Projektbereiche
Forschungsschwerpunkte in den Projektbereichen und einzelnen Teilprojekten
Nachfolgend sind die wesentlichen Inhalte der einzelnen Projektbereiche und Teilprojekte in kurzer Form
zusammengefasst.
Der Projektbereich A fokussiert in der dritten Förderperiode auf die Erhöhung der Produktivität und Prozesssicherheit bei der Fertigung von Sensor-Aktor-Modulen. Im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten steht zudem die Einstellung definierter Eigenschaften der Module, um nach der Bauteilintegration in Projektbereich B anwendungsoptimale Strukturfunktionen zu ermöglichen.
TP A01: Fertigungstechnologien für integrierbare piezoelektrische Funktionskomponenten:
Ziel des Teilprojektes ist die Auslegung, Fertigung und Charakterisierung von piezoelektrischen Funktionskomponenten auf Basis von Piezokeramik-Polymer-Verbunden und LTCC/PZT-Modulen, welche den Prozessketten zur Verfügung gestellt werden. Dabei steht die Einstellung definierter Eigenschaften zur Erfüllung anwendungsspezifischer Strukturfunktionen im Vordergrund. Dies wird durch gezielte Auswahl und Anordnung der Komponenten sowie strukturierte Abscheidung von Elektroden erreicht.
Teilprojektleiter:
Prof. Alexander Michaelis
Institution: Technische Universität Dresden
Dr. Sylvia Gebhardt
Institution: Fraunhofer-Institiut für Keramische Technologien uns Systeme IKTS
TP A02: Mikrostrukturierung und automatisierte Fügetechnologien für Piezofasern in metallische Trägerwerkstoffe:
Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit dem Mikroumformen von Kavitäten und dem umformtechnischen Fügen von Verbunden aus parallel angeordneten Piezofasern (Piezo-Sprossen-Verbunden) in Aluminiumblech. Dabei sind die Forschungsarbeiten auf die Steigerung der Prozesssicherheit und Produktivität der Mikroumformverfahren fokussiert. Durch In-Prozessregelung des Fügeprozesses soll eine definierte Vorspannung der direkt integrierten Piezofasern erreicht werden.
Teilprojektleiter:
Prof. Andreas Schubert
Institution: Technische Universität Chemnitz
Dr. Hans-Joachim Koriath
Institution: Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
TP A03: Dünnschicht- und Fertigungstechnologien für aktive mikrostrukturierte piezoelektrische Halbzeuge:
In der zweiten Förderperiode wurde die elektromechanische Kopplung von Verbunden aus Piezo-Fasern (Piezo-Sprossen-Verbunde – PSV) in Blech und Mikrospritzgussbauteilen erfolgreich nachgewiesen. Es soll nun eine serienfähige Gesamttechnologie zur PSV-Fertigung entwickelt werden, wobei die PSV durch anwendungsspezifischen Aufbau die Erfüllung unterschiedlicher Strukturfunktionen ermöglichen.
Teilprojektleiter:
Dr. Siegfried Peter
Institution: Technische Universität Chemnitz
Dr. Volker Wittstock
Institution: Technische Universität Chemnitz
TP A04: Laserbasierte elektrisch-mechanische Kontaktierung für Verbundkomponenten mit integrierten aktiven Elementen:
Die Kontaktierung und Isolation der Kontaktstellen ist für alle Prozessketten bedeutend. Dazu wird die Reproduzierbarkeit und Robustheit des Düsenlötprozesses für die Hartlotverbindungen weiter gesteigert. Zudem wird ein integrationsfähiges Verfahren zum lokalen Auftragen thermoplastischer Kunststoffe durch Aufsprühen und Laserstrahlschmelzen erforscht.
Teilprojektleiter:
Dr. Stephan Roth
Institution: Bayerisches Laserzentrum GmbH
Prof. Michael Schmidt
Institution: Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
TP A05: Entwicklung thermoplastverbundkompatibler Piezokeramik-Module (TPM) und zugehöriger Herstellungsverfahren:
Ziel ist die systematische Entwicklung und technologische Umsetzung von thermoplastverbundkompatiblen Piezokeramik-Modulen, deren thermoplastische Trägerfolie bereits auf den Matrixwerkstoff der thermoplastischen Faserverbundstruktur abgestimmt ist. Schwerpunkte der dritten Förderperiode sind Elektrodierungsund Kontaktierungsstrategien, die prozesskettenübergreifende Erweiterung der TPM-Einsatzgebiete durch Ergänzung des TPM-Werkstoffportfolios sowie die anisotropiebasierte Modulvorspannung.
Teilprojektleiter:
Prof. Maik Gude
Institution: Technische Universität Dresden
TP A06: Fertigungstechnologien für Piezomodule mit integrierten Keramikkompositen und Funktionspolymeren zum Einsatz in aktiven metallischen Bauteilen:
Basierend auf der großserienfähigen Zweikomponenten(2K)-Spritzgießtechnologie sollen mikrostrukturierte piezoelektrische Halbzeuge elektrisch kontaktiert und isoliert werden, sodass ein Piezomodul mit vollständigem Packaging und konturnaher Ausführung entsteht. Darüber hinaus sollen neuartige thermoplastische Piezocompounds entwickelt und spritzgießtechnisch verarbeitet werden.
Teilprojektleiter:
Prof. Lothar Kroll
Institution: Technische Universität Chemnitz
Dr. Jürgen Tröltzsch
Institution: TTechnische Universität Chemnitz
Im Projektbereich B geht es in der dritten Förderperiode um die Entwicklung der Technologien zur Fertigung dünnwandiger Leichtbaustrukturen mit definierter Multifunktionalität. In Bezug auf die Großserienfähigkeit wird eine Produktivität und Prozesssicherheit der Technologien auch für großflächige und komplex dreidimensional gekrümmte Bauteilstrukturen angestrebt.
TP B01: Umformung von Piezo-Metall-Verbunden und numerische Untersuchungen zum Einfluss des Umformvorgangs auf deren Funktion:
Bei der Herstellung von Piezo-Metall-Verbunden durch Kleben mit schwimmender Lagerung und umformtechnisches Fügen soll die Reproduzierbarkeit und Produktivität mittels automatisierter Applikation von Klebstoff und Piezomodul sowie selektiver ortsaufgelöster Aushärtung von Klebstoff weiter gesteigert werden. Die numerische Simulation der Umform- und Fügeprozesse sowie der Funktionalität der Verbunde leistet dabei einen wesentlichen Beitrag zur Prozesssicherheit.
Teilprojektleiter:
Prof. Welf-Guntram Drossel
Institution: Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Dr. Roland Müller
Institution: Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
TP B03: Gießtechnische Integration piezokeramischer Module in metallische Bauteile - Verfahrenstechnische Grundlagen und numerische Simulation:
Die Erhöhung der Robustheit des Verfahrens zur vollständigen Integration piezokeramischer Sensor-Aktor- Module in Aluminiumdruckgussbauteile und die Verbesserung der Funktionalität sind Forschungsschwerpunkte des Teilprojektes in der dritten Förderperiode. Zur Unterstützung der Prozessentwicklung erfolgt eine numerische Simulation der hochdynamischen Vorgänge während des Aluminiumdruckgussprozesses.
Teilprojektleiter:
Prof. Carolin Körner
Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
TP B04: Robuste Fertigungstechnologien für faserverstärkte Thermoplastverbundkomponenten mit integrierten Piezokeramik-Modulen:
Das Verfahren der Integration von thermplastverbundkompatiblen Piezomodulen (TPM) wird in der dritten Förderperiode auf weitere anwendungsrelevante Verstärkungsmaterialien und Matrix-Materialsysteme übertragen. Schwerpunkte sind dabei die Erweiterung des Fertigungskomplexes um ein neu zu entwickelndes angepasstes Temperier-Transfersystem, die Abbildung mehrfach gekrümmter Konturen sowie die Integration von Auswerteelektronik in generische Demonstratorstrukturen.
Teilprojektleiter:
Prof. Niels Modler
Institution: Technische Universität Dresden
TP B06: Großserienfähige Fertigungstechnologien für Glasfaser-Polyurethan- Verbundstrukturen mit integrierten piezokeramischen Sensorelementen und angepasster Auswerteelektronik:
Ziel des Teiplprojektes ist die Herstellung aktiver Bauteilstrukturen aus Glasfaser-Polyurethan-Verbunden durch direkte Integration, Kontaktierung und Polarisierung von Piezofasern/-perlen. Darüber hinaus erarbeitet das TP in der dritten Förderperiode serienfähige Schaltungsträger und Hybridtechnologien für die Elektronikintegration, insbesondere Ansteuer- und Auswerteelektronik, Informationsverarbeitung und drahtlose Kommunikation.
Teilprojektleiter:
Prof. Maik Gude
Institution: Technische Universität Dresden
Prof. Wolf-Joachim Fischer
Institution: Technische Universität Dresden
Der Projektbereich C befasst sich in der dritten Förderperiode mit der Auslegung und zerstörungsfreien Prüfung der adaptiven Verbunde. Damit bildet dieser Projektbereich die Grundlage für anwendungsoptimale Auslegung komplexer Verbundstrukturen und die Qualitätssicherung in der Großserienanwendung. Die zerstörungsfreie Prüfung und die Erarbeitung einer geeigneten Prüfmethodik für komplex geformte Verbundbauteile gewinnt besonders an Bedeutung, da aufgrund der mehrfach gekrümmten Strukturen eine Charakterisierung mit bekannten Verfahren und Methoden nur mit für die Großserie nicht abbildbarem Aufwand möglich wäre.
TP C03: Auslegung und Polarisierungstechnologie für Serienprozesse zur Herstellung adaptiver Strukturkomponenten
Das Einbringen einer bleibenden Polarisation als unverzichtbarer Prozessschritt zur Aktivierung der elektromechanischen Kopplung in funktionalen Verbunden ist Gegenstand der Forschungsarbeiten der dritten Förderperiode. Auf Basis von Materialcharakterisierungsversuchen und Polungssimulationen werden Polungsprozessoptimierungen abgeleitet, Methoden zur Polung unstrukturierter Verbundwerkstoffe entwickelt sowie Schädigungsmechanismen und kritische Stellen identifiziert.
Teilprojektleiter:
Dr. Peter Neumeister
Institution: Fraunhofer-Institiut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Dr. Andreas Schönecker
Institution: Fraunhofer-Institiut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
TP C06: Materialcharakterisierung und numerische Simulation von adaptiven Werkstoffverbunden
Präzise Materialparameter für die Auslegung adaptiver Verbunde werden durch ein inverses Verfahren und iterativen Abgleich mit Simulationsmodellen gewonnen. In der dritten Förderperiode soll darüber hinaus als Grundlage für die Modulpositionierung im Verbund eine Simulationsplattform zur numerischen Berechnung des gesamten Systemverhaltens adaptiver Werkstoffsysteme entstehen. Weiterer Schwerpunkt ist eine Prüfmethodik zur effizienten Charakterisierung adaptiver Verbunde.
Teilprojektleiter:
Prof. Reinhard Lerch
Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Dr. Stefan Johann Rupitsch
Institution: Friedrich Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
TP C07: Simulation der Aushärte- und Schrumpfungsprozesse von Fügewerkstoffen in umformbaren Piezo-Metall-Verbunden
Ziel des Teilprojektes ist in der dritten Förderperiode die durchgehend thermomechanisch gekoppelte Simulation und experimentelle Charakterisierung zur Beschreibung der Klebeprozesse bei der Blechumformung mit schwimmend gelagerten Piezomodulen. Dabei soll schließlich für den Großserienprozess eine räumlich und zeitlich optimierte Temperaturführung entwickelt werden.
Teilprojektleiter:
Prof. Jörn Ihlemann
Institution: Technische Universität Chemnitz
TP C08: Polarisationsbestimmung integrierter Piezokeramiken für die Prozesskontrolle und zerstörungsfreie Bauteilprüfung
Die Laser-Intensitäts-Modulationsmethode (LIMM) ermöglicht als zerstörungsfreies Prüfverfahren die Bestimmung des Polarisationszustandes integrierter Piezokeramiken sowie der Qualität der Einbettung. Die Überwindung der Limitationen bezüglich Eindringtiefe in leitfähigen Leichtbaustrukturen durch den Einsatz gepulster Laser mit höherer Wärmeleistung ist Forschungsziel der dritten Förderperiode.
Teilprojektleiter:
Prof. Gerald Gerlach
Institution: Technische Universität Dresden
TP C09: Modellgestützte Ultraschallbildgebung zur dimensionellen Erfassung von Fehlstellen in heterogenen Werkstoffverbunden
Das in der dritten Förderperiode neu beantragte Teilprojekt befasst sich mit der ultraschallbasierten dimensionellen Erfassung von Fehlstellen in adaptiven Werkstoffverbunden. Durch ein synthetisches Fokussierungsverfahren werden die physikalischen Vorgänge an den Mediengrenzen der Verbundwerkstoffe berücksichtigt und dadurch eine optimale laterale Ortsauflösung erreicht. Somit wird diedimensionelle Erfassung unerwünschter Fehlstellen in dünnwandigen gekrümmten Bauteilen möglich.
Teilprojektleiter:
Dr. Stefan Johann Rupitsch
Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Die Transferprojekte schaffen den Übergang der Technologien in seriennahe industrielle Anwendungen.
TP T01: Integration von Piezomodulen in Strukturbauteile einer PKW-Hinterachse zur aktiven Schwingungskompensation und Reduktion von Verzahnungsgeräuschen
Bei Fahrzeugen mit Heck- oder Allradantrieb können im Hinterachsgetriebe entstehende Schwingungen als störende Geräusche in den Fahrgastraum übertragen werden. Das neu beantragte Transferprojekt hat zum Ziel, auf Basis der im SFB/TR 39 entwickelten Technologie der Piezo-Metall-Verbunde, bereits im Herstellungsprozess der Hinterachskomponenten (z. B. Hinterachsträger) die Piezoaktorik direkt ins Bauteil einzubringen, um die angestrebte Schwingungsbeeinflussung zu erzielen.
Teilprojektleiter:
Prof. Welf-Guntram Drossel
Institution: Frauenhofer-Institiut für Werkzeugmachschinen und Umformtechnik IWU
TP T02: Kunststoffbasierte Integration piezokeramisch funktionalisierter Trägermaterialien in Komponenten für die Großserie
Die Zusammenführung der Technologieansätze des kunststoffbasierten Umformens von metallischen oder Faser-Kunststoff-Verbund(FKV)-Einlegern und der Einbettung von Sensorik in die auszuformenden Bauteile soll durch Integration von Metall- oder Organoblechen mit aufgebrachten sensorischen Funktionselementen durch Spritzgussverfahren erfolgen. Damit entfallen aufwändige Applikations- und Montageschritte von Sensorsystemen in hybriden Strukturen. Zentrale Fragestellungen ergeben sich aus den Verfahrensabläufen zum Umformen der Einleger sowie den sensitiven Einbettungsprozessen.
Teilprojektleiter:
Prof. Lothar Kroll
Institution: Technische Universität Chemnitz
TP T03: Entwurf und Fertigung faserverstärkter Strukturen mit werkstoffintegrierten Aktor-Sensor-Arrays für messtechnische Applikationen
Schwerpunkt des beantragten Transferprojektes ist die Herstellung von faserverstärkten Strukturen mit werkstoffintegrierten Aktor-Sensor-(wAS-)Arrays. Hiermit soll ein Beitrag zur großserienfähigen Realisierung von funktionsintegrierten Strukturen geleistet werden. Mögliche Anwendungen für derartige wAS-Arrays umfassen z. B. Diagnosesysteme sicherheitsrelevanter Bauteile mit tragender Funktion etwa für Kfz oder Windkraftanlagen, Luftführungen und Ansaugsysteme mit hoher Funktionsintegration etwa in Form integrierter Durchfluss- und Temperaturmessung oder Strukturen mit sensorischen Zusatzfunktionen wie etwa Stoßstangen mit integrierten Abstandsmesssystemen.
Teilprojektleiter:
Prof. Niels Modler
Institution: Technische Universität Dresden
Dr. Martin Dannemann
Institution: Technische Universität Dresden
KP K2: Untersuchung der Funktionspotentiale durch Piezomodul–Integration in 3D–Strukturen
Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches/Transregio 39 PT-PIESA werden großserienfähige Produktionstechnologien für verschiedenartige piezokeramische Verbunde untersucht. Diese großseriengefertigten piezokeramischen Verbunde mit Integration in 3D–Strukturen bieten neue Anwendungs-und Funktionspotentiale. Anhand der Doppellagenverbunde, die durch Fixierung flächiger Piezoaktoren zwischen zwei Blechen während des Umformprozesses hergestellt werden, sollen die Potentiale dieser Piezo–Metall–Schichtverbunde für aktive Schwingungs- und Schallbeeinflussung ausgelotet werden.
Der Einfluss des Schichtaufbaus, der Positionierung der Piezoaktoren innerhalb dieses Schichtaufbaus, in der Schalenebene und in Bezug zu den Umformbereichen des Doppellagenverbundes sowie des auszunutzenden Piezoeffektes (d31/d33 oder d15) auf die Effektivität der möglichen Schwingungsbeeinflussung sollen simulativ und experimentell untersucht werden. Basis der Simulationsmodelle bildet eine in Vorläuferprojekten erarbeitete Zustandsraumbeschreibung für piezo–mechanische Systeme, die mit Hinblick auf die Akustik erweitert werden soll. Im Rahmen des Projektes werden Aussagen erwartet, welche Geometrie- und Materialparameter den Frequenzbereich bestimmen, in dem eine modale Beeinflussung der Schallabstrahlung energetisch effektiv möglich ist.
Teilprojektleiter:
Prof. Welf-Guntram Drossel
Institution: Technische Universität Chemnitz
