Fertigungstechnologien für integrierbare piezoelektrische Funktionskomponenten
A. Michaelis, S. Gebhardt
Ziele
Entwicklung und serienfähige Fertigung piezoelektrischer Funktionskomponenten zur Integration in Leichtmetall- und Faserverbundstrukturen. Auslegung und Konfektionierung der Komponenten im Hinblick auf erzielbare Strukturfunktionen und entsprechend den technologischen Anforderungen der Prozessketten.
- Entwicklung und serienfähige Fertigung volumen- und schichtbasierter Piezokeramik-Polymer-Verbunde (PPV)
- Charakterisierung und Bewertung effektiver Eigenschaften von PPV in Abhängigkeit von Geometrie und Konnektivität
- Aufklärung der elektrischen Feldverteilung beim Polen / piezoelektrische Antwort beim Ansteuern von PPV (TP C03)
- Beurteilung des funktionellen Leistungsvermögens von PPV
- Bereitstellung von Funktionskomponenten zur Integration in Leichtbaustrukturen
Ergebnisse
Piezoelektrische Fasern
Serienfähige Herstellung von PZT-Fasern- Aufbau einer serienfähigen Faserspinnanlage
- Herstellung von Fasern mit d = 100 - 800 µm
Faserkomposite für die Integration in Thermoplast-verbunde
(PK Faserverbund)
- Technologie zur Anordnung von PZT-Fasern als Monolage
- Optimierung der Faser-Matrix-Haftung (Koop. IPF Dresden)
Faserkomposite zur Integration in strukturierte Aluminium-bleche
(PK Umformen)
- 1-3 Piezofaser-Polymer-Verbunde durch Infiltration von ausgerichteten Faserbündeln in Araldite 2020
Faserdurchmesser in Abhängigkeit vom Geschwindig- keitsverhältnis vR / vE
|
Monolagenkomposit als Halbzeug für die Integration in Thermoplastverbunde
|
Neuartige piezokeramische Komponenten zur Integration in Glasfaser-Polyurethan-Verbunde
(PK Faserverbund)
- Technologie- und Prozessentwicklung zur Fertigung von PZT-Perlen
Charakterisierung mechanischer und elektrischer Eigenschaften
- Mechanische Kenndaten an Einzelfasern
- Elektrische Kenndaten an 1-3 Piezokompositen
1-3 Piezofaser-Komposit- Block und daraus gefertigte Kompositscheiben
|
Gesinterte PZT-Perlen mit ca. 1200 µm Durchmesser
|
Piezoelektrische Laminate
LTCC/PZT-Module zur Integration in Aluminium-Druckguss-Bauteile(PK Gießen)
- Konfektionierung in Bezug auf Geometrie und Kontaktierung
- Hybrides Fixierungssystem für zerstörungsfreie Integration
Chemische Wechselwirkung zwischen LTCC und PZT
- Elementverteilung im Grenzbereich LTCC/PZT mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX)
- Materialdegradation durch Diffusion von Pb in LTCC
(Bildung von Flüssigphasen im System CaSiO3-PbSiO3
REM-Aufnahme (BSE-Image) im Grenzflächenbereich PZT/LTCC
|
EDX-Aufnahme der Elementverteilung:
Pb (hell) |
Mechanische Wechselwirkung im LTCC/PZT-Verbund
(Zusammenarbeit TP C03)
- Hysteresemessungen an PZT-Platten vor und nach Integration
- Mechanische Klemmung von PZT durch Unterschiede im thermischen Schwindungsverhalten
Integration weiterer Funktionskomponenten
- Entwicklung „Akustischer Mikrosysteme“ zum Senden und Empfangen geführter Ultraschallwellen
Ferro- elektrische Hysterese von SP53 vor und während der Integration in LTCC sowie nach dem Ausbetten
|
Relative thermische Längenänderung von SP 53 im Vergleich zu LTCC HL 2000
|
Methoden
| Herstellung von Funktionskomponenten | |
|---|---|
|
 PPV aus PZT-Perlen
|
| Charakterisierung von Eigenschaften | |
|---|---|
|
Ferroelektrische Hysterese |
| Berechnung von Materialparametern | |
|---|---|
|
Ladungskonstante vs. Volumengehalt
|
| Validierung | |
|---|---|
|
Kosten-Nutzen-Analyse
|
Publikationen
Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung
| [Hoh17] | Hohlfeld K: Herstellung und Charakterisierung piezokeramischer Komponenten und daraus abgeleiteter Piezokomposite. Dissertation TU Dresden, In: Schriftenreihe Kompetenzen in Keramik, Band 38, Herausgeber Alexander Michaelis, Fraunhofer Verlag Stuttgart, 2017 |
| [Zap15] | Zapf M , Hohlfeld K, Shah G, Gebhardt S, van Dongen K W A, Gemmeke H, Michaelis A, Ruiter N V: Evaluation of piezo composite based omnidirectional single fibre transducers for 3D USCT. In: Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) 2015, 21.-24. October, Taipei, Taiwan, 4 pages, DOI: 0.1109/ULTSYM.2015.0552 |
| [Flö10a] | Flössel M, Gebhardt S, Schönecker A, Michaelis A (2010) Development of a Novel Sensor- Actuator-Module with Ceramic Multilayer Technology. J Ceram Sci Tech 1(1):55-58 |
| [Geb12] | Gebhardt S, Flössel M, Schönecker A, Lieske U, Klesse T (2012) Robust Structural Health Monitoring Transducers Based on LTCC/PZT Multilayer. In: Proc ISAF-ECAPD-PFM 2012. Aveiro, Portugal. doi 10.1109/ISAF.2012.6297864 |
| [Geb13a] | Gebhardt S, Ernst D, Bramlage B, Flössel M, Schönecker A (2013) Integrated Piezoelectrics for Smart Microsystems – a Teamwork of Substrate and Piezo. Adv Sci Tech 77:1-10 |
| [Geb13b] | Gebhardt S, Flössel M, Schönecker A, Lieske U, Klesse T (2013) Compact Structural Health Monitoring Transducers Made by Ceramic Multilayer Technology. Ferroelectr 446(1):107-117 |
| Hohlfeld K, Gebhardt S, Schönecker A, Michaelis A. (2015) PZT components derived from polysulphone spinning process. In: Advances in Applied Ceramics; 114(4), 231-237. DOi: 10.1179/1743676114Y.0000000229 |
|
| [Hoh13a] | Hohlfeld K, Michaelis A, Gebhardt S (2013) Piezoelectric Transducers on the Basis of Free- Formed PZT Components. In: Joint UFFC-EFTF-PFM Symp. Prague, CZ, pp 279-282 |
| [Neu14] | Neumeister P, Eßlinger S, Gebhardt S, Schönecker A, Flössel M (2014) Effect of Mechanical Constraints in Thin Ceramic LTCC/PZT Multilayers on the Polarization Behavior of Embedded PZT. Int J Appl Ceram Technol (9pp), doi:10.1111/ijac.12218 |
| [Sch14] | Schwankl M, Rübner M, Flössel M, Gebhardt S, Michaelis A, Singer RF, Körner C (2013) Active functionality of piezoceramic modules integrated in aluminum high pressure die castings. Sens Actuators A 207:84-90 |
| [Suc11] | Suchaneck G, Hu W, Gerlach G, Flössel M, Gebhardt S, Schönecker A (2011) Non Destructive Evaluation of Polarization in LTCC/PZT Piezoelectric Modules by Thermal Wave Methods. Ferroelectr 420(1):25-29 |
Andere Veröffentlichungen
|
Hohlfeld K, Gebhardt S, Michaelis, A: „Maßgeschneiderte Piezokomponenten und –komposite“. |
|
|
Hohlfeld K, Neumeister P, Michaelis A, Gebhardt S: „Tailored Composite Transducers Based on Piezoceramic Fibers and Pearls“. In: Proc. ACTUATOR 2016, June 13-15, Bremen, pp 69-72. |
|
|
Decker R, Rhein S, Heinrich M, Tröltzsch J, Gebhardt S, Kroll L, Michaelis A (2015): |
|
| Eßlinger S, Geller S, Hohlfeld K, Gebhardt S, Michaelis A, Gude M, Schönecker A, Neumeister P: Novel poling method for active fibre-reinforced polyurethane composites. In: Proc. 5. Wissenschaftliches Symposium des SFB/TR 39 PT-PIESA, 14.-16. September, 2015, Dresden, Germany, pp. 23-27 |
|
| [Flö10b] | Flössel M, Gebhardt S, Schönecker A, Michaelis A (2010) Novel Packaged LTCC/PZT Modules for Actuator and Sensor Applications. In: Proc ACTUATOR 10. Bremen, Germany, pp 586-589 |
| [Flö12] | Flössel M, Lieske U, Klesse T, Gebhardt S (2012) Ceramic Based Structural Health Monitoring (SHM) Modules for Rough Environment. In: Proc ACTUATOR 12, Bremen, Germany, pp 68-71 |
| Hohlfeld K, Zapf M, Shah G, Gebhardt S, Gemmeke H, Ruiter N V, Michaelis A: Fabrication of single fiber based piezocomposite transducers for 3D USCT. In: Proc. 5. Wissenschaftliches Symposium des SFB/TR 39 PT-PIESA, 14.-16. September, 2015, Dresden, Germany, pp. 95-99 |
|
| [Hoh13b] | Hohlfeld K, Gebhardt S, Michaelis A (2013) Free-formed Piezoceramic Components for Smart Structures. In: Proc 4th Sci Symp CRC/Transregio 39. Nuremberg, Germany, pp 19-24 |
| [Hoh13c] | Hohlfeld K, Gebhardt S, Schönecker A, Michaelis A (2013) Piezoceramic Fibers and Pearls Derived by the Polysulfone Spinning Process. In: Proc PIEZO 2013. Les Arcs, France, pp 9-12 |
| Stein S, Wedler J, Rhein S, Gebhardt S, Schmidt M, Körner C, Michaelis A (2015): Investigations on the process chain for the integration of piezoelectric ceramics into die casted aluminum structures. In: Proc 5th Sci Symp CRC/Transregio 39. Dresden, Germany, pp 65-69 |
|
| Weiß M, Ilg J, Hohlfeld K, Gebhardt S, Rupitsch S J, Lerch R, Michaelis A: Inverse Method for determining piezoelectric material parameters of piezoceramic fiber composites“. In: Proc. 5. Wissenschaftliches Symposium des SFB/TR 39 PT-PIESA, 14.-16. September, 2015, Dresden, Germany, pp. 77-82 |
|
| Zapf M , Hohlfeld K, Shah G, Gebhardt S, van Dongen K W A, Gemmeke H, Michaelis A, Ruiter N V: Evaluation of piezo composite based omnidirectional single fibre transducers for 3D USCT. In: Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) 2015, 21.-24. October, Taipei, Taiwan, 4 pages, DOI: 0.1109/ULTSYM.2015.0552 |
Patente
| [Sche11] | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung. Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung keramischer Formkörper. Patentschrift DE102008056721B4. 2011-06-22 |
| [Schö13] | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung. Aktorisch wirksames oder aktorisch wirksames und sensitives Element. Patentschrift DE102007051075B4. 2013-10-17 |
Kontakte
Leiter:Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis
Technische Universität Dresden
Fakultät für Maschinenwesen
Institut für Werkstoffwissenschaft
Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe
01062 Dresden
Telefon: +49 351 2553-7512
E-Mail: alexander.michaelis@…
Dr.-Ing. Sylvia Gebhardt
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Abteilung Intelligente Materialien und Systeme
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
Telefon: +49 351 2553-7694
E-Mail: sylvia.gebhardt@…
