Mechatronik: Definition und Begriffsbestimmung

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    Begriffen wie "smart materials", "smart structures" und "adaptive structures" entstanden Mitte der achtziger Jahre in den USA und Japan. Seit Beginn der neunziger Jahre hat sich für diese Begriffe in Europa und insbesondere in Deutschland der Oberbegriff Adaptronik etabliert, der die Selbstanpassungsfähigkeit in den Mittelpunkt stellt und darauf verzichtet, technischen Systemen oder Materialien Eigenschaften wie "smart" oder "intelligent" zuzuordnen. Literatur zum Thema Adaptronik

    Das Institut für Strukturmechanik beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) definiert im Leitprojekt Adaptronik den Begriff so: "Adaptronik beschreibt den Technologiebereich zur Schaffung einer neuen Klasse sogenannter Intelligenter Strukturen. Dieses Konzept geht von der Entwicklung adaptiver Systeme aus, die sich über autonome, d. h. selbstregelnde Mechanismen an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen. Voraussetzung dafür ist die systemoptimale Verknüpfung von Sensoren und Aktuatoren auf der Basis von neuen Funktionswerkstoffen wie z. B. piezokeramischen Fasern und Folien mit adaptiven Reglern. Sie übernehmen damit gleichzeitig tragende wie aktuatorische/sensorische Aufgaben und sind somit multifunktional."

    Den Begriff des adaptiven Struktursystems definiert ebenfalls das DLR: "Neben geeigneten Sensorsystemen und Reglern sind es insbesondere in ausgesuchten Strukturkomponenten integrierte Aktuatoriksysteme aus thermisch, elektrisch oder magnetisch aktivierbaren Materialien (Piezoelektrika, Magnetostriktiva, elektrorheologische Fluide u. a.), mit deren Hilfe das Gesamtsystem in die Lage versetzt werden kann, sich selbstständig an wechselnde Bedingungen optimal anzupassen." Weiter heißt es dort: "Adaptive Struktursysteme entsehen durch das Zusammenwirken mehrer wichtiger Teildisziplinen, von denen Strukturmechanik (inkl. Materialtechnologie und Leichtbau), Regelungstechnik, Sensorik und Aktuatorik mit ihren querschnittlichen, d. h. weitgehend systemunabhängigen Charakter von zentraler Bedeutung sind. (...) Im Gegensatz zu herkömmlichen Strukturen, in denen reglergestützte, aktive Elemente weitgehend als nachträglich eingebaute, sogenannte Reparaturlösungen eingesetzt werden, sind adaptive Struktursysteme dadurch gekennzeichnet, dass all ihr Teilsysteme von Beginn einer Strukturentwicklung an integrativ in den Entwicklungsprozess im Sinne einer Systemoptimierung einbezogen werden."

    Nach Jendritza (1998) leistet die Adaptronik "einen Beitrag zur Optimierung von Produkten, indem sie diese kleiner, weniger komplex, leichter und leistungsfähiger macht. Insbesondere können ‚intelligente' Strukturen ihr Verhalten selbsteuernd in kurzer Zeit an wesendliche Betriebs- und Umweltbedingungen anpassen." Dabei schlägt die Adaptronik "die Brücke vom Werkstoff zum System (intelligentes Produkt) und umfasst die Suche nach multifunktionalen Elementen, deren anwendungsspezifische Optimierung sowie die Integration in eine System oder eine Struktur."

    Zu den Begriffen "smart" oder "intelligent" sagt Jendritza (1998) Folgendes: "Um einer Struktur, wie beispielsweise einem Tragflügel, ein Attribut wie "intelligent" oder "smart" zu verleihen, ist eine enge Kopplung an die Funktionalität sinnvoll. Eine Struktur sollte dann als intelligent bezeichnet werden, wenn alle Funktionsbausteine eines Regelkreises, also Sensoren, Aktoren, Steuerung sowie notwendigerweise ein Trägermaterial enthalten sind. Die Abgrenzung zum klassischen Regelkreis wird durch die Forderung gewährleistet, dass ein Element der Struktur mehrere Funktionen übernimmt. Im "intelligenten" Tragflügel würde z. B. eine CFK-Struktur mit eingelagerten PZT- oder FGL-Elementen neben der Funktion des "Tragens" auch die eines Aktors (variable Formgebung) übernehmen".

    Weitergehende Informationen zur Adaptronik finden Sie auch in dem Buch Adaptronics and Smart Structures. Basics, Materials, Design, and Applications.

    Mechatronik

    Eine einheitliche Definition des Begriffs Mechatronik hat sich bis heute nicht herausgebildet. Ein Hauptgrund hierfür mögen die vielen Themenschwerpunkte- und Anwendungsgebiete, die unter diesem Begriff zusammengefasst werden. Dennoch existiert ein gemeinsames Grundverständnis von Mechatronik.

    Eine recht allgemeine und zumindest in Deutschland verbreitete Begriffsbestimmung findet sich im Kraftfahrtechnischen Taschenbuch: "Mechatronik ist eine Ingenieurwissenschaft, die die Funktionalität eines technischen Systems durch eine enge Verknüpfung mechanischer, elektronischer und datenverarbeitender Komponenten erzielt."

    Daniel J. Jendritza (1998) grenzt die Begriffe Adaptronik, Mechatronik, und Mikrosystemtechnik gegeneinander ab und gibt unter Bezug auf das Industrial Research and Development Advisory Committee der Europäischen Union folgende Definition: Die Mechatronik ist die "synergistische Verknüpfung von Feinwerktechnik, elektronischer Steuerungstechnik und Systemtechnik zum Zwecke der Produktentwicklung und -herstellung. Die Mechatronik ist interdisziplinär, d. h. einerseits verbindet sie die genannten Bereiche, andererseits umfasst sie zusätzliche Komponenten, die ursprünglich zu keinem dieser Bereiche gehörte".

    Eine sehr abstrakte und offene Definition gibt John Millbank von der University of Salford (nachzulesen in Tonkinson u. Horn 1995: "By definition, then, Mechatronics is not a subject, science or technology per se - it is instead to be regarded as a philosophy - a fundamental way of looking at and doing things, and by its very nature requires a unified approach to its delivery."

    Als weiteres Merkmal wird weithin die räumliche und vor allem funktionale Integration eines mechanisch-elektrischen Systems angesehen, in dem Sensoren Signale aufnehmen, Prozessoren Informationen verarbeiten und Aktoren eingesetzt werden, um auf ein häufig mechanisches Grundsystem einzuwirken.

    Grundstruktur mechatronischer Systeme (nach Wallaschek 1995, VDI-Berichte 1215)
    Grundstruktur mechatronischer Systeme (nach Wallaschek 1995, VDI-Berichte 1215)


    Mit der voranstehenden Bestimmung ist auch der Begriff des mechatronischen Systems eingegrenzt. Ein mechatronisches System verfügt üblicherweise über eine mechanische Grundstruktur. Sensoren, die den Zustand dieser Grundstruktur und der Systemumgebung feststellen, leiten die Signale an eine informationsverarbeitende Einheit weiter. Dort werden die Sensorsignale aufbereitet und nach festgelegten Regeln Stellgrößen erzeugt. Aktoren schließlich nutzen diese Stellgrößen, um das Verhalten des mechanischen Grundsystems zu beeinflussen.

    Mikrosystemtechnik

    Durch die Zusammenführung der Begriff Systemtechnik und Mikrotechnik entstand Ende der achtziger Jahre unter Federführung der VDI/VDE Technologiezentrum Informationstechnik GmbH die Mikrosystemtechnik. Die Mikrosystemtechnik etablierte sich in Deutschland rasch und ist bis heute eines der am schnellsten wachsenden Teilgebiete der Technik. Trotz dieser Entwicklung hat sich bis heute keine einheitliche Begriffsdefinition herausgebildet. Die folgenden Definitionen sollen Ihnen Einblick in die Inhalte der Mikrosystemtechnik bieten und die Ausprägungen der Mikrosystemtechnik in Wissenschaft und Praxis reflektieren.

    Mescheder (2000) zerlegt die Mikrosystemtechnik in ihre Bestandteile Mikro, System und Technik und leitet daraus seine Definition her. Die Mikrosystemtechnik beschäftigt sich mit Objekten, die in mindestens einer Dimension Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen (1 µm = 10-6 m) und aus vernetzten Komponenten bestehen, die im System mehr zu leisten vermögen als die Summe der Einzelkomponenten. Ferner schließt seine Definition von Mikrosystemtechnik die Verfahren (Techniken) zur Herstellung von Mikrosystemen ein.

    "Werden Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren in miniaturisierter Bauform so zu einem Gesamtsystem verknüpft, dass sie ‚empfinden', ‚entscheiden' und ‚reagieren' können," spricht man nach Auffassung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) von einem Mikrosystem. Weiter heißt es: "Hierbei ist es entscheidend, dass die Funktionen eigenständig erfolgen. Sensoren entsprechen dem Menschlichen Sinnesorganen, die Signalerarbeitung dem Gehirn und Aktoren den Gliedmaßen."

    Der Fachausschuss Mikrosystemtechnik der VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik definierte die Mikrosystemtechnik 1991 so: "Mikrosystemtechnik ist der Überbegriff für die gemeinsame Verwendung verschiedener, mindestens zweier Basistechnologien. Unter diesen Basistechnologien haben die folgenden drei - Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptik - einen hohen Reifegrad erreicht, der zu ihrer häufigen Anwendung in Mikrosystemen führt."

    International entspricht das micro-electro-mechanical-system (MEMS) dem in Deutschland üblichen Begriff des Mikrosystems. Ein MEMS bezeichnet ein integriertes System mit elektrischen und mechanischen Komponenten, welches durch Fertigungsverfahren der Mikroelektronik hergestellt wird, dessen Größe im Bereich von Mikrometern oder Millimetern liegt und das datenverarbeitende, sensorische und aktorische Funktionen verbinden.

    Gegenüber der Mikroelektronik grenzt sich die Mikrosystemtechnik nach Mescheder (2000) durch die Fähigkeit ab, über Sensoren auch nichtelektrische Signale aufzunehmen und elektrische Signale über Aktoren in nichtelektrische Größen zu wandeln.

    Weiterführende Definitionen des Begriffs Mikrosystemtechnik finden Sie unter anderem auf den Seiten des Fachgebiets Fachgebiets Mikrosystemtechnik der Fachhochschule Heilbronn, bei Mescheder (2000) und Jendritza (1998).