Projekte

Im Projekt InGuss haben fünf Fraunhofer-Institute mit Kompetenzen aus den Bereichen Gießtechnologie, aktive Strukturtechnologie, Elektronik, Oberflächentechnik und Signalverarbeitung zusammengearbeitet, um eine gießtechnische Integration piezokeramischer Wandler zu realisieren. Durch die direkte Einbindung solcher Komponenten in den Gießprozess können entsprechende piezoaktive Systeme schneller, kostengünstiger und serientechnisch hergestellt sowie einfacher in Bauteile implementiert werden.

Eine Herausforderung im Projekt InGuss ist es, piezokeramische Multilayer-Piezowandler mittels des Aluminiumdruckgussverfahrens direkt und schädigungsfrei in mechanische Bauteile zu integrieren. Dabei ist die hohe thermische Belastung, die auf die piezokeramischen Komponenten während des Vergießens einwirkt, so zu steuern, dass die Komponenten ihre piezoelektrischen Eigenschaften während des Fertigungsprozesses nicht verlieren. Hierbei ist zu beachten, dass die metallische Schmelze eine Temperatur aufweist, die deutlich oberhalb der Curie-Temperatur der piezoelektrischen Wandler liegt. Entsprechend ist der Fertigungsprozess so einzustellen, dass keine technisch kritische Degradation oder gar Depolarisierung der piezokeramischen Wandler eintritt. Um das Potential der Technologie für die Integration sensorischer und aktorischer Funktionen in Leichtmetallgussbauteile aufzuzeigen, wurde eine mit Piezowandlern ausgestattete Fahrradtretkurbel, ein semiaktiver Wellenbock und ein aktives Lager mit Guss-Aktoren umgesetzt.

Sensorische Tretkurbel

Die auf das Pedal einwirkende Gesamtkraft lässt sich in zwei Kraftkomponenten zerlegen: die Wirkkraft und die Verlustkraft. Die Wirkkraft wirkt normal zur Tretkurbel und aus ihr resultiert die Drehbewegung der Kurbel. Sie ist somit die entscheidende Komponente für den Antrieb des Fahrrads. Die Verlustkraft bewirkt keinen Vortrieb und die so eingeleitete mechanische Energie wird innerhalb der Tretkurbel dissipiert. Zur Messung der beiden Kräfte wurden während des Herstellungsgießprozesses zwei piezokeramische Wandler integriert. Eine geeignete Signalaufbereitung und -vorverarbeitung in einem Sensorknoten erlaubt die Trennung beider Piezosignale in Wirk- und Verlustkraft. Per drahtloser Kommunikation werden diese Daten aus dem rotierenden System Tretkurbel an eine externe Einheit übertragen. Die Daten werden dem Fahrer in der Demonstration über ein Display grafisch angezeigt, so dass er sein Tretverhalten analysieren und optimieren kann.

Semiaktiver Wellenbock

Im Projekt wurde eine Schwingungsminderung in einem Wellenbock durch eine semiaktive Tilgung mit Hilfe einer piezokeramischen Wellenlagerung und einer Beschaltung durch einen sogenannten Resonanz-Shunt entwickelt. Die Vorteile der semi-aktiven Shunt-Technik liegen in dem relativ geringen Komplexitätsgrad des Systems, der großen Robustheit und den geringen Kosten sowie der geringen Baugröße der verwendeten Elektronik bei gleichzeitig guter Reduktion der Schwingungsamplituden.

Aktives Lager mit Guss-Aktoren

Die Darstellung der aktorischen Wirksamkeit der vergossenen Wandler erfolgte mittels eines aktiven Lagers zur Vibrationsregelung an mechanischen Strukturen oder zur Vibrationsisolierung von z. B. optischen Messgeräten. Dieses aktive Lager kann die störenden Schwingungen messen und mit Hilfe eines speziellen Reglers und der piezoelektrischen Guss-Aktoren Gegenschwingungen erzeugen, welche das optische System beruhigen und so vom Fundament entkoppeln. Häufig sind solche aktiven Vibrationsisolierungssysteme groß und teuer. Das entwickelte aktive Lager hat bereits alle benötigten Baugruppen (Sensor, Regler, Verstärker und Aktor) integriert und besteht aus kostengünstigen Komponenten.