Teilprojekt B4

In zukünftigen Hochleistungsanwendungen des Maschinen-, Fahrzeug- und Gerätebaus sowie der Medizintechnik treten Umwelt- und Komfortanforderungen verstärkt in den Vordergrund. Hierbei kommt dem Einsatz innovativer ressourcenschonender thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit integrierten Piezokeramik-Modulen besondere Bedeutung zu. Diese neuartigen aktiven faserverstärkten Thermoplastverbunde bieten bei funktionsintegrierten Leichtbauteilen für die aktive Beanspruchungskontrolle, das sog. „Energy Harvesting“ und die aktive Schwingungsdämpfung zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Bauweisen. Ein Großserieneinsatz steht jedoch noch aus, da insbesondere geeignete serientaugliche und robuste Fertigungsprozesse fehlen.

Ziel des Teilprojektes ist die Entwicklung großserienfähiger Prozessketten 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.


Bild 1: Prozesskette zur automatisierten Fertigung aktiver Thermoplastverbundstrukturen

In der ersten Projektphase wurden die technologischen Grundlagen für die Fertigung ebener Basiskomponenten mit integrierten piezokeramischen Funktionselementen erarbeitet. Hierfür erfolgten Untersuchungen zur Entwicklung von robusten Prozessen auf Basis des Heißpressverfahrens, wobei die werkstoff- und verfahrensimmanenten Vorteile gezielt verknüpft werden konnten. Neben zahlreichen Verfahrensstudien zur Herstellung ebener Probekörper wurden in enger Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten grundlegende Untersuchungen zur prozessimmanenten Kontaktierung und aktorschonenden Halbzeugkonsolidierung sowie zur Online-Polung der Piezo-Keramiken durchgeführt. Umfangreiche Fertigungsstudien dienten zur Analyse des Einflusses der verschiedenen Prozessparameter auf das Interface zwischen Matrix, Verstärkungshalbzeug und Piezo-Keramik. So erfolgte die integrale Weiterverarbeitung der in Teilprojekt A5 entwickelten TPM zu einer aktiven Basis-Verbundkomponente, die ohne weitere nachgeschaltete Fertigungsschritte funktionsfähig ist. Damit bietet dieses neuartige Direktverfahren eine hervorragende Grundlage zur Realisierung einer serienfähigen Prozesskette zur Fertigung von Faserverbundkomponenten mit integrierten Piezo­sensoren und -aktoren.

Bild 2: Aktiver Glasfaser-PA-Verbund mit in die Oberfläche integriertem PA-TPM und Leiterbahnen

Im weiteren erfolgt die Entwicklung von effizienten Fertigungstechnologien für einfach gekrümmte Strukturen. Dafür werden insbesondere Konfektionstechnologien für die kontinuierliche großserienfähige Leiterbahnintegration, TPM-Bestückung und Kontaktierung – kurz „ePreforming“ – systematisch zu untersuchen. Darüber hinaus werden die einzelnen Prozessschritte im Hinblick auf eine durchgängige Prozesskette verknüpft und hiefür angepasste Handlingsysteme und adaptierbare Multi-Kontur-Werkzeuge entwickelt.