Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zu intelligenten Werkstoffen

25.10.2000


Nach dem Vorbild der Natur wollen Forscher und Techniker Materialien entwickeln, die sich mit Hilfe von integrierten Sensoren, Aktuatoren und Regelungstechnik selbstständig an ihre Umwelt anpassen. Diese adaptiven Werkstoffe eignen sich, Schwingungen zu dämmen, Lärm zu reduzieren oder Treibstoff zu sparen. Im Institutionen übergreifenden Forschungsverbund »Adaptronik« werden Grundlagen und Anwendungen für diesen Typ intelligenter Materialien entwickelt. Für seine herausragenden wissenschaftlichen Leistungen und seine beispielhafte Kooperation erhält dieser Forschungsverbund den mit 100 000 DM dotierten Wissenschaftspreis des Stifterverbands.

Um Ressourcen zu schonen und den Energieverbrauch zu reduzieren, wird intensiv an neuen, leichten Werkstoffen gearbeitet. Doch je leichter die Bauteile sind, desto stärker vibrieren sie und machen Lärm. Die intelligenten, adaptiven Werkstoffe können hier Abhilfe schaffen: Sensoren registrieren, wann das Material in Schwingung gerät. Das Sensorsignal wird von einem Regler verarbeitet, der die Aktuatoren so ansteuert, dass die Bewegung umgehend abgedämpft wird. Fünf Fraunhofer-Institute entwickelten gemeinsam die Grundlage für die zukünftigen smarten Materialien: mikrometerfeine piezoelektrische Fasern. Im BMBF-Leitprojekt »Adaptronik«, das vom Institut für Strukturmechanik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR geleitet wird, arbeiten die Fraunhofer-Forscher gemeinsam mit Ingenieuren aus der Industrie und anderen Forschungseinrichtungen daran, bis 2005 marktreife Produkte zu entwickeln.


Keramische Piezofasern sind die Materialien der Wahl. Sie setzen mechanische oder thermische Spannungen in elektrische Signale um. Wird umgekehrt eine elektrische Ladung angelegt, können sich die Fasern dehnen oder zusammenziehen. Dieser Effekt wird seit Jahren beispielsweise beim Betrieb von Sensoren und Aktuatoren in der Mikrosystemtechnik und von Ultraschallwandlern in der Medizintechnik genutzt. »Das Problem war, hinreichend dünne piezoelektrische Fasern herzustellen, die dann strukturkonform und ansteuerbar in einen Verbundwerkstoff eingebettet werden können«, erläutert Dieter Sporn vom ISC. »Sie dürfen die Eigenschaften der Materialien – etwa Festigkeit und Steifigkeit – nicht beeinträchtigen.« Nur so bleiben die Vorteile der Leichtbau-Verbundwerkstoffe erhalten.

Unter der Federführung des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC entwickelten die Fraunhofer-Institute für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe IKTS, Angewandte Materialforschung IFAM, Werkstoffmechanik IWM und Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in der Fraunhofer-Allianz »Piezofaser-Verbundwerkstoffe« funktionsfähige PZT-Fasermodule. Voraussetzung dafür sind zunächst qualitativ hochwertige Blei-Zirkonat-Titanat-Fasern. Mit der Sol-Gel-Technik kann das ISC solche dünnen PZT-Fasern in hoher Reinheit, Homogenität und exakter Zusammensetzung herstellen. Am IFAM stehen Mikromontage-, Mikrokleb- und Elektrodierungstechniken bereit, mit denen die PZT-Fasern einzeln und parallel zueinander in einem Array ausgerichtet und kontaktiert werden. Werkstoffsimulationen aus dem IWM sowie Werkstoffkonzepte und elektrische Messungen aus dem IKTS lieferten wichtige Ergebnisse für den Aufbau des Materials. Der komplette Verbundwerkstoff besteht aus Stapeln aktiver und passiver Einzelschichten und besitzt sowohl sensorische als auch aktuatorische Eigenschaften.


Das Anwendungsspektrum der adaptiven Verbundwerkstoffe reicht weit. Ein wesentliches Einsatzgebiet ist die aktive Schwingungsdämmung und damit gleichzeitig oft auch die aktive Lärmreduktion: Denn das Material spürt störende Schwingungen, beispielsweise in Lokomotiven, Flug- und Fahrzeugen sofort und kann sie unmittelbar dämpfen. »Im Verbundprojekt haben wir beispielsweise für VW einen Prototypen für ein adaptives PKW-Dachblech entwickelt«, erläutert Prof. Dr. Elmar Breitbach von der DLR. »Damit können wir den Gewichtsvorteil der Leichtbauwerkstoffe nutzen, aber gleichzeitig den Komfort für die Insassen erhöhen, denn der Lärmpegel im Fahrzeug wird dadurch enorm sinken.« Andere Anwendungen sind etwa Satellitenantennen, die sich im Orbit von selbst nachjustieren. Außerdem lässt sich mit Hilfe adaptiver Werkstoffe die Lärmbelastung von Patienten in großen Magnetresonanz-Untersuchungsgeräten wie Tomographen reduzieren. Und nicht zuletzt die adaptive Optik: Damit die Lithographieverfahren in der Chipherstellung im Nanometerbereich arbeiten können, werden Mikrospiegel eingesetzt. Mit adaptiven Werkstoffen gelingt die Feinstpositionierung der Spiegel.

Dank der Arbeiten, die im Leitprojekt Adaptronik vorangetrieben werden, hat Deutschland in Sachen »smart materials« eine Spitzenposition im internationalen Wettbewerb erreicht. Denn auch in Japan und den USA arbeiten Wissenschaftler daran, piezoelektrische Fasern in Verbundwerkstoffe zu integrieren, um intelligente Werkstoffe zu erhalten.

Wissenschaftspreis des Stifterverbands
Der Stifterverband versteht sich als Mittler zwischen Wirtschaft und Wissenschaft. Dieses Jahr hat er zum ersten Mal einen mit 100 000 DM dotierten Preis für die Fraunhofer-Gesellschaft ausgeschrieben.
Dieser Preis zeichnet wissenschaftlich exzellente Verbundprojekte der angewandten Forschung aus, die Fraunhofer-Institute gemeinsam
mit der Wirtschaft und / oder anderen Forschungsorganisationen bearbeiten.
Der Preis des Stifterverbands wird dem Forschungsverbund aus der Fraunhofer-Allianz »Piezofaser-Verbundwerkstoffe« und Partnern aus Industrie und Forschung verliehen, die gemeinsam im Leitprojekt
»Adaptronik« unter Federführung des Instituts für Strukturmechanik des DLR arbeiten. Ein Konsortium aus insgesamt 21 Partnern entwickelt adaptive Strukturen für den Leichtbau. Dieses Projekt ist ein Paradebeispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit. Den Grundstein für die kommenden Produkte legten die Arbeiten von fünf Fraunhofer-Instituten: Ohne deren piezoelektrische Werkstoffe sind die neuen Anwendungen nicht realisierbar. Die Industrie zeigt großes Interesse und arbeitet bereits an vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Auto, Luft- und Raumfahrttechnik, Optik, Medizintechnik und Maschinenbau.

Beate Koch |

Weitere Berichte zu: Aktuator DLR Faser Luft- und Raumfahrt Schwingung Sensor Stifterverband Verbundwerkstoff

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Lasertests unter Tiefsee-Bedingungen am LZH
19.06.2018 | Laser Zentrum Hannover e.V.

nachricht Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen
15.06.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics