Teilprojekt B1

Die Integration von Sensoren und Aktoren auf Piezo-Basis erfolgt zurzeit in der Regel durch Aufkleben von Piezo-Modulen auf Bauteile, wie z. B. Blechstrukturen (Pkw-Dach, Antriebswellen usw.). Hierfür kommen zum überwiegenden Teil PZT-Keramiken zum Einsatz. Für eine Anwendung in Blechstrukturen scheinen die Macro Fiber Composite (MFC) – eine Entwicklung der NASA – am besten geeignet. Sie bestehen aus einem Verbund aus PZT-Keramik-Fasern, die sich in einer Matrix aus Epoxidharz befinden, Elektroden und einer Ummantelung aus Polyimid. Dieser Aufbau bietet gegenüber monolithischen PZT-Keramiken Vorteile bzgl. eines besonders hohen Wirkungsgrades, flexiblerer Bauformen und höchster Fehlertoleranz.
Für eine großtechnische Anwendung ist das nachträgliche Applizieren von Piezo-Modulen wenig aussichtsreich. Der Ansatz im Projekt sieht vor, eine Aufbringung von Piezo-Modulen auf ein ebenes Blech, bzw. ein Integrieren von Piezo-Modulen zwischen zwei Bleche (Piezo-Metall-Schicht-Verbunde) und eine anschließende Formgebung zu realisieren. Dazu wurden verschiedene Fügeverfahren (mechanisches Fügen, thermisches Fügen, Kleben) untersucht. Es hat sich gezeigt, dass eine „schwimmende“ Lagerung des Piezo-Moduls eine Umformung unter Beibehaltung der Funktionalität des Moduls am besten ermöglicht. Dazu wird das Piezo-Modul zwischen zwei Blechen mit Hilfe eines Klebstoffs integriert. Die Umformung des Verbundes erfolgt im angelierten Klebstoffzustand, die Aushärtung des Klebstoffes erst nach dem Umformen. In Abbildung 1 ist das Schliffbild eines mit einem Biegeradius von 10 mm umgeformten Piezo-Metall-Verbundes dargestellt. Dabei wurde ein MFC vom Typ M 8528 P1 zwischen zwei Bleche aus AlMg4,5Mn0,4 mit Blechdicken von 1,0 mm und 1,5 mm integriert und der Verbund anschließend umgeformt.

Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Dehnungen, die durch den Umformvorgang ins Piezo-Modul induziert werden und bei einer festen Verbindung zwischen Blech und Piezo-Modul zu dessen Versagen führen würden, deutlich reduziert werden können. Somit gelingt es, sowohl einfach als auch doppelt gekrümmte Geometrien herzustellen.
Begleitende Untersuchungen zur Funktionsfähigkeit dieser Verbunde sind stets erforderlich und zeigen die Grenzen der möglichen Umformung auf. Dazu kommen zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren sowie ein Test der Sensorik und Aktorik der hergestellten Verbunde zum Einsatz. Die Bearbeitung des Teilprojektes erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt B2 „Simulation der Formgebung von Piezo-Metall-Verbunden“.