Projektüberblick
Leichtbau gilt heute als unbedingte Notwendigkeit und prioritäres Auslegungsziel im Fahrzeugbau, der Elektromobilität, bei Werkzeugmaschinen, der Luftfahrt und in großen Windkraftanlagen. Die Forderung, Bauteile und Strukturen zugleich leicht, steif, sicher und zuverlässig auszulegen, führt zu einem Auslegungskonflikt.
Der Forschungsansatz des SFB/TR 39 besteht darin, diesen Auslegungskonflikt durch großserienfähige Produktionstechnologien für aktive Leichtbau-Strukturbauteile aufzulösen. Dabei konzentriert sich der SFB/TR 39 auf wissenschaftliche Grundlagen zur stofflichen Integration von Piezokeramik in Hochleistungskomponenten von Leichtbaustrukturen aus Aluminium und Faserverbundkunststoff, wie sie z. B. in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Bahnen und Windkraftanlagen eingesetzt werden. Dazu werden die etablierten Serientechnologien Blechumformung, Aluminium-Druckguss und Faserverbundherstellung um wissenschaftlich abgesicherte Lösungen zur Integration piezokeramischer Module erweitert. Durch die enge funktionelle und räumliche Anordnung von Sensoren, Aktoren und Energy Harvestern (piezoelektrischen Generatoren) sowie angepasster Sensor-/ Aktorelektronik verschmelzen aktive und passive Strukturkomponenten zu einem aktiven Strukturbauteil.
Ergebnis der ersten beiden Förderperioden des SFB/TR 39 sind Grundlagen zur Auslegung, Halbzeugfertigung, Integration und Charakterisierung adaptiver Leichtbau-Strukturbauteile. Dazu wurden konkrete Lösungen für die kraft-, form- oder stoffschlüssige Anbindung von Aktoren aus Piezokeramik im Bauteil umgesetzt. Der SFB/TR 39 hat serienfähige Technologien für die Strukturintegration von Sensor-Aktor-Modulen in komplex dreidimensional geformte Bauteile aus Aluminiumblech, Aluminiumdruckguss und Faserverbund wissenschaftlich fundiert entwickelt. Der Lösungsansatz, die Fertigung des Sensor-Aktor-Moduls und die Bauteilfertigung zusammenzuführen, hat sich als zukunftsweisend herausgestellt. Dadurch wurden schließlich vollkommen neue Möglichkeiten der Platzierung von Sensoren und Aktoren im Werkstoffverbund erschlossen, die mit den bekannten Verfahren des Stands der Technik nicht serienfähig umsetzbar wären. Der Nachweis der Funktionalität von Strukturbauteilen mit integrierten Sensoren und Aktoren wurde durch Demonstratoren erbracht. So wurde beispielsweise die Schwingungsdetektion und aktive Schwingungsreduktion anhand unterschiedlicher Bauteile gezeigt, die hinsichtlich Geometrievielfalt (Krümmungsradien), Fertigungsverfahren (Umformen, Druckguss, Faserverbund) und Werkstoffportfolio (Aluminium, Faserverbund) vergleichbar mit typischen Strukturbauteilen von Kraftfahrzeugen sind. Über die Fertigungsverfahren hinaus hat der SFB/TR 39 den Stand der Technik in Bezug auf die in situ Charakterisierung und numerische Beschreibung von Verbunden aus passiver Bauteilstruktur und aktivem Wandlerwerkstoff signifikant erweitert.
Zielstellung der dritten Förderperiode ist die deutliche Erweiterung des Anwendungsspektrums aktiver Leichtbau-Strukturbauteile durch verbesserte Funktionalität und Großserienfähigkeit. Die Funktionalität soll durch den Einsatz neuer Methoden zur Auslegung, Integration und Charakterisierung der piezoelektrischen Wandler sowie die unmittelbare Einbettung von Ansteuer- und Auswertelektronik erreicht werden. Der SFB/TR 39 stellt sich zudem der Herausforderung, die Produktivität und Prozesssicherheit so weit zu steigern, dass eine unmittelbare Übertragung der Technologien in Großserienanwendungen möglich wird. Dazu tragen insbesondere die Transferprojekte bei, welche die wesentlichen Anwendungsfelder „Active Noise Control“, „Structural Health Monitoring“ und „Condition Monitoring“ in industriellen Großserienanwendungen aufgreifen.
