DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP B06

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

M. Gude, W.-J. Fischer
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

Ziele

Realisierung aktiver Glasfaser-Polyurethan-Verbunde (GPV) durch prozessintegrierte Herstellung und Einbettung neuartiger piezoelektrischer Funktionsmodule sowie Integration angepasster Sensor-/ Aktorelektronik

gleich
  • Zusammenführung aller Prozessteilschritte in einem serientauglichen Gesamtprozess
  • Prozessintegrierte Kontaktierung und GPV-angepasste Polarisierung
  • Erweiterung des Einsatzpotentials auf aktorische Anwendungen durch Integration von thermoplastverbundkompatiblen Piezomodulen (TPM)
  • Prozesskettenübergreifende Bereitstellung angepasster Sensor-/ Aktorelektronik
  • Überführung der technologischen Grundlagen auf aktive GPV-Demonstratorstruktur

 

 

Ergebnisse

Erarbeitung eines angepassten Gesamtprozesses und Entwicklung einer MFI-Prozesseinheit

  • Angepasster Verfahrensablauf auf Basis des LFI-Prozesses
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  • Gravimetrisches Dosieren von PZT-Komponenten, Speichern von Chargen in Zwischenpuffer
  • Angepasstes Greifersystem für poröse Elektroden
  • Lokale Integration von PZT-Komponenten und Elektroden
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MFI-Prozesseinheit

Prozessuntersuchungen

  • Verwendung verschiedener Ausgangsstoffe (PZT-Komponenten, Elektrodenhalbzeuge)
  • Unterschiedliche Methoden für prozessintegrierten Aufbau und Integration der Sensormodule
  • Angepasste Prozessgestaltung (Sprühbahn, Prozessparameter)
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Sensoraufbau und kontaktiertes Sensorelement

Untersuchungen zum Einfluss des Herstellungsprozesses

  • Systematische Analyse prozessbedingter Beanspruchungen(Reaktionstemperatur, Expansionsdruck)
  • Bewertung des Sensoraufbaus im eingebetteten Zustand mittels zerstörungsfreier Prüftechniken
  • Funktionsprüfung an integrierten elektronischen Komponenten
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  Temperaturverlauf 
  während der
  Expansion
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Funktionsnachweis an eingebettetem Transponder

Methodenentwicklung zur Kontaktierung und Polarisierung

  • Konzeption und Erprobung prozessintegrierter und nachträglicher Kontaktierungsmethoden
  • Numerische, linear-dielektrische Simulation des Feldstärkenverlaufs zur Ableitung erforderlicher Polarisationsspannungen
  • Analyse der Durchschlagfestigkeit und Polarisationsstudien
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Einheitszelle
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simulierter Feldstärkenverlauf

Erarbeitung angepasster Sensorelektronik

  • Entwurf und Aufbau drahtloser Daten- und Energieübertragungssysteme zur werkstofflichen Integration in GPV
  • Experimentelle Untersuchungen zum Übertragungsverhalten
  • Entwicklung angepasster, integrationsgerechter Sensorhardware unter Berücksichtigung der Prozessrandbedingungen
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Schematische Darstellung und der Prototyp der Sensorknotenhardware
 

Methoden

Fertigungsstudien

 

  • Sensitivitätsanalysen
  • Gewährleistung der Reproduzierbarkeit des Sensoraufbaus
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MFI-Prozesseinheit  
Simulation des elektrischen Feldes

 

  • Numerische Simulationsrechnungen zum resultierenden Feldstärkenverlauf

3D-Modell für lineardielektrische Simulation
Zerstörungsfreie Prüfungen

 

  • Grenzschichtanalysen
  • Untersuchungen zu Fertigungseinflüssen

 

 

 

 

 

 



Röntgenaufnahme eines integrierten Sensormoduls
Charakterisierung / Funktionsprüfungen

 

  • Test elementarer Prüfstrukturen
  • Charakterisierung der Sensor-/ Aktorfunktion
Prüfaufbau für zyklische 3-Punkt-Biegung
Schaltungskonzeption und -erprobung

 

  • Integrationsgerechte Auswerteelektronik
  • Erprobung polarisationstoleranter Schaltungskonzepte
Prinzip für polarisationstolerante Schaltung

Publikationen

Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung

 
[Huf13a] Hufenbach A, Gude M, Geller S (2013)
Cellular fibre-reinforced polyurethane composites with sensory properties. Adv Eng Mater, doi:10.1002/adem.201300080
[Huf13b] Hufenbach W, Gude M, Geller S (2013)
Prozessentwicklung zur serientauglichen Integration neuartiger piezoelektrischer Sensorelemente in Glasfaser-Polyurethan-Verbundwerkstoffe. In: 19. Symp Verbundwerkst Werkstoffverb. Karlsruhe, Deutschland, S 654-663
[Huf13c] Hufenbach W, Fischer W-J, Gude M, Geller S, Tyczynski T (2013)
Processing studies for the development of a manufacture process for intelligent lightweight structures with integrated sensor systems and adapted electronics. Proc Mater Sci 2:74-82
[Wed13b] Weder A, Geller S, Heinig A, Tyczynski T, Hufenbach W, Fischer W-J (2013)
A novel technology for the high-volume production of intelligent composite structures with integrated piezoceramic sensors and electronic components. Sens Actuators A 202:106-110
[Huf11a] Hufenbach W, Gude M, Modler N, Zichner M, Heber T, Geller S (2011)
Seriengerechte Integration piezokeramischer Sensorelemente in Glasfaser-Polyurethan-Verbundstrukturen. Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen. In: 18. Symp Verbundwerkst Werkstoffverb. Chemnitz, Deutschland, pp 283-288

Andere Veröffentlichungen

 
[Wed13c] Weder A, Geller S, Fischer W-J (2013)
Angepasste Piezosensorelektronik und integrierte drahtlose Sensornetzwerke zur Herstellung intelligenter Leichtbauteile. In: Proc Mikrosystemtech Kongr. VDE Verlag, Berlin, S 540-543
[Huf13d] Hufenbach W, Fischer W-J, Michaelis A, Gebhardt S, Geller S, Tyczynski T, Heinig A, Weder A, Hohlfeld K (2013)
High-volume production of glass fibre-reinforced polyurethane composite structures with integrated piezoceramic sensor elements and adapted electronics. In: Proc CRC/Transregio 39. Nuremberg, Germany, pp 57-61
[Sau13] Sauer S, Türke A, Weder A, Fischer W-J (2013) Inkjet Printed Humidity Threshold Monitoring Sensor Solution with Irreversible Resistance Change for Passive RFID Applications. In: Proc IEEE Sens. Baltimore, USA, S 721-724
[Wed12] Weder A, Geller S, Heinig A, Tyczynski T, Hufenbach W, Fischer W-J (2012)
Integration of Piezoceramic Sensor Elements and Electronic Components in Glass Fibre Reinforced Polyurethane Composite Structures. Proc Eng 47:354-357
[Huf12] Hufenbach W, Gude M, Geller S (2012)
Function integrated fibre-reinforced polyurethane composites with cellular matrix for intelligent lightweight structures. In: Proc Cellular Mater, Dresden
[Huf11b] Hufenbach W, Gude M, Fischer W-J, Heinig A, Geller S, Weder A (2011)
Integration of electronic components in glass fibre-reinforced polyurethane composite structures. In: Int Symp Piezocompos Appl. Dresden, Deutschland
[Huf11c] Hufenbach W, Fischer W-J, Michaelis A, Gebhardt S, Geller S, Tyczynski T, Heinig A, Weder A, Hohlfeld K (2011)
Integration of piezoceramic and electronic functional elements in glass fibrereinforced polyurethane composite structures. In: Proc CRC/Transregio 39. Chemnitz, Germany, pp 65-69

Patente

 
[Lei11] Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH. Anordnung und Verfahren zur direkten Erzeugung eines sensorisch-aktorischen Elements in adaptiven Bauteilstrukturen. Offenlegungsschrift DE102011010313A1. 2011-12-15

Kontakte

Leiter:

Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude
Technische Universität Dresden
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik
Holbeinstraße 3
01307 Dresden

Telephon: +49 351 46-38153

E-Mail:

Prof. Dr.-Ing. habil. Wolf-Joachim Fischer
Technische Universität Dresden
Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik
Nöthnitzer Str. 64
01062 Dresden

Telephon: +49 351 463-36336

E-Mail:

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