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Werkstoffe werden intelligent

14.04.1999 - (idw) Fraunhofer-Gesellschaft

Extrem leicht sind faserverstärkte Kunststoffe im Vergleich zu Stahl und Keramik. Daher setzt die Industrie sie immer häufiger als Werkstoff ein. Allerdings haben sie einen entscheidenden Nachteil: Da sie kaum Eigengewicht haben, treten bei Leichtbauprodukten oft störende Schwingungen auf. Abhilfe sollen da adaptive Strukturen schaffen, die mechanische Veränderungen wahrnehmen und aktiv darauf reagieren. Solche "intelligenten" Faserverbundwerkstoffe eröffnen nicht nur im Leichtbau neue Perspektiven, sie können auch Motorenlärm dämpfen, Optiken präziser machen und Schäden wie zum Beispiel Risse in Bauteilen erkennen.

Um intelligente Bauteile herzustellen, müssen Sensoren, Regler und Aktuatoren in einem Verbundwerkstoff integriert werden: Sensoren messen die Schwingungen, Regler berechnen die notwendigen Veränderungen und Aktuatoren führen die Verformungen aus. Für derartige Anwendungen sind aktivierbare Materialien wie Piezoelektrika besonders gut geeignet. Sie wandeln mechanische Verformungen in elektrische Signale um und umgekehrt. Piezoelemente konventioneller Bauart - etwa piezoelektrische Folien - stören jedoch die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe. "Die einzige Möglichkeit, Sensoren und Aktoren strukturkonform zu integrieren, sind sehr dünne Fasern aus Blei-Zirkonat-Titan-Fasern (PZT-Fasern)", erläutert Dipl.-Chem. Dieter Sporn vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC. Forschern aus dem ISC ist es gelungen, über das Sol-Gel-Verfahren besonders homogene und reine PZT-Fasern zu synthetisieren. Diese müssen ansteuerbar in einen Verbundwerkstoff eingebettet werden. Wertvolle Vorarbeit hat hier der Fraunhofer-Verbund "PZT-Faser-Funktionswerkstoffe" geleistet: Unter der Federführung des ISC haben die Fraunhofer-Institute für Keramische Technologien IKTS, für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM, für Werkstoffmechanik IWM und für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP fasertechnische Funktionsmodule entwickelt.

Das Bundesforschungsministerium fördert diese zukunftsträchtige Technologie als eines seiner Leitprojekte. Unter der Federführung des Instituts für Strukturkeramik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt arbeitet der Fraunhofer-Verbund an dem Projekt "Adaptive Faserverbundstrukturen für den Leichtbau" mit. "Seit das Leitprojekt vor knapp einem Jahr gestartet wurde, haben wir schon einige Fortschritte erzielt", zieht Dieter Sporn eine erste Zwischenbilanz. So ist es den Fraunhofer-Forschern gelungen, piezoelektrische Kenndaten der PZT-Fasern wie die Ladungskonstante um den Faktor 3 zu erhöhen. "Die Weich-PTZ-Fasern erzeugen bei mechanischen Veränderungen die dreifache elektrische Ladungsmenge. Daher brauchen wir weniger Fasern, um einen Sensor herzustellen", berichtet Sporn.

Ein futuristisches Einsatzgebiet für "intelligente" Werkstoffe ist der Flugzeugbau: Adaptive Flügel können sich mit Hilfe von Sensoren und Aktuatoren optimal an den jeweiligen Flugzustand anpassen, störende Schwingungen dämpfen und etwaige Schäden erkennen. Ein erster Schritt zu einem künftigen adaptiven Flügel ist den Fraunhofer-Forschern bereits gelungen: Die Entwicklung eines Impact-Sensors. Dieser kann Schwingungen messen, die durch einen Schlag (Impact) oder Druckwechsel verursacht werden. Integriert in eine Tragfläche könnten solche Impact-Sensoren zum Beispiel den Aufprall eines Vogels oder die Verbiegung der Tragfläche im Normalbetrieb ortsaufgelöst und quantitativ anzeigen. Langfristiges Ziel ist es, Faser-Aktuatoren zu entwickeln, die auf die veränderte Situation reagieren können.

Wie ein solcher Flugzeugflügel der Zukunft arbeiten könnte, zeigen die Forscher auf Hannover Messe von 19. - 24. April in Halle 4, Stand F12. Dort ist das Modell einer Tragfläche aufgebaut, in die Impact-Sensoren integriert sind. Trifft ein kleiner Hammer oder ein Federball auf die Sensoren, wandeln diese die mechanische Energie in elektrische Spannung um.

Der Fraunhofer-Verbund "PZT-Faser-Funktionswerkstoffe" hat sich nach dem Start des Leitprojekts neuen Feldern zugewandt: Er entwickelt neue Werkstoffe für die passive Schwingungsdämpfung sowie neuartige Ultraschallwandler auf der Basis von PZT-Fasern.

Ansprechpartner:

Dipl.-Chem. Dieter Sporn
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
Neunerplatz 2, D-97082 Würzburg
Telefon 09 31/41 00-4 00, Telefax 09 31/41 00-4 98
email: sporn@isc.fhg.de
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