Teilprojekt A6

Fertigung von Strukturbauteilen mit integrierten Piezomodulen erarbeitet. Die Piezokeramik soll dabei zum einen sensorische und zum anderen aktorische Funktionen übernehmen. In dem vorliegenden Nachantrag ist geplant, dieses Anwendungsspektrum zu erweitern und die Piezokeramik auch als Energielieferant zu nutzen. Die Regelung des Strompegels und die Vernetzung werden durch eingebettete massengedruckte Polymerelektronik verwirklicht.
Das wesentliche Ziel des Teilprojektes ist daher die Erforschung, Entwicklung und Fertigung serientauglicher Piezo-Module mit integrierter 3D-Drahtsensorik und Polymerelektronik für aktive metallische Bauteile. Die Piezokeramik dient als Energiequelle für die Aktivierung der Sensorfunktion und die integrierte Polymerelektronik übernimmt die Energiesteuerung und dient der Kontaktierung. Bei der Überschreitung von definierten strukturmechanischen Grenzwerten (Grenzdehnung, Grenzscherung) sollen der 3D-Drahtsensor und damit das Piezo-Modul belastungsdifferenzierte Steuersignale auslösen. Die einzelnen Komponenten des Piezo-Moduls: Piezokeramik, 3D-Drahtsensor und Polymerelektronik werden als strukturin-tegriertes Funktionssystem aufgebaut und zum Schutz vor den Umgebungsbedingungen sowie vor kritischen Belastungen aus den Umformprozessen in eine Kunststoffmatrix integriert.
Hieraus resultieren besondere Herausforderungen an die technologische Umsetzung, wie der Auswahl bestmöglicher Matrixsysteme, Positionierung der Einzelkomponenten im Modul und Fixierung während der Herstellung sowie Konstruktion und Fertigung geeigneter Werkzeugsysteme. Die Piezo-Sensor-Polymerelektronik (PSP)-Module sollen in weiteren Projektphasen zwischen Metallschichten für die Weiterverarbeitung in der Prozesskette „Umformen“ integriert werden.
Einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt bilden die Untersuchungen zur Einbettung und Ausführung der Piezokeramik als Energiequelle für den Drahtsensor, wobei hier zum Teil auf Ergebnisse anderer Teilprojekte zurückgegriffen wird. Da die Piezosensoren als „isotrope Funktionskörper“ keine Trennung zwischen den belastungsabhängigen Verzerrungszuständen zulassen, soll für die Messung einzelner Verzerrungskomponenten der 3D-Drahtsensor zur Anwendung kommen. Durch die Sensorkalibrierung für aufgabenspezifische Lastfälle kann dann eine Unterscheidung der Belastungsart und ggf. -richtung vorgenommen werden. Dazu sind werkstoffmechanische Fragestellungen zur räumlichen Strukturierung des Drahtsensors, zur textiltechnischen Fixierung der Drahtelemente, zur Integration der Piezokeramik und des Sensors in eine entsprechende Matrix und zur Kompatibilität zwischen den Einzelkomponenten und Grundwerkstoff hinsichtlich Elastizitäts- und Festigkeitsverhalten sowie differenzierter Dehnungsmessung zu klären. Weiterführende Untersuchungen sollen Erkenntnisse zur Ausführung eines modifizierten 3D-Sensors liefern, der eine drahtlose Datenübertragung erlaubt.