Forschungsprojekte

Integration von Piezo-Aktoren

Adaptronische Komponenten in Karosseriestrukturen, wie z. B. flächige piezo-elektrische Wandler, ermöglichen einen aktiven Eingriff in das Schwingungsverhalten von Bauteilen. Zudem lassen sich die Wandler gleichzeitig als Sensoren für das umgebende Deformationsgeschehen nutzen. Unerwünschte Schwingformen werden sofort erkannt und beseitigt. Bei einem Fahrzeugaufprall können die Sensoren, als Bus-System verschaltet, auch Schwere und Art eines Crash-Lastfalls detektieren und geeignete Gegenmaßnahmen einleiten.

Konventionelle Applikationsmethoden - manuell oder teilautomatisiert - für aktive Piezo-Aktoren sind sehr zeit- und kostenintensiv, da die Regelkomponenten nach der Formgebung auf die Strukturbauteile aufgebracht werden müssen. Ein breiter Einsatz dieser Bauteile in Hocheffizienz-Fertigungsbereichen wie dem Automobilbau wird dadurch verhindert. Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB/TR39 PT-PIESA untersucht das Fraunhofer IWU, wie Prozessketten gestaltet sein müssen, um solche Bauteile in Serienfertigung herzustellen.

Ein Lösungsansatz besteht in der Integration der aktiven Wandler vor der Umformung in das Blechhalbzeug. Der flächige Piezo-Aktor bildet zusammen mit den umzuformenden Blechen einen Verbund, der z. B. durch Tiefziehen in die endgültige Form gebracht wird. Die automatisierte Prozesskette wird hiermit entscheidend verkürzt - bei komplex gekrümmten Teilen ist mit dieser Methode eine Applikation von flächigen Aktoren überhaupt erst durchführbar.

Auf das Wandlerbauteil wirken hierbei die Belastungen des Umformschrittes. Im Projekt werden neben der experimentellen Bestimmung von Prozessgrenzen auch die Beanspruchungen der Aktorbauteile mithilfe der numerischen Simulation bestimmt. Es werden Methoden bereitgestellt, mit denen eine durchgängige Auslegung der Fertigungsprozessschritte und -parameter einerseits und eine rechnerische Bestimmung der späteren aktorischen/sensorischen Bauteilfunktion andererseits schon zum Zeitpunkt der Produkt- bzw. Fertigungsplanung ermöglicht wird.

Bereits bei der Bauteilfertigung lassen sich die integrierten Sensoren zur Prozessüberwachung einsetzen und eröffnen völlig neue Möglichkeiten der Qualitätssicherung. Aber auch über der Fahrzeuglebensdauer können sicherheitsrelevante Bauteile gezielt überwacht werden (Health Monitoring).

© Fraunhofer IWU

Tiefziehbauteil mit integriertem Piezo-Aktor, gefertigt aus intelligentem Blechhalbzeug (li.: Experiment, re.: numerische Simulation)