Springe zum Hauptinhalt
SFB/TR 39: Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und –aktoren
Teilprojekt C3
SFB/TR 39: Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und –aktoren 

Teilprojekt C3

Auslegung der Polarisierungstechnologie für Serienprozesse zur Herstellung adaptiver Strukturkomponenten

Leiter:

Dr. rer. nat. Andreas Schönecker
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Winterbergstr. 28
01277 Dresden

Telefon: 0351 / 2553 508
Telefax: 0351 / 2553 136
E-Mail: Andreas.Schoenecker@ikts.fraunhofer.de



Darstellung des Forschungsprogramms

Zielsetzung

Langfristiges Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung der experimentellen und theoretischen Methoden zur Auslegung der Polarisierungstechnologie für aktive Werkstoffverbunde als Vorasusetzung für die Gestaltung großserienfähiger Produktionstechnologien adaptiver Strukturkomponenten.
Zur Erforschung des Werkstoffverhaltens werden geeignete Modellexperimente entwickelt, die anwendungstypische Belastungen nachstellen. Aus den Ergebnissen wird ein Materialmodell für die Bauteilsimulation abgeleitet.
Als Softwarebasis für die Simulation des Polarisierung- und Verformungsverhalten adaptiver Strukturkomponenten  dient das FE-Programm CFS++ der Universität Erlangen. Neu ist, dass die Rechnungen ortsaufgelöst  und im dreidimensionalen  Raum durchgeführt werden. Um akzeptable Rechengeschwindigkeiten zu erreichen sind Optimierungen der Numerik erforderlich.
Die konzipierten methodischen Fortschritte sollen die Beschreibung realer Bauteile erlauben, so dass Empfehlungen für die Bauteilauslegung (Blockierung, Schädigungsrisiken) und die Gestaltung der Serien fertigung (Polarisierung in der Fertigungskette) abgeleitet werden können. Bei ausgewählten Verfahren der Bauteilherstellung wird die Polarisierung direkt in den Herstellungsprozess integriert.

Hauptergebnisse des ersten Bewilligungszeitraums

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurden zahlreiche Materialien in Bezug auf Ihr Verhalten unter thermischer als auch mechanischer Last untersucht. 
Messungen der ferroelektrischen Hysteresekurve im erweiterten Temperaturbereich von -200 °C bis +175 °C haben gezeigt, dass es ein linearer Zusammenhang zwischen Koerzitivfeldstärke und Temperatur besteht. Daraus leiten sich Parameterbereiche für Temperatur und elektrische Feldstärke, bei denen Domänenwandbewegungen und damit eine Polarisierung möglich ist.  
Des Weiteren wurde eine Materialmodell ausgewählt und weiter entwickelt, das zu einer schnellen Konvergenz führt. Es beschreibt sowohl die ferroelektrischen als auch ferroelastischen Materialeigenschaften und weist vom Modellansatz her schon eine thermische Abhängigkeit auf. Die Modellentwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der TU Dresden, IfWW (Kreher / Belov), der Uni Erlangen (Lerch) und der Uni Klagenfurt (Kaltenbacher). Auf dieser Basis konnte eine numerisch effektive Simulationsumgebung in CFS++ mit verbessertem Materialgesetz geschaffen werden. Diese ist in sich geschlossen und erlaubt die Lösung von Fragestellungen zu Bauteilen.
 
Poster Hauptergebnisse erster Bewilligungszeitraum

Das Forschungsprogramm des zweiten Bewilligungszeitraums umfasst folgende Teilaufgaben:

AP 1 Experimentelle Untersuchung der Polarisierung und Verformung von Piezokeramiken unter Mehrfeldbelastung



  Die Erforschung der Wechselbeziehungen zwischen Polarisation und Depolarisationsverhalten unter Mehrfeldbelastung wird fortgesetzt. Die Erweiterungen betreffen insbesondere die Messung orthogonaler Vektorkomponenten, die Erweiterung des Temperaturmessbereiches sowie die Erhöhung der Zeitauflösung bis in den µs – Bereich. Auf diese Weise soll ein vertieftes physikalisches Verständnis der Elementarprozesse ferroelektrischer und ferromechanischer Kopplung  erzielt werden. 
Dabei werden zusätzlich zu den kommerziellen PZT Keramiken bleifreie Piezokeramiken des Systems Kaliumnatriumniobat (KNN) mit Texturvariation untersucht.  

AP 2 Modellentwicklung und FE-Simulation der Polarisierung und Verformung von Piezokeramiken in Werkstoffverbunden



  Die experimentellen Ergebnisse des AP 1 werden genutzt, um das Materialmodell zu optimieren und zu verfeinern. Durch Implementierung in die FE – Simulationsumgebung CFS++ wird eine effektive Simulationen von Bauteilen ermöglicht. 

AP 3 Ableitung von Auslegungs- und Fertigungsempfehlungen für die Funktionsoptimierung adaptiver Strukturkomponenten



  Die Erkenntnisse zum spezifischen Materialverhalten der Piezokeramik unter Mehrfeldbelastung aus AP 1 sollen auch für die Erweiterung der Fertigungstoleranzen der im SFB /Transregio betrachteten Fertigungsketten genutzt und für die Einstellung der optimalen Funktionalität angewendet werden. Hierzu werden neben den Modellierungen auch ausgewählte analytische Modelle herangezogen.

AP 4 Entwicklung der Polarisierungstechnologie für Serienprozesse



  Entsprechend der Einordnung in die Fertigungsketten soll in diesem Arbeitspaket die konkrete Polarisierungstechnologie erarbeitet werden. Technologische Freiheitsgrade ergeben sich aus dem zeitlichen Verlauf der eingespeisten Polarisationsladungen, der Feldstärke, der mechanischen Last und in gewissen Grenzen der Temperatur.

Poster zum Fortsetzungsantrag zweiter Bewilligungszeitraum
 

  • Blick auf ein Gebäude

    „unvereint / vereint“ – eine besondere Zeitreise

    Ausstellungs- und Veranstaltungsprogramm zu den Folgen des politischen und gesellschaftlichen Umbruchs seit 1989 wird vom 24. Oktober bis 20. November 2025 von der HGB Leipzig und TU Chemnitz an drei Orten in Chemnitz präsentiert …

  • Protestierende Personen stehen vor einem Bagger in einem Tagebau.

    Lithium aus dem Erzgebirge?

    Dialog im „Wissenschaftsjahr 2025 – Zukunftsenergie“: Im Rahmen einer Online-Debatte der Juniorprofessur Soziologie mit Schwerpunkt Technik der TU Chemnitz wird am 3. November 2025 über Chancen und Risiken regionaler Lithiumförderung diskutiert – Anmeldungen sind ab sofort möglich …

  • Ein junger Mann und eine junge Frau stehen gemeinsam mit einem Mann im Anzug und drücken einen grünen Buzzer.

    Let’s start #TUCgether: Mit einem bunten Festakt ins Studium

    Herzlich willkommen in der TUC-Familie und in der Kulturhauptstadt Europas: Mehr als 1.400 Gäste besuchten die Immatrikulations- und Auftaktfeier sowie das Rahmenprogramm im Hörsaal- und Seminargebäude – Insgesamt schrieben sich bisher 2.190 Studierende ins erste Fachsemester ein …

  • Zwei Männer flankieren drei Radfaherinnen und Radfahrer mit ihren Rädern.

    Die aktivsten Studierenden beim STADTRADELN kommen aus der Fakultät für Human- und Sozialwissenschaften

    Victoria Oehme, Paula Rackerseder und Salomo Dix waren die aktivsten Studierenden der TU Chemnitz mit den meisten Kilometern beim Chemnitzer STADTRADELN 2025 und setzten so ein starkes Zeichen für eine gesunde Fortbewegung im Alltag …

Soziale Medien

Verbinde dich mit uns: