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Öffentlich geförderte Projekte

Messverfahren zur Charakterisierung der frequenzabhängigen Materialeigenschaften von Piezokeramiken... (DFG)

Projekttitel:

Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung der frequenzabhängigen Materialeigenschaften von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen Probekörperindividuums (ChaMP, FKZ: HE 2897/8-1)

Kurzfassung:

Zur vollständigen Bestimmung eines Materialparametersatzes für Piezokeramiken wird bis heute ein Verfahren verwendet, welches auf der Vermessung von fünf in der Geometrie verschiedenen und unterschiedlich prozessierten Materialproben basiert. Da die Herstellungsschritte die Materialeigenschaften jedoch deutlich beeinflussen, kann dieses Vorgehen somit nur zu einem inkonsistenten Materialparametersatz führen. Hieraus ergeben sich zum Teil recht große Abweichungen zwischen Simulation und Experiment. Die bisherige Verfahrensweise, mehrere Materialproben einzusetzen, resultiert aus der Tatsache, dass je nach Probengeometrie nicht alle Materialparameter gleichermaßen das Ergebnis der Materialcharakterisierung beeinflussen. So zeigt zum Beispiel die Impedanzmessung an einer Piezokeramikscheibe mit vollflächigen Elektroden nur eine geringe Sensitivität für die radiale Komponente des Permittivitätstensors. Der zunehmende Einsatz von Simulationswerkzeugen zum Sensordesign sowie der Einsatz vorzugsweise kleiner piezokeramischer Bauelemente machen die Charakterisierung aller Materialparameter an der jeweiligen konkreten Geometrie des piezokeramischen Bauelementes zwingend notwendig. Die Bestimmung eines solchen konsistenten Materialparametersatzes ist eine entscheidende Voraussetzung für den Entwurf optimierter piezokeramischer Schallwandler (z. B. Sensor Arrays, Annular Arrays oder Interdigital-Schallwandler). Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll daher ein Messverfahren entwickelt werden, welches die Bestimmung aller relevanten Materialparameter bzw. eines konsistenten Materialparametersatzes an einem einzelnen Probekörper gewährleistet. In Zusammenarbeit haben beide Projektpartner bereits gezeigt, dass sich die Sensitivität der Messung auf alle Materialparameter durch die Verwendung von Piezokeramikscheiben mit drei ringförmig strukturierten Elektroden signifikant steigern lässt. Durch zwei konzentrische Elektroden auf der gleichen Seite der Piezokeramik können so zum Beispiel auch elektrische Felder in radialer Richtung im Probekörper erzeugt werden, was die gesteigerte Sensitivität erklärt. Aufgrund der hohen Komplexität des Messaufbaus ist eine analytische Berechnung aller Materialparameter aus den Messergebnissen nicht direkt möglich. Es wird daher ein inverser Ansatz verwendet, bei dem der Verlauf der frequenzabhängigen Impedanz der Piezokeramik mit FEM-Simulationsergebnissen verglichen wird. Mit Hilfe von ableitungsbasierten Optimierungsalgorithmen werden die Parameter des Modells angepasst, bis Mess- und Simulationsergebnisse bestmöglich übereinstimmen.

Projektlaufzeit: 2017 - 2020

Ermittlung des hydrothermischen Alterungsverhaltens endlosfaserverstärkter Thermoplaste ... II (DFG)

Projekttitel

Ermittlung des hydrothermischen Alterungsverhaltens endlosfaserverstärkter Thermoplaste und Entwicklung eines ultraschallbasierten Messsystems zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Alterungszustands für die Komponentenüberwachung und Restlebenszeitprädiktion (EHATUS II, FKZ: HE 2897/6-2)

Kurzfassung

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen die Erkenntnisse, die in den ersten beiden Projektjahren für homogene Polymere gewonnen wurden, auf endlosfaserverstärkte Kunststoffe übertragen werden. Ziel ist, die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Faserverbundkunststoffen auf Basis akustisch bestimmter Kenngrößen, und damit zerstörungsfrei, zu ermöglichen. Dabei wird insbesondere auch die alterungsbedingte Änderung dieser Eigenschaften betrachtet.

Zunächst wird, unterstützt von experimentellen Ergebnissen, ein mathematisches Modell der Zusammenhänge mechanisch und akustisch bestimmter Kenngrößen formuliert und anschließend validiert. Dabei werden insbesondere auch molekulare Effekte (z.B. Depolymerisation) berücksichtigt. Dieses Modell dient der zerstörungsfreien Charakterisierung des aktuellen Materialzustandes. Die Experimente erfolgen an künstlich gealterten Proben mit unterschiedlicher Konfiguration (Anzahl Gewebelagen, Faserorientierung und –bindung, Matrixmaterial etc.). Des Weiteren wird das zeitabhängige Alterungsverhalten anhand entsprechender Kenngrößen und unter Berücksichtigung der Probenkonfiguration modelliert, um eine mathematische Basis für die Prädiktion des Alterungsverlaufes sowie zukünftig auch der Restlebensdauer des Materials zu bilden.

Mögliche Praxisanwendungen bestehen in der zerstörungsfreien Prüfung von (verbauten) Komponenten, die sowohl offline (nach festgelegten Wartungsintervallen) als auch online (quasi-kontinuierlich) erfolgen kann. Speziell für sicherheitsrelevante Anwendungen, beispielsweise im Flug- und Fahrzeugbau, ist dies von großer Bedeutung.

Projektlaufzeit: 2016 - 2018

Ermittlung des hydrothermischen Alterungsverhaltens endlosfaserverstärkter Thermoplaste ... (DFG)

Projekttitel

Ermittlung des hydrothermischen Alterungsverhaltens endlosfaserverstärkter Thermoplaste und Entwicklung eines ultraschallbasierten Messsystems zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Alterungszustands für die Komponentenüberwachung und Restlebenszeitprädiktion (EHATUS, FKZ: HE 2897/6-1)

Kurzfassung

Basierend auf der Erweiterung des grundlegenden Materialverständnisses endlosfaserverstärkter Thermoplaste insbesondere bezüglich ihres Alterungsverhaltens, soll im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens ein ultraschallbasiertes Messsystem zur zerstörungsfreien Charakterisierung des Alterungszustands entwickelt werden.

Materialspezifisch werden die Einflussgrößen Temperatur und Feuchtigkeit sowie der Grad der Vorschädigung untersucht. Es werden die unterschiedlichen Arten der Schädigung und ihr Einfluss auf die mechanischen Werkstoffkennwerte ermittelt. Weiterhin wird basierend auf dem erarbeiteten Materialverständnis der Zusammenhang zwischen akustisch- und mechanisch-charakterisiertem Alterungszustand bestimmt, um daraus Ansätze zur Inline-Restlebensdauerprädiktion mittels zerstörungsfreier Prüfung zu entwickeln.

Dazu werden in mehreren Arbeitsschritten die durch die Alterung auftretenden physikalischen und chemischen Materialveränderungen ermittelt und charakterisiert. Parallel wird eine Datenbasis mit mechanischen (Zugfestigkeit, E-Modul, Schlagzähigkeit) und akustischen Materialkennwerten (richtungs- und frequenzabhängige Schallgeschwindigkeiten bzw. Dämpfung, etc.) aufgebaut. Auf Grundlage dieser Datenbasis wird ein Modell erstellt, welches eine Verknüpfung des zerstörungsfrei ermittelbaren akustisch charakterisierten Alterungszustands mit dem nur durch zerstörende Prüfungen ermittelbaren mechanischcharakterisierten Alterungszustand ermöglicht. Die anhand dieses Forschungsantrags gewonnenen Erkenntnisse können als Grundlage dienen, den Einsatz von endlosfaserverstärkten Thermoplasten in sicherheitsrelevanten Serienanwendungen, wie z.B. dem Automobilbereich, zu steigern bzw. ein breiteres Anwendungsspektrum endlosfaserverstärkter Thermoplaste zu ermöglichen.

Projektlaufzeit: 2014 - 2016

Bestimmung komplexer akustischer Materialkenngrößen (DFG)

Projekttitel

Bestimmung komplexer akustischer Materialkenngrößen (BeKAM, FKZ: HE 2897/3-1)

Kurzfassung

Das für 3 Jahre durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderte Projekt BeKAM (Bestimmung komplexer akustischer Materialkenngrößen) konnte Anfang des Jahres abgeschlossen werden. Ziel des Forschungsvorhabens war die Realisierung eines ultraschallbasierten Messsystems zur Materialparameterbestimmung viskoelastischer polymerer Werkstoffe. Der zunehmende Einsatz solcher Werkstoffe führt im Bereich der ultraschallbasierten Mess- und Prüftechnik sowohl zu neuen Möglichkeiten als auch zu erschwerenden Faktoren. So bieten Kunststoffe erheblich mehr Freiheitsgrade bei der synergetischen Gestaltung konstruktiver sowie akustisch funktionaler Elemente. Nachteilig sind ihre deutlich komplexeren akustischen Eigenschaften. Die frequenz- und meist richtungsabhängige Schallgeschwindigkeit, Dämpfung und Kennimpedanz variieren, anders als bei Metallen, deutlich mit der Temperatur, dem Alter oder dem Wassergehalt. Die Bandbreite dieser Schwankungen galt es im Vorfeld der Entwicklung zu erfassen und bspw. bei der Dimensionierung eines ultraschallbasierten Sensors oder der Beurteilung eines polymeren Prüfkörpers zu berücksichtigen. Solche Materialkenngrößen sind gegenwärtig weder standardisiert noch im notwendigen Umfang verfügbar. Mit einem wellenleiter-basierten Messverfahren wurden alle akustisch relevanten Materialkenngrößen anhand einer einzigen vorkonditionierten, standardisierten Probe bestimmt. Der Hauptanspruch lag dabei in der Berücksichtigung zeitkausaler Modellierung transienter Schallausbreitung auf Ebene der Materialgleichung im Frequenzbereich. Ansatz des Messsystems war die Nutzung der geometrie- und materialspezifischen Dispersion im Wellenleiter. In einem inversen Verfahren wurde dann, bei separat gemessener Geometrie, auf die Materialparameter einer Probe geschlossen.

Projektlaufzeit: 2012 - 2015

Entwicklung eines innovativen zentralen Dosier- und Mischsystems ... (AiF)

Entwicklung eines innovativen zentralen Dosier- und Mischsystems mit integrierter Medienerkennung für Flüssigkeiten mit integriertem Fernwartungssystem (FKZ: 2071416WM1)

Projektlaufzeit: 2012 – 2014

Entwicklung eines standardisierten Ultraschall-Volumenzählers ... (AiF)

Entwicklung eines standardisierten Ultraschall-Volumenzählers für eine berührungslose Durchflussmessung unterschiedlicher Fluide (FKZ: KA0581901WD7)

Projektlaufzeit: 2007 – 2011

Die Universität der Informationsgesellschaft