DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP A05
DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA 

Entwicklung thermoplastverbundkompatibler Piezokeramik- Module (TPM) und zugehöriger Herstellungsverfahren

M. Gude
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

Ziele

 

Design & Simulation Technologie
 
  • Prozesskettenübergreifende Moduldesignerweiterung
  • Simulationsgestützte Funktionalisierung der Trägerfolien zur Modulvorspannung
  • Bewertung des TPMAnwendungspotentials und Ableitung eines Gestaltungskatalogs

Technologie & Prozesskette
 
  • Entwicklung und Fertigung neuartiger TPM-Funktionsschichten
  • Erweiterung und Komplettierung der großserientauglichen TPMFertigungsstrecke
  • Gewährleistung einer reproduzierbaren TPM-Fertigung mittels Prozesskettenanalyse
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Ergebnisse

Entwicklung von Piezofaser/Thermoplast-Funktionsschichten

  • Neuartige Funktionsschichten auf Basis runder PZT-Fasern
  • Verwendung von PA66 als thermisch stabileres Matrixmaterial
  • Manuell gefertigte PZT-Faser-Halbzeuge
  • Machbarkeitsnachweis über Heißpress- und Infiltrationstechnik

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Konzeption und Auslegung von TPM mit d31-Wirkprinzip sowie Erarbeitung großserienfähiger Fertigungstechnologien

  • Umfangreiche Konsolidierungs- und Verarbeitungsstudien
  • Fertigung von d31-TPM mit unterschiedlichen Funktionsschichten
  • Erweiterung der TPM-Montage- und Konfektioniereinheit um automatisierte Bestückungseinheit

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Berechnung und Einstellung eigenspannungsbasierter Vorspannungen

  • Induzierte Druckeigenspannungen zur Erhöhung der Schadenstoleranz und zur Polarisationsunterstützung
  • Validierung des Berechnungsmodells anhand von TPM mit unsymmetrischem Strukturaufbau

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Prozessangepasste Kontaktierung und Polarisierung sowie Funktionsnachweise

  • Adaption der Laser-Droplet-Welding Methode zur seriengerechten Kontaktierung
  • Polarisierungsregimeentwicklung für TPM

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Entwicklung und Prozessintegration seriengerechter drucktechnischer Elektrodierungen

  • Konzeption und Inbetriebnahme einer Rolle-zu-Rolle-Siebdruckanlage
  • Reproduzierbare Elektrodierungen guter Qualität

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Bewertung der TPM mittels zerstörender und zerstörungsfreier Prüfmethoden

  • Einsatz von Schliffbildanalyse, optischer Messtechnik, Computertomographie etc.
  • Beurteilung sowohl der Fertigungs- und Einbettungsqualität als auch Leistungsfähigkeit der gefertigten TPM

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Modulspezifische Prozesskettenanalyse und -modellierung

  • Prozessverständnis und Parametersensitivitäten
  • Integration des abstrahierten Fertigungsprozesses in Technologiedatenmanagementsystem

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Methoden

Numerische Prozess- und Struktursimulation
  • Zeit- und temperaturabhängiges Materialverhalten als Basis verfeinerter Berechnungsmodelle
  • Eingangsparameter aus Kurzzeitversuchen, Kriechversuchen, TGA TMA, DMA
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Out-of-plane-Verschiebung unsymmetrischer d31-TPM
Numerische Prozess- und Struktursimulation
  • Verstärkte und unverstärkte Polymerfolien (PA6, PEEK, TPU, PPS) als Trägermateria
  • Polymerbasierte PZTDickschichten und PZTFaserkomposite als Funktionsschicht
  • Stanzen der Trägerfolien und Anpassung des Lötprozesses
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TPM-Fertigungsschema
Charakterisierung der Fertigungsmuster
  • Schliffbildanalysen
  • CT und In-Situ-CT, optische Verformungsmessung, Ultraschall
  • Bewertung Fertigungsqualität, Polarisationszustand, eigenspannungsinduzierte Verformungszustände in Zusammenarbeit mit Projektbereich C
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Schliffbild eines integrierten TPM
Durchführung von Langzeituntersuchungen
  • Prüfung an Faserverbund- Plattenstreifen unter klimatischen Bedingungen nach DIN EN ISO 4892
  • Durchschlagsdetektierung und Strukturüberwachung mittels Triangulationslaser
  • Leckströme: statischer und dynamischer Fall
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Langzeitprüfstand im Klimasimulator

Publikationen

Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung

 
[Heb14] Heber T, Gude M, Hufenbach W (2014)
Production process adapted design of thermoplasticcompatible piezoceramic modules. Compos Part A, doi:10.1016/j.compositesa/2014.01.002
[Huf13a] Hufenbach W, Gude M, Modler N, Heber T, Winkler A, Weber T (2013)
Process chain modelling and analysis for the high-volume production of thermoplastic composites with embedded piezoceramic modules. Smart Mater Res, doi:10.1155/2013/201631
[Huf13b] Hufenbach W, Gude M, Heber T, Weber T, Hohlfeld K, Michaelis A, Gebhardt S (2013)
Weiterführende Technologieuntersuchungen zur Fertigung thermoplastverbundkompatibler Piezokeramik- Module für adaptive Leichtbaustrukturen. In: 19. Symp Verbundwerkst Werkstoffverb. Karlsruhe, Deutschland, S 413-421
[Huf11a] Hufenbach W, Gude M, Heber T (2011)
Consolidation behaviour during manufacture of adapted piezoceramic modules for functional integrated thermoplastic composite structures. Int J Mater Res 102(8):1021-1026
[Huf11b] Hufenbach W, Gude M, Heber T (2011)
Embedding versus adhesive bonding of adapted piezoceramic modules for function-integrative thermoplastic composite structures. Compos Sci Technol 71:1132-1137
[Huf11c] Hufenbach W, Gude M, Heber T, Tyczynski T, Weber T, Winkler A (2011)
Characterization of novel thermoplastic-compatible piezoceramic modules for function integrative composite structures. Composites 11(2):147-151
[Huf10] Hufenbach W, Gude M, Modler N, Heber T, Tyczynski T (2010)
Sensitivity analysis for the process integrated online polarization of piezoceramic modules in thermoplastic composites. Smart Mater Struct 19:105022

Andere Veröffentlichungen

 
[Suc13] Suchaneck G, Eydam A, Gerlach G, Gude M, Weber T, Winkler A (2013)
Evaluation of the Pyroelectric Response of Embedded Piezoelectrics by Means of a Nyquist Plot. In: Joint UFFC-EFTFPFM Symp. Prague, CZ, doi:10.1109/ULTSYM.2013.0502

Kontakte

Leiter:

Prof. Dr.-Ing. Maik Grude
Technische Universität Dresden
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)
Holbeinstraße 3
01307 Dresden

Telephon: +49 351 463 -38153

E-Mail:

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