"go-cluster"-Jahrestagung 2019

"Innovativ, Innovativer, Cluster" - Zur 2. Clusterwoche Deutschland...

Technologietransfer zwischen Wissenschaft und Industrie: smart³ als Worldcafé-Tischpate

Im Rahmen des futureSAX-Innovationsforums diskutieren über 100...

Neue Ausschreibungsrunde

smart³ schreibt erneut Projekte in den Säulen I, II & III aus.

 

Leitanwendung: Intelligente Konsumgüter

Ziel ist es, Konsumgüter um die Vorteile von smart materials zu erweitern. Aus diesem Grund sind Ingenieure, Designer und Sozialwissenschaftler gleichermaßen an der Entwicklung neuer Produkte beteiligt. Durch die so entstehende Produktgestaltung soll die Akzeptanz von Produkten auf Basis von smart materials signifikant erhöht werden.

 

Leitanwendung: Intelligente Gebäude und Gebäudetechnik

Zur Steigerung der Energieeffizienz in Wohn- und Nutzbauten entwickeln die Mitglieder von smart³ Produkte zur Gewinnung von Energie bzw. autark agierende Systeme. Letztere bieten beispielsweise die Möglichkeit, Gebäude automatisch an entsprechende Umweltbedingungen anzupassen oder neue Wege in der Gestaltung von Gebäuden zu beschreiten. Dank des Einsatzes von smart materials ist dies Platz sparend und ohne aufwendige Sensor- bzw. Antriebstechnologie möglich.

FuE-Projekte Smart Living

Lifestyleprodukte und intelligente Gebäudetechnik

SmartSkin

Selbstregulierenden Sonnenschutzkomponenten für die Gebäudehülle

Laut EU-Parlament müssen die Mitgliedsländer der Europäischen Union 2020 sicherstellen, dass alle öffentlichen Bauten als Niedrigstenergiegebäude ausgeführt werden. Aus diesem Grund müssen ganzheitliche Energiekonzepte entwickelt werden, die den Primarenergieverbrauch des Gebäudes erheblich reduzieren. Gleichzeitig hat der Kühlenergiebedarf bei Gebäuden in den vergangenen Jahren rasant zugenommen.
Vor allem im Nichtwohnungsbau kommen Klimatisierungsanlagen zum Einsatz, um der sommerlichen Überhitzung entgegenzuwirken. Internationale Studien gehen davon aus, dass es von 1990 bis 2020 zur Vervierfachung des Kühlbedarfs kommen wird. Aus dieser Entwicklung resultieren immense ökologische Probleme. Energieautarke Systeme haben hier ein sehr großes Zukunftspotenzial.

 

Der Einsatz gut ausgelegter Verschattungssysteme kann den Bedarf an Kühlenergie um bis zu 75 % minimieren. Konventionellen Systeme bergen jedoch einen hohen Wartungsaufwand, der Betriebsenergiebedarf ist hoch und die teilweise noch fehlerhafte Steuerung aus ökologischer und ökonomischer Sicht problematisch.
Im angestrebten Projekt soll der Lösungsansatz eines energieautark funktionierenden Verschattungssystems umgesetzt werden mit dem Ziel der Reduzierung des Energiebedarfs zur Raumklimatisierung sowie der kompletten Einsparung der Betriebsenergie in Neu- und Bestandsbauten. Hierfür soll eine thermosensitive Aktorik auf Basis des Formgedächtniseffektes entwickelt werden, die das Verschattungssystem den Umgebungsbedingungen entsprechend reguliert. Gleichzeitig soll ein Eingreifen des Nutzers teilweise ermöglicht werden z. B. im Winter, um trotz nicht benötigtem Überhitzungsschutz einen bedarfsgeregelten Blendschutz zu ermöglichen.

 

Im vorliegenden Projekt soll ein energieautarkes, selbstregulierendes Verschattungssystem entwickelt werden. Dabei soll die Möglichkeit eines manuellen Eingreifens im Bedarfsfall (Blendschutz) gegeben bleiben und dennoch eine reduzierte Komplexität im Vergleich mit bestehenden Systemen gleicher Funktionalität erreicht werden. Gelingen soll dies durch die Entwicklung einer entsprechenden Aktorik auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Diese soll im Sommer mithilfe des thermosensitiven Materials eine auf die Umgebungsbedingungen abgestimmte autarke Verschattung realisieren.
Dadurch wird die Energieeffizienz des Systems extrem gesteigert. Im Winter, wenn in der Regel aufgrund der Umgebungsbedingungen keine selbstregulierende Verschattung eintritt, soll ein manuelles Eingreifen des Nutzers ermöglicht werden, um die Benutzerfreundlichkeit des Systems zu erhöhen und damit die Marktakzeptanz erheblich zu steigern.

SoundAdapt

Adaptive Oberflächenmodule zur anwendungsspezifischen Optimierung der Raumakustik

Kaum ein Raum ist akustisch perfekt und jeder Raum klingt anders. In Mehrzweckräumen werden akustische Kompromisse gefordert, die nicht selten zu Lasten mehrerer Beteiligter gehen. In Konzertsälen hingegen steht nicht nur der Musikgenuss der Zuhörer im Mittelpunkt, sondern auch die Hörbarkeit der Musiker untereinander. Die akustische Raumwahrnehmung hängt dabei einerseits stark von der Form und dem Volumen eines Raumes ab, andererseits auch von der Oberflächenbeschaffenheit der Innenwände, Decken und Böden. Je nach Nutzungsart sind zudem verschiedene Klangantworten in Räumen wünschenswert und notwendig. Für eine gute Sprachverständlichkeit ist eine andere Raumwahrnehmung erforderlich als bei der Darbietung von Musik. In der Musik hat jede Stilrichtung eine z.T. deutlich unterschiedliche Anforderung an Aufführungsräume. Meist ist eine Vielzahl von einzelnen Maßnahmen notwendig, um einen Raum an die Bedürfnisse der Nutzer anzupassen. Die raumakustischen Anpassungen verursachen oft sehr hohe Kosten und wurden in größerem Rahmen bisher nur in seltenen Einzelfällen, wie z.B. im Konzertsaal Luzern oder im Royal Opera House in Oman, angewandt.

Die hohe Qualität von dargebotener Musik kann nur durch intensives und kontinuierliches Einstudieren garantiert werden. Gerade in Übungs- und Proberäumen werden nicht nur Opernarien oder Lieder einstudiert, sondern es üben Musiker auf verschiedensten Instrumenten. Weist ein Raum zu wenig Nachhall auf, dann klingt er zu "trocken" und einem Sänger fehlt die Einschätzung der eigenen Stimme. Ist ein Raum hingegen zu "hallig", dann ist der Klang von Instrumenten nicht eindeutig zu erfassen und die Musik "verschmiert". Eine Raumakustik, die an die Erfordernisse der jeweiligen Nutzer gezielt angepasst werden kann, ist vor allem der Wunsch vieler Musiker.

Zudem hat die Raumakustik einen entscheidenden und qualitätssichernden Anteil an der Wahrnehmung von Sprache. Es gibt eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen, die sich mit der kognitiven Lernleistung von Kindern in Abhängigkeit der Akustik von Klassenräumen beschäftigen. Haben Kinder Höreinschränkungen, so sind besondere Anforderungen an Klassenräume gestellt. Häufig kann in den Schulen dann nur ein einziger Raum genutzt werden, der speziell für Kinder mit Höreinschränkungen akustisch ausgelegt werden muss. Ein flexibler und fächerübergreifender Unterricht ist dann nicht mehr möglich.

Ziel des Vorhabens ist es, akustisch veränderliche Oberflächen unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen (FGL) zu schaffen. Damit können raumakustische Parameter von unterschiedlichsten Räumen gezielt verändert werden. Mehrzweck- oder Probenräume können damit einfach und schnell der aktuellen Raumnutzung entsprechend verändert werden.

In Klassenräumen oder Seminarräumen kann die Lernleistung erhöht werden, indem die Innenakustik an die Bedürfnisse der Gruppe angepasst wird. Eine optimale Innenraumakustik senkt im Allgemeinen zusätzlich den Schalldruckpegel im Raum ab, was insbesondere in Kindergärten das Risiko von Gehörschäden bei Kindern und Pädagogen reduziert.

ADAPTEX

Entwicklung eines textilen Sonnenschutzes mit Formgedächtnislegierungen zur Anwendung für intelligent-adaptive Hüllen im architektonischen Kontext.

Smart Materials werden in wichtigen Industriebereichen wie dem Maschinenbau, der Automobilbranche oder der Medizintechnik bereits serienmäßig eingesetzt. Im Bauwesen finden sie jedoch noch nahezu keine Anwendung. Hohe Ansprüche an Dauerhaftigkeit und Beständigkeit, sowie die Großmaßstäblichkeit von Bauelementen haben bisher eine Anwendung von Smart Materials für „Smarte Bauelemente“ oder „Smart Surfaces“ verhindert.

Genau hier setzt ADAPTEX an. FGL-Elemente sind als Smart Materials aufgrund ihrer Verschleißfreiheit, Langlebigkeit und Wartungsfreiheit prinzipiell sehr gut für Bauanwendungen geeignet. Als Produkt sind sie allerdings eher für die Genauigkeit und Maßstäbe des Maschinenbaus ausgelegt als für Architektur/Fassadenanwendungen. Das Vorhaben ADAPTEX schließt diese Lücke durch textile Anwendungen.

Zielstellung ist die Entwicklung eines textilen Sonnenschutzes, der strukturelle Anpassungen innerhalb der Fläche vornehmen kann. Das Textil kann sich aufgrund seiner Flexibilität selbst komplexen Baukörper-Geometrien anpassen und dynamische Übergänge in seiner Struktur bzw. Funktionalität schaffen.

Die leichte und flexible Struktur ermöglicht den Einsatz sowohl im Neubau, als auch bei der energetischen Bestandssanierung, die einen Großteil des wirtschaftlichen Bauvolumens ausmacht.

SmarDis

Smart Displays for Smart Living

Smart Living verspricht eine Zukunft mit mehr Wohnkomfort, Sicherheit und Energieeffizienz aber auch mit neuen Nutzungen und Interaktionen. Smarte Sensoren und Aktoren werden den Wohn- und Lebensraum erfassen und entsprechend der Bedarfe der Bewohner steuern, so dass ein wirkliches Smart Home kein klassisches Interface zum Nutzer mehr benötigt – es erkennt dessen Absichten. Es muss sich dennoch jederzeit einfach bedienen lassen, sicher, datensparsam und nutzerfreundlich sein. Intelligente Sprachassistenten wie Amazons »Alexa« zeigen, was das für Smart Living bedeutet: Anstatt über das Smartphone oder Tablett Geräte im Haus zu steuern, kann jetzt mit diesen einfach »gesprochen« werden.

Was passiert gerade in meinem Haus, meinem Leben und meiner Umgebung? Ein Feedback von dem System an den Nutzer zur Überprüfung und Sichtung ist essentiell. Allerdings werden auch hier neue Ansprüche an das Interface gestellt. Heutige Visualisierungen sind oft komplex und stellen für den Nutzer im Alltag schnell eine Überforderung dar. Deshalb sollten die Umgebung und die Dinge mit dem Nutzer genauso natürlich kommunizieren, wie es jetzt möglich ist zu »Alexa« zu sprechen. Das Smartphone oder Tablett mit seiner grafischen Benutzeroberfläche (Graphical User Interface, GUI) ist dafür nur begrenzt geeignet und dient in Zukunft der gezielten und detaillierten Datenauswertung, -konfiguration und -analyse. Für das alltägliche Feedback rücken Smart Material Interfaces (SMIs) in den Vordergrund, die es ermöglichen Daten auf einen Blick erfassbar und »begreifbar« zu zeigen: Durch Formveränderung und Bewegung können SMIs unterschiedliche Zustände anzeigen und gleichzeitig Zusammenhänge sichtbar werden lassen.

Mit dem Projekt »Smart Displays for Smart Living« soll ein solch neuartiges »SMI-Display« entwickelt werden, das auf Dielektrischen Elastomeraktoren (DEA) basiert. Das in dem Projekt entwickelte Display soll sich in den Wohnkontext natürlich einfügen und als ästhetisches, reaktives Objekt wahrgenommen werden. Die Anwendung ist modular und individualisierbar, der Nutzer wird selbst bestimmen können, mit welchen Daten er das Display belegt: Hausdaten wie Temperatur, Luftqualität oder die Information über geöffnete Türen und Fenster, personenbezogene (Gesundheits-) Daten, die z.B. über Fitnesstracker gesammelt werden oder externe Daten, wie aus sozialen Netzwerken, können als Gesamtkomposition dargestellt werden.

Für das Display werden Dielektrischen Elastomere sowohl als Oberfläche als auch als Aktor eingesetzt. Auf der Basis von Faltprinzipien des Origami und Kirigami entsteht eine Art Kartographie, die generativ verändert werden kann, sowohl in ihrem Relief als auch in ihren Oberflächencharakteristika. Die besondere organische Bewegungsqualität der DEA wird dabei genutzt, um Daten lebendig darzustellen und zu animieren. Prinzipien der Ausdehnung und Verdichtung, der Skalierung und Formveränderung, Schatten und Licht können in ihren verschiedenen Zuständen mit Daten in Korrelation gebracht werden. Bestimmte Zonen im Display können unterschiedlich belegt werden: Während sich z.B. oben rechts das Wetter abbildet, kann sich im unteren Bereich die Anzeige für den Energieverbrauch des Hauses befinden. Gegenseitige Abhängigkeiten von eigener Fitness mit der Luftqualität lassen sich intuitiv erfassen.

Das smarte Material der dielektrischen Elastomere soll als elektronisch aktivierte Minimum Energy Structure (MES) eingesetzt werden. Als integraler Bestandteil der Origami- oder Kirigamistrukturen erlauben sie vielfältige Möglichkeiten der dynamischen Datenvisualisierung für eine schnelle und natürlich analoge Erfassung durch den Benutzer. Damit die leichtbauende smarte Display-Struktur nicht durch zusätzliche Sensoren in ihrer Dynamik und Ästhetik beeinträchtigt wird, sollen Self-Sensing-Prinzipien zur gezielten Bewegungsteuerung herangezogen werden. Der modulare Ansatz des Vorhabens erlaubt dem Nutzer, sein Display individuell zu konfigurieren, eine Form- und Bewegungsbibliothek ermöglicht es, Module für unterschiedliche Datentypen anzubieten. Im Ergebnis wird ein Demonstratordisplay mit exemplarischen Datensätzen diese Visualisierung anschaulich erlebbar machen und das Potenzial für weiterführende Umsetzungen aufzeigen.

TAVIMBA

Thermische aktivierte Verbindungen im Modularen Bauen

Im Bauwesen sollen einfache Verbindungen zur Verfügung gestellt werden, die im Bauteil integriert sind und ohne eine mechanische Zugänglichkeit geschlossen und ggf. geöffnet werden können. Dafür soll ein Verbindungsmechanismus unter Verwendung von thermischen Formgedächtnislegie-rungen konzipiert, validiert und realisiert werden, der mittels thermischer bzw. elektrischer Stimu-lation aktivierbar ist. Damit wird nicht nur der Forderung nach einer hohen optischen Qualität der Bauteile ohne nachträglich geschlossene Öffnungen entsprochen, sondern auch ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil, durch den Wegfall von Nacharbeiten, erzielt. Dadurch ergibt sich für den Fertigteilbau bzw. Montagebau nicht nur eine Kosteneinsparung, sondern es werden auch neue Einsatzgebiete erschlossen bzw. es werden Barrieren für den Einsatz abgebaut. Da diese Verbin-dungen nicht zugänglich sein müssen, ergeben sich neue Verbindungsmöglichkeiten und Montage-arbeiter müssen nicht an schwer zugängliche gefährliche Stellen eingesetzt werden, die Arbeitssi-cherheit kann durch minimieren des Risikos erhöht und die Montage vereinfacht werden.

Beteiligte Mitglieder

ADA Acoustics & Media Consultants GmbH

www.ada-amc.eu
Logo CarboCon

CarboCon GmbH

www.carbocon.de
Logo Cavertitzer

Cavertitzer Elektromontage GmbH

www.cavertitzer.de
Logo COLT

COLT International GmbH

www.de.coltgroup.com
Logo Digalog

DIGALOG GmbH

www.digalog.de
Logo EnergieAutark GmbH

EnergieAutark GmbH

www.energieautarkgmbh.de
Logo Fraunhofer IWU

Fraunhofer IWU

www.iwu.fraunhofer.de
Logo ITP GmbH

ITP GmbH Gesellschaft für Intelligente Textile Produkte

www.itb-gmbh.de
Logo Priedemann

Priedemann Facade-Lab GmbH

www.priedemann.de
Logo Schirmer

SCHIRMER GmbH Beratende Ingenieure

www.schirmer-ingenieure.de
Logo SKZ

SKZ - KFE gGmbH

www.skz.de
Logo TU Chemnitz

Technische Universität Chemnitz - Professur für Adaptronik und Funktionsleichtbau

www.tu-chemnitz.de
Logo TU Dresden

Technische Universität Dresden - Institut für Massivbau

massivbau.tu-dresden.de
Logo Verseidag

Verseidag-Indutex GmbH

www.vsindutex.de
Logo KHB

weißensee kunsthochschule berlin

www.kh-berlin.de