Teilprojekte

A1 - Fertigungstechnologien für integrierbare piezoelektrische Fasern und Laminate

Im Rahmen des Teilprojektes A1 werden Module basierend auf piezokeramischen Fasern und Platten entwickelt, die sich für eine Integration in Leichtbauwerkstoffe in den folgenden Prozessketten eignen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk in der Konfektionierung der Module in Bezug auf Geometrie und Kontaktierung für eine serienfähige, form- und stoffschlüssige Integration in die entsprechenden Strukturkomponenten.
Ziele sind die Entwicklung und Herstellung von geometrisch definierten Piezofaser-Polymer-Verbunden für die Prozessketten Faserverbund und Umformen sowie von vollkeramischen Modulen basierend auf LTCC-Piezokeramik-Laminaten (LTCC = Low Temperature Cofired Ceramics) für die Prozesskette Gießen (Aluminium-Druckguss).

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

Forschungsgegenstand des Teilprojekts A2 ist das Auffinden und Erproben prototypenfähiger Mechanismen für die Erschließung einer Technologie zur großserienfähigen Fertigung von Piezo-Metall-Modulen durch direkte Integration und Ankopplung von Piezoelementen in mikrostrukturierte Aluminium-Bleche mit Verzicht auf elastische Zwischenschichten. Die Aktivitäten umfassen die Erforschung umformtechnischer Verfahren zur Mikrostrukturierung, serienfähiger Technologien zur Präzisionsmontage, Verfahren zum definierten Fügen und die Herstellung von Demonstratormodulen zur Entwicklung einer großserienfähigen Prozesskette in einem späteren Zeitraum.

A3 - Dünnschichttechnologien für metallbasierte piezoelektrische Module

In den leichtmetallbasierten Piezomodulen gilt es, mittels Dünnschichten hohe elektrische Spannungen zu isolieren und sehr kleine Dehnungen einzelner Piezostäbe weitgehend verlustfrei in das Leichtmetall zu übertragen. Zudem müssen die Elektroden- und Isolatorschichten in den nachfolgenden Bestückungs-, Kontaktierungs- , Füge- und Umformprozessen ihre Funktionalität bewahren. Für die effektive Gestaltung der Gesamttechnologie sollen die Dünnschichten strukturiert auf dem Piezomaterial aufgebracht werden. Schwerpunkt des Teilprojektes ist Untersuchung der plasmagestützten Schichtabscheidung mit dem Ziel, hohe mechanische und elektrische Kennwerte der auf den Piezofaser-Epoxydharz-Kompositen abgeschiedenen Schichten zu gewährleisten.

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 Faser-Kunststoff-Verbund lässt sich somit im Direktverfahren – ohne klebtechnische Montage – eine homogene Anbindung zwischen Funktionsmodul und Verbundstruktur einstellen. Auf diese Weise können bisher übliche klebtechnische Montageschritte entfallen und damit verbundene Inhomogenitäten und Kompatibilitätsprobleme an den entstehenden Grenzflächen vermieden werden.
Die TPM werden mittels eines neuartigen quasi-kontinuierlichen Fertigungsprozesses hergestellt. Besonderes Augenmerk liegt neben dem technologie- und werkstoffgerechten Strukturentwurf auf der funktionellen Erweiterung des Moduldesigns. Zudem wird die eigens konstruierte unikale Modul-Fertigungseinrichtung durch die Prozessschritte Elektrodierung und Bestückung mit dem Ziel einer durchgängigen Fertigungsprozesskette komplettiert und mittels begleitender Prozesssimulationen und Prozesskettenanalysen hinsichtlich der technisch-technologischen Wechselwirkungen aufeinander abgestimmt.

A6 - Fertigungstechnologien für Piezomodule mit integrierten Keramikfaser-Kompositen und Funktionspolymeren zum     
        Einsatz in aktiven metallischen Bauteilen

Gegenstand des Teilvorhabens ist die Erforschung und Entwicklung einer neuen Produktionstechnologie zur serientauglichen Herstellung von Piezowandlermodulen mit hoher Konturfreiheit für den Einsatz vornehmlich in aktiven metallischen Bauteilen. Basierend auf der großserienfähigen Zweikomponenten(2K)-Spritzgießtechnologie sollen piezokeramische Elemente durch elektrisch leitfähige thermoplastische Kunststoffe flächig weiterkontaktiert und verbunden werden. In einem spritzgießtechnischen In-situ-Vorgang erfolgen anschließend die Isolierung, das Packaging und die konturnahe Ausführung der Piezomodule.

B1 - Umformung 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 Piezosensorik bzw. -aktorik trotz des geringen mechanischen Umformvermögens der Keramiken erhalten bleibt. Die hierzu entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung eines Halbzeuges mit einer integrierten Sensor- und Aktorfunktionalität, welches umformtechnisch zu Strukturbauteilen weiterverarbeitet werden kann. Die zeit- und kostenintensive nachträgliche Applikation von Sensoren bzw. Aktoren auf umgeformte Bauteile kann somit entfallen.

B2 - Numerische Untersuchung zum Einfluss des Umformvorgangs auf die Funktion von Piezo-Metall-Verbunden

IIm Teilprojekt B2 werden die Grundlagen für die numerische Simulation der Umformung von Piezo-Metall-Verbunden mittels der Methode der finiten Elemente zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit der Fertigbauteile gelegt. Die Piezo-Module werden von zwei Blechen gekapselt. Bei der Umformung dieses Verbundes tritt eine kombinierte Biege-, Torsions- und Streckbeanspruchung auf. Da die im Modul enthaltenen 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 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.
Während der Modulbelastung in der Umformoperation können die Patches geschädigt werden, was mit einer Reduktion der Funktionsfähigkeit im ausgehärteten Bauteil einhergeht. Zur Beschreibung der Modulfunktionsdegradation werden in experimentellen und numerischen Untersuchungen die Belastungsgrenzen und Restfunktionsfähigkeit bei deren Überschreiten in Abhängigkeit vom vorherrschenden Belastungszustand bestimmt. Somit lässt sich mithilfe der numerischen Simulation die Performanceverminderung vorhersagen und die Sensitivität bezüglich der Lage des Moduls im Umformverbund bestimmen.

B3 - Gießtechnische Integration piezokeramischer Module in metallische Bauteile -
        Verfahrenstechnische Grundlage und numerische Simulation             

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. Im Projekt sollen sowohl durch experimentelle als auch numerische Arbeiten die verfahrenstechnischen Grundlagen für einen robusten, serientauglichen Integrationsprozess erarbeitet werden.
Den Lösungsweg für die schädigungsfreie Integration stellt im vorliegenden Projekt die Ummantelung der einzugießenden Module mit einer von der Schmelze leicht durchdringbaren Stützstruktur dar. Hierbei soll die homogene Stützwirkung der Struktur die auf den Modul wirkenden lokalen Kräfte minimieren. Mit diesem Lösungsweg kann eine vollständige Integration der Module in dünnwandige Bauteile realisiert werden, wobei die Funktionalität – sowohl sensorisch als auch aktorisch – erhalten bleibt.
Mit Hilfe numerischer Simulationen sollen Prozessstrategien entwickelt werden, welche die bei der Formfüllung und anschließenden Abkühlung entstehenden Belastungen hinsichtlich Versagen und späterer Funktionalität minimieren.
 

B4 - Robuste Fertigungstechnologien für faserverstärkte Thermoplastverbundkomponenten mit integrierten
        Piezokeramik-Modulen

Ziel des 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.
Nach der erfolgreichen Erarbeitung technologischer Grundlagen zur effizienten Fertigung thermoplastischer Faserverbunde mit integrierten Piezokeramik-Modulen steht die Entwicklung von robusten Fertigungstechnologien auf Basis der Heißpresstechnik für einfach gekrümmte Strukturen mit großserienfähig integrierten Leiterbahnen und TPM im Forschungsfokus. Insbesondere wird die Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte über angepasste Handlingsysteme und adaptierbare Multi-Kontur-Werkzeuge realisiert sowie eine umfassende Prozessanalyse zur Beschreibung und Rückführung fertigungswirksamer Einflüsse auf die Bauteileigenschaften durchgeführt.

B6 - Großserienfähige Fertigungstechnologien für Glasfaser-Polyurethan-Verbundstrukturen mit integrierten
        piezokeramischen Sensorelementen und angepasster Auswerteelektronik

Ziel des Projektes ist die Erarbeitung der technologischen Grundlagen zur Großserienfertigung aktiver Bauteilstrukturen mit sensorischen Funktionen unter Einsatz von Glasfaser-Polyurethan-Verbund-(GPV-)Werkstoffen mit integrierten Piezokeramik-Sensoren und angepasster Auswerteelektronik. Hierzu werden die Vorteile des bekannten Long-Fibre-Injection-(LFI-)Verfahrens gezielt für ein neu zu entwickelnde Multi-Fibre-Injection-(MFI-)Sprühverfahren genutzt, um erstmals die bisher getrennten Produktionsschritte Sensorfertigung und Bauteilfertigung in einem effizienten Serienprozess zu verschmelzen.

C3 - Auslegung der Polarisierungstechnologie für Serienprozesse zur Herstellung adaptiver Strukturkomponenten

Langfristiges  Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung der experimentellen und theoretischen Methoden zur Auslegung der Polarisierungstechnologie für aktive Werkstoffverbunde als Voraussetzung für die Gestaltung großserienfähiger Produktionstechnologien adaptiver Strukturkomponenten. Zur Erforschung des Werkstoffverhaltens unter anwendungstypischen Belastungen werden in der Fortsetzungsperiode geeignete Modellexperimente weiterentwickelt.  
Die Ergebnisse sollen das Materialmodell zur Bauteilsimulation erweitern. 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 erlauben die Beschreibung realer Bauteile, so dass Empfehlungen für die Bauteilauslegung (Blockierung, Schädigungsrisiken) und die Gestaltung der Serienfertigung (Polarisierung in der Fertigungskette) abgeleitet werden können. Bei ausgewählten Verfahren der Bauteilherstellung wird die Polarisierung direkt in den Herstellungsprozess integriert.

C6 - Materialcharakterisierung und numerische Simulation von adaptiven Werkstoffverbunden

Bei der Entwicklung von adaptiven Werkstoffverbunden (Piezokeramik-Kunststoff- bzw. Piezokeramik-Metall-Verbund) ist deren Charakterisierung anhand der entsprechenden Materialtensoren (elastisch, dielektrisch, piezoelektrisch) unerlässlich. Im Rahmen dieses Projektes wird ein effizientes Inverses Verfahren entwickelt, welches eine Bestimmung der Materialparameter für sämtliche am Verbund beteiligten Werkstoffe erlaubt. Das Verfahren soll unter anderem zur Bestimmung der statistischen Streubereiche und Temperaturabhängigkeiten der Materialparameter verwendet werden. Im Zuge der Materialcharakterisierung sind darüber hinaus auch die nichtlinearen Eigenschaften der piezokeramischen Aktoren zu untersuchen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Projektes ist die effiziente numerische Simulation von adaptiven Werkstoffverbunden. Im Speziellen sollen hierbei finite Elemente höherer Ordnung sowie ein homogenisiertes Wandlermodell zum Einsatz kommen.

C7 - Simulation der Aushärte- und Schrumpfungsprozesse von Fügewerkstoffen in umformbaren Piezo-Metall-Verbunden

C8 - Polarisationsbestimmung integrierter Piezokeramiken für die Prozesskontrolle und zerstörungsfreie Bauteilprüfung

Es soll ein Messverfahren geschaffen werden, mit dem das Polarisationsprofil integrierter Piezokeramiken in Strukturbauteilen zerstörungsfrei und in-situ ermittelt werden kann. Hierzu werden Wärmewellen verwendet, die in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz unterschiedlich tief eindringen. Das Spektrum des erzeugten pyroelektrischem Stromes und die Phasenverschiebung zwischen thermischer Welle und pyroelektrischen Strom sowie der Zeitverlauf des pyroelektrischen Stromes werden gemessen und die Tiefenverteilung der Polarisation durch ein mathematisches Verfahren rekonstruiert. Das Vorgehen erlaubt auch die Bestimmung von Fremdschichten und Delaminationen an Grenzflächen zur Piezokeramik.