Teilprojekte

A1 - Fertigungstechnologien für integrierbare piezoelektrische Fasern und Laminate

Gegenstand des Teilvorhabens sind serientaugliche piezoelektrische Fasern und Laminate zur Herstellung adaptiver Strukturkomponenten. Die Piezofasern sollen in Thermoplast-Verbundstrukturen und in für Umformprozesse geeignete mikrostrukturierte Leichtmetall-Träger integriert werden (TP A5, A2). Dies erfordert Fasern verschiedener Geometrie mit optimierten Sensor- bzw. Aktoreigenschaften, die schädigungsarm montierbar sind. Die Piezolaminate sollen als Verbunde aus Piezokeramikschichten oder Piezokeramikplatten und weiteren anorganischen Materialien so hergestellt werden, dass sie den Fertigungsschritt des Druckgießens schädigungsfrei und funktionstüchtig überstehen (TP B3).

A2 - Mikrostrukturierung und Integrationstechnologie für Piezofasern in metallische Trägerwerkstoffe (Blech)

Forschungsgegenstand ist das Auffinden und Erproben prototypenfähiger Mechanismen für die Erschließung einer Technologie zur Herstellung von Piezofaser-Metall-Modulen mit Aluminium als Trägerwerkstoff. Die Aktivitäten zielen auf eine umformtechnische Fertigung von Mikrokavitäten in Aluminium-Blech sowie eine Integration von Piezofasern in diese Mikrostrukturen. Nach dem Bereitstellen von Prototypen sollen Piezofasern vereinzelt, relativ zur Mikrostruktur positioniert, in die Kavität eingelegt und dort dauerhaft gefügt werden. Verschiedene Methoden und Wirkprinzipien für die im späteren Zeitraum geplante serientaugliche Herstellung dieser Module sollen erforscht und bewertet werden.

A3 - Erzeugung und Optimierung der Isolationsschicht

Ziel des Projektes ist die Erzeugung und Optimierung einer sowohl elektrisch als auch mechanisch hochbelastbaren Isolatorschicht auf mikrostrukturierten Leichtmetallträgern (Blech). Als Herstellungsverfahren dieser Schichten wird die plasmagestützte chemische Dampfphasenabscheidung gewählt. Die funktionellen elektrischen und mechanischen Schichteigenschaften der Isolatorschicht werden gemessen und dienen als Grundlage für die Optimierung des Abscheideprozesses sowie als wichtige Eingangsgrößen für die Modellierung und Dimensionierung des Sensor-/Aktorsystems.

A4 - Laserbasierte elektrisch-mechanische Kontaktierung für Verbundkomponenten mit integrierten aktiven Elementen

Das zuverlässige mechanische und elektrische Kontaktieren von Piezokeramikmodulen stellt bei der Herstellung von Werkstoffverbünden eine Herausforderung an die moderne Mikroverbindungstechnik dar. Innerhalb des Vorhabens werden Lösungen zur Realisierung von Kontaktstellen für die elektrisch-mechanische Anbindung piezokeramischer Module erforscht. Experimentelle sowie simulative Ergebnisse verdeutlichen, mit welchen grundlegenden laserstrahlbasierten Verfahren und Verfahrensvarianten Kontaktierungen erzeugt werden können. Auf Basis der gewonnenen Erfahrungen soll zukünftig eine Technologie zum reproduzierbaren elektrisch-mechanischen Kontaktieren piezokeramischer Module entwickelt werden. Ebenfalls erfolgt eine Charakterisierung der erzeugten Kontaktstellen vor dem Hintergrund des Betriebs der Module in Werkstoffverbünden.

A5 - Entwicklung thermoplastverbundkompatibler Piezokeramik-Module (TPM) und zugehöriger Herstellungsverfahren

Ziel des Teilprojektes ist die systematische Entwicklung von neuartigen thermoplastverbundkompatiblen Piezokeramik-Modulen (TPM), deren Trägerfolie bereits stofflich auf den Matrixwerkstoff der Thermoplast-Verbundstruktur abgestimmt ist, sowie die Entwicklung zugehöriger großserienfähiger Produktionstechnologien. Durch gezieltes „Anschmelzen“ der thermoplastischen Komponenten von TPM und FKV lässt sich somit im Direktverfahren (TP B4) – ohne klebtechnische Montage – eine homogene Anbindung zwischen Funktionsmodul und Verbundstruktur einstellen.

A6 - Fertigungstechnologien für Piezo-Module mit integrierter 3D-Drahtsensorik und Polymerelektronik zum Einsatz in aktiven metallischen Bauteilen

Gegenstand des Teilvorhabens ist die Erforschung, Entwicklung und Fertigung serientauglicher Piezo-Module mit integrierter 3D-Drahtsensorik und Polymerelektronik für aktive metallische Bauteile. Bei der Überschreitung von definierten strukturmechanischen Grenzwerten sollen der 3D-Drahtsensor und damit das Piezo-Modul belastungsdifferenzierte Steuersignale auslösen, wobei die Piezokeramik als Energielieferant dient. Die einzelnen Komponenten des Piezo-Moduls: Piezokeramik, 3D-Drahtsensor und Polymerelektronik werden als strukturintegriertes Funktionssystem aufgebaut und für die geplanten Metallumformprozesse in eine Kunststoffmatrix eingebettet.

B1 - Formgebung von Piezo-Metall-Verbunden

Ziel der Forschung ist die Integration von Piezo-Keramiken in Blechstrukturen in einer Weise, dass bei einer moderaten Umformung die Funktionstüchtigkeit der Piezo-Sensorik bzw. -aktorik trotz der geringen mechanischen Umformbarkeit der Keramiken erhalten bleibt. Dazu sind Verfahren zur Integration zu untersuchen, wie z.B. das Kleben, Löten und mechanische Fügen. Die Einbettung muss dabei so intelligent erfolgen, dass eine nachträgliche Umformung des Piezo-Metallverbundes in gewissen Grenzen ermöglicht wird. So sind z.B. Strategien des Klebstoffauftrages, der Aushärtung, der Einbettung des Piezo-Moduls in den Klebstoff usw. zu entwickeln und zu testen. Begleitende Untersuchungen zur Beanspruchbarkeit dieser Verbunde sind stets erforderlich und zeigen die Grenzen der möglichen Umformung auf.

B2 - Simulation der Formgebung von Piezo-Metall-Verbunden

Die Forschungsaufgabe beinhaltet in der ersten Antragsperiode die numerische Simulation der Umformung von Piezo-Metall-Verbunden mittels der Methode der finiten Elemente.
Im vorliegenden Fall wird ein Piezo-Modul (Kaufteil) von zwei Blechen eingeschlossen. Bei der Umformung dieses Verbundes tritt eine kombinierte Biege-, Torsions- und Streckbeanspruchung auf. Da die Piezo-Fasern durch ein sprödes Materialverhalten gekennzeichnet sind, müssen die während des Umformvorganges entstehenden Deformationen des Piezo-Moduls begrenzt werden. Durch eine „schwimmende“ Lagerung des Piezo-Moduls zwischen den Blechen, die bei Verwendung eines relativ dünnflüssigen Klebstoffes zur Verbindung von Modul und Blechen vorliegt, lässt sich eine Streckbeanspruchung des Moduls weitestgehend vermeiden. Das Aushärten des Klebstoffs zur Sicherung der Funktionsaufgabe des Verbundes erfolgt erst nach der Umformung.
Wesentliche Voraussetzungen für die numerische Simulation der Umformung des Verbundes sind Kenntnisse über das „globale“ mechanische Verhalten des Piezo-Moduls sowie die rheologischen Eigenschaften der eingesetzten Klebstoffe.Das Ziel der sich anschließenden FEM-Simulation besteht darin, die aus der Umformung des Verbundes resultierenden Deformationen des Piezo-Moduls auf numerischem Weg zu ermitteln, um damit Aussagen über seine Funktionsfähigkeit nach der Umformung zu ermöglichen.

B3 - Gießtechnische Integration piezokeramischer Module in metallische Bauteile

Ziel dieses Teilprojektes ist die Integration piezokeramischer Sensor-Aktor-Module in metallische Bauteile in einem Druckgießprozess.
Die wesentliche Herausforderung hierbei besteht in der Beherrschung der thermomechanischen Beanspruchung der Module im Zuge der Formfüllung und bei der Abkühlung. Den Lösungsweg für die schädigungsfreie Integration stellt im vorliegenden Projekt die Ummantelung der einzugießenden Module mit einer von der Schmelze leicht durchdringbaren Drahtgewebestruktur dar. Hierbei soll die homogene Stützwirkung der Gewebestruktur die auf den Modul wirkenden lokalen Kräfte minimieren. Mit Hilfe von FE Simulationen sollen Prozessstrategien entwickelt werden, welche die bei der Abkühlung entstehenden Spannungen hinsichtlich Versagen und späterer Funktionalität optimieren.

B4 - Robuste Fertigungstechnologien für faserverstärkte Thermoplastverbundkom-ponenten mit integrierten Piezokeramik-Modulen

Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung großserienfähiger Produktionstechnologien für Polyamid-(PA-) bzw. Polyetheretherketon-(PEEK-) Faserverbundstrukturen mit in den Verbund stofflich homogen integrierten thermoplastverbundkompatiblen Piezokeramik-Modulen (TPM). Diese neuartigen aktiven PA- bzw. PEEK-Faserverbundkomponenten stellen mit ihrem ausgezeichneten mechanischen, thermischen und biophysikalischen Eigenschaftsspektrum sowohl wissenschaftlich als auch technologisch einen Innovationsträger mit breiter Ausstrahlung auf zahlreiche Anwendungsfelder dar.

B5 - Montagespritzgießen von piezoaktiven Sandwichbauteilen

Hauptziel des Teilprojekts B5 ist die Erforschung der Fertigungstechnik zur Herstellung von piezoaktiven Sandwichstrukturen durch Spritzgießen. Dabei werden Piezokeramik-Module und thermoplastische Faserverbundkunststoff- (FVK-) sowie Leichtmetalldecklagen durch eine im Spritzgießprozess eingebrachte Kernkomponente stoffschlüssig zu einen Sandwich verbunden. Es entstehen adaptive Verbundstrukturen hybrider Werkstoffsysteme, die über eine große geometrische und funktionale Variationsbreite und somit über ein vielfältiges Anwendungspotenzial verfügen.

C1 - FEM-basierte Entwicklung eines integrierten Auslegungs- und Funktionsmodells für flächige Piezofaser-Metall-Module zum Einsatz in durch Umformung hergestellten Blechstrukturen

Forschungsziel ist die Entwicklung eines auf der Methode der Finiten Elemente basierenden Auslegungs- und Funktionsmodells für die Piezo-Metall-Module, die in der Prozesskette „Umformen/Blech“ des SFB/TR entwickelt werden, zur Integration in Gesamtbauteilmodelle. Die Einheitszellenmethode zur Homogenisierung der Materialparameter und Lokalisierung der Beanspruchungen soll für die Anwendung auf die Piezo-Metall-Module angepasst werden.
Schwerpunkt ist die Auslegung der elektro-mechanischen Interaktion für die geometrische und funktionelle Gestaltung eines Piezo-Metall-Verbundes mit dem Potential einer nachfolgenden plastischen Formgebung der umgebenden Bereiche des Konstruktionswerkstoffs. Dazu wurde ein detailliertes Finite-Elemente-Modell entwickelt.
Die Einheitszellenmethode zur Homogenisierung der Materialparameter wurde um Einheitslastfälle der Biegung erweitert. Der Einfluss der Kontaktzone zwischen Piezomaterial und Konstruktionswerkstoff bzw. Isolation wurde untersucht. Es wurde eine Methode entwickelt, wie aus der Finite-Elemente-Diskretisierung ein Zustandsraummodell zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens gewonnen werden kann.

C2 - Numerische Simulation und Materialcharakterisierung von adaptiven Werkstoffverbunden

Die Entwicklung von adaptiven Werkstoffverbunden (Piezokeramik-Kunststoff bzw. Piezokera-mik-Metall) erfordert deren Charakterisierung anhand ihrer Materialtensoren (elastisch, piezo-elektrisch, dielektrisch). Da es für die Ermittlung solcher Tensorwerte nur Verfahren für die jeweiligen Bulk-Materialien, nicht jedoch für die mit speziellen Methoden gefertigten Werkstoffverbunde gibt, soll im Rahmen des Projektes eine neue auf inversen Verfahren beruhende Methodik entwickelt werden. Dazu müssen an Werkstoffverbunden Messungen (elektrische Impedanz, mechanische Auslenkungen, etc.) vorgenommen werden. Mit Hilfe spezieller finiter Elemente in Kombination mit inversen Algorithmen werden aus diesen Messwerten dann die zehn Tensorwerte der Piezokeramik errechnet. Zweites Hauptziel dieses Projektes ist die Auslegung der piezoelektrischen Wandler im Verbund mit den sie umgebenden passiven Materialien im Hinblick auf eine optimale Gesamtperformance des aktiven Werkstoffverbundes. Für dieses Wandlerdesign müssen die Nichtlinearitäten der Wandler, die Fluid-Struktur-Kopplung sowie die Schallabstrahlung in der numerischen Simulation präzise erfasst werden.

C3 - Auslegung der Polarisierungstechnologie für adaptive Strukturkomponenten

Die Polarisierung als notwendiger Prozessschritt zur Aktivierung der elektromechanischen Kopplung piezokeramischer Werkstoffe soll für die im Transregio betrachteten Fertigungsketten untersucht und ausgelegt werden. Erforscht werden insbesondere die Bedingungen für die anwendungsgerechte Einstellung der Aktor- und Sensorfunktionen der Piezokeramiken in Werkstoffverbunden. Langfristiges, übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung der experimentellen und theoretischen Methoden zur Auslegung der Polarisierungstechnologie für die großserientaugliche Herstellung adaptiver Strukturkomponenten.