Vorstellung des Projektes Open Adaptronik. OpenAdaptronik ist ein vom BMBF gefördertes Projekt, welches aktive Systeme zur Schwingungsminderung für die Maker-Bewegung in der Photonik aufbereitet und so einer breiten Öffentlichkeit die Umsetzung von bildstabilisierenden Systemen, Schwingunsisolatoren für optische Instrumente und vielem mehr ermöglicht.

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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

8. © Fraunhofer
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
 …

13. © Fraunhofer
Erfahrungen in der Schall- und Schwingungsminderung
Schallminderung
Doppelglas-
fenster
Aktiver
Industrie-
schalldämpfer
Aktive
Motorlager
Schiffbau
Aktive Systeme
im Automobilbau

14. © Fraunhofer
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

17. © Fraunhofer
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)

18. © Fraunhofer
Vorarbeiten
MEMS Sensoren im generativ gefertigten Gehäuse zur Schwingungsmessung
Datenerfassungsystem auf Basis von uC-Hardware (Arduino, Raspberry PI)

19. © Fraunhofer
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

20. © Fraunhofer
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

21. © Fraunhofer
 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

22. © Fraunhofer
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
→
B
Aktormodell im Halbschnitt
 Modellbildung von kommerziell verfügbaren Aktoren
Tauchspulenaktor VM4032-315

23. © Fraunhofer
Recherche von freier FEM- und CAD Software

24. © Fraunhofer
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

25. © Fraunhofer
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

26. © Fraunhofer
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

27. © Fraunhofer
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 Tilger
mit Tilger (innen)
1
2

28. © Fraunhofer
Vorarbeiten
Realisierung von Leistungselektronik mit preiswerter Audio-Hardware
Realisierung digitaler Regelungstechnik für Active Noise Control
mit Arduino und Low Cost 32bit uC

29. © Fraunhofer
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

30. © Fraunhofer
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

31. © Fraunhofer
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.

32. © Fraunhofer
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

33. © Fraunhofer
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

34. © Fraunhofer
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)?