnisse aus der Komponentenentwicklung (AP2-4) und der Anwendung und Evaluierung (AP6) anhand der Beispielanwendungen aus der Photonik werden gesammelt, aufbereitet und veröffentlicht.

Die Dokumentation des methodischen Entwicklungsprozesses dient dabei auch der Wissensvermittlung und kann weitere Entwicklungen von außerhalb des Projekts anstoßen.

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Stand der Arbeiten: Projekthomepage

Reservierte Internetadressen:

www.openadaptronik.de

www.openadaptronik.com

Nutzung des Open Source Content-Management-Systems Joomla

Geplante Vernetzung mit

de.wikipedia.org/wiki/Adaptronik

www.adaptronik.fraunhofer.de

…

OpenAdaptronik Blog:

http://blog.fraunhofer.de/Openadaptronik

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Stand der Arbeiten: Wissensplattform

Erstellung einer Wissensplattform in der Fraunhofer Wikifarm

OpenAdaptronik Wiki: http://s.fhg.de/openadaptronik

Frei Zugänglich und wird mit Blog verknüpft

Späterer Umzug auf Projekthomepage geplant

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Nächste Schritte im Projekt: Verbreitung

Definition von Standards für Dokumentation

Quellcodes, Baupläne, Berichte

Definition eines geeigneten Lizenzmodells für die Veröffentlichung

Nutzung von GitHub zum Austausch über Source Code :

https://github.com/OpenAdaptronik

Beteiligung an Maker Faire Berlin (30.09-02.10)

Vernetzung mit der Makerszene im RheinMain Gebiet

Auswahl einer geeigneten offenen Kollaborationsplattform zur Dokumentation

Teilnahme MakerSpace@Fraunhofer (20.04)?