Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Požadavky kladené na struktury moderních strojů a staveb neustále rostou a běžné mechatronické systémy již často narážejí na hranice svých technických možností. V takových případech nachází uplatnění nový interdisciplinární obor s názvem adaptronika (kombinace slov adaptovat a elektronika). Adaptronika je obor zabývající se studiem, vytvářením a využíváním aktivních inteligentních materiálů (smart materials), které dokážou své vlastnosti rychle a flexibilně adaptovat, tj. přizpůsobit situaci a měnícím se provozním podmínkám. Adaptivního chování se dosahuje integrací nových snímacích a akčních funkcí do aktivních struktur a jejich optimálním systémovým propojením vhodným řídicím systémem.
Při použití adaptroniky, o níž se často hovoří jako o klíčové technice 21. století [1], lze vyrobit a bez újmy na spolehlivosti provozovat moderní mechanické struktury lehčí a kompaktnější, s menšími vibracemi a hlukem a stabilnějším tvarem, popř. také s integrovanými funkcemi trvale sledujícími stav struktur. Výsledkem jsou úspora surovin, menší zatížení životního prostředí hlukem a emisemi, menší provozní náklady a rovněž zdokonalení funkce, zvýšení výkonnosti a prodloužení doby provozního života struktur. Odborníci proto očekávají, že aktivní zásahy do chování struktur budou stále důležitější a žádanější.
Systematicky se využití adaptroniky a inteligentních materiálů v technické praxi věnuje Fraunhoferova aliance pro adaptroniku (Fraunhofer-Allianz Adaptronik – FAA), v níž na konkrétních projektech úzce spolupracuje jedenáct Fraunhoferových ústavů spolu se svými partnery z vysokých škol a průmyslu. Některé zajímavé výsledky své činnosti představili členové FAA na veletrhu Sensor+Test 2011 v Norimberku [2]. Mimo jiné zde názorně ukázali, jak lze při použití adaptronických metod sledovat mechanické struktury a včas odhalit únavu materiálu, sníženou nosnost dílu či lokalizovat jiná poškození, i skrytá.
Velký zájem byl zejména o použití metody s názvem Structural Health Monitoring (SHM) ke sledování stavu mechanických struktur v letecké technice [3], demonstrovaném na příkladu vyšetřování části trupu letadla. Metodu vyvinuli odborníci Fraunhoferova ústavu pro provozní odolnost a spolehlivost systémů LBF (Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit) v Darmstadtu. Úkolem je zde průběžně sledovat důležité prvky či uzly konstrukce letadla a včas odhalit jejich případná poškození, a to i skrytá, jako jsou trhliny, deformace apod. Zajímavý veletržní exponát se skládal ze tří částí: z demonstračního panelu trupu letadla, elektronické jednotky SHM a přenosného počítače (notebooku).
Demonstrační panel reprezentuje díl vnějšího potahu trupu letadla. Je vyroben z plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny a nese na svém povrchu speciální elektromechanické (piezokeramické) dvojčinné měniče, které mohou pracovat jako snímače i jako akční členy (obr. 1). Kompaktní elektronická řídicí jednotka SHM (obr. 2), schopná provozu v síti takovýchto jednotek, napájí a řídí elektromechanické měniče tak, že ve funkci akčních členů vysílají do vyšetřované struktury vhodné (akustické) signály a ve funkci snímačů zjišťují, jaká je odezva struktur. Přenosný počítač zobrazuje údaje, které jednotka SHM z demonstračního panelu sejmula a dále podle speciálně navržených algoritmů zpracovala.
Bezpečnost je v letecké dopravě vždy na prvním místě. Proto odborníci z FAA navrhují využít metodu SHM k vybudování integrovaného „nervového systému“ zahrnujícího všechny důležité mechanické prvky a uzly konstrukcí letadel. Konečným cílem je vytvořit jakýsi speciální „adaptronický systém včasného varování“, který bude během celé doby provozu letadla trvale sledovat všechny kritické části konstrukce (trup, křídla, ocasní plochy) a dokáže včas rozpoznat únavu materiálu nebo první znaky poškození, takže bude možné vadné díly vyměnit dříve, než způsobí vážný problém nebo katastrofu. To nejenom přispěje ke zvýšení bezpečnosti letecké dopravy, ale současně také umožní zkrátit dobu a snížit náklady potřebné na údržbu letadel. Letecké společnosti si od zavedení techniky SHM slibují zkrácení doby nutné na údržbu dopravních letadel až o 40 %.
Možnosti využití adaptronických technik jsou velmi všestranné a jejich přednosti stále častěji využívány nejen ve strojírenství, v automobilovém a leteckém průmyslu, v optice a v lékařské technice, ale např. i ve stavebnictví. Odborníci z Fraunhoferovy aliance pro adaptroniku se na tom svými odbornými znalostmi a know-how podílejí významnou měrou.
Literatura:
[1] Adaptronik ist Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Presseinformation FAA, 4. dubna 2011.
[2] Adaptronisches Frühwarnsystem überwacht Strukturen und detektiert Schäden an einem Flugzeugrumpf. Presseinformation FAA, 7. června 2011.
[3] BOLLER, CH.: Adaptronic Systems for Aerospace Applications. Automatisierungstechnik, 2006, roč. 54, č. 6, s. 276–283.
Ing. Karel Kabeš
Obr. 1. Část trupu letadla s elektromechanickými měniči fungujícími jako snímače i akční členy (foto: Fraunhofer LBF)
Obr. 2. Řídicí jednotka SHM (foto: Fraunhofer LBF)