Kontinuierliche Fertigung von piezoelektrischen hybriden Laminaten für Strukturbauteile

Im Leichtbau hat die Verwendung von hybriden Materialkonzepten in vielen Gebieten an Bedeutung gewonnen. Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung des Leichtbaupotenzials ist die Funktionsintegration. Bisherige Konzepte verfolgten das Ziel, piezoelektrische Elemente auf metallische Halbzeuge zu fügen und weiter zu verarbeiten. Darauf aufbauend werden im vorgestellten Beitrag piezoelektrische Thermoplastfolien mit strukturierten Elektrode auf ein Metallblech kontinuierlich gefügt und anschließend umgeformt. Die wesentliche Komponente des hergestellten hybriden Laminates ist eine funktionalisierte thermoplastische Folie, deren piezoelektrische Funktion durch das ""Eincompoundieren"" eines piezokeramischen Pulvers aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und der Zugabe von Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nano Tubes - CNT) erzeugt wird. Dabei ist die Zusammensetzung des Materials für optimale elektrische und elektromechanische Eigenschaften sowie für eine gute Verarbeitbarkeit im Folienextrusionsverfahren von großer Bedeutung. Dafür wird ein möglichst hoher Füllgrad an PZT, bei gleichzeitig großer Zähigkeit des Compounds angestrebt. Eine weitere Restriktion für die Herstellung der thermoplastischen Folie ist die erreichbare Haftfestigkeit mit dem gefügten Metallblech. Die Bestimmung der optimalen Füge- und Oberflächenbehandlungsparameter erfolgt dabei durch die Ermittlung der interlaminaren Scherfestigkeit zwischen den Metall- und Kunststoffkomponenten. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird ein kontinuierlicher Walzprozess zur Herstellung des Hybridlaminates ausgelegt. Weiterführende Untersuchungen zu den Umformeigenschaften sind auf die optimale Platzierung der Sensoren sowie Anordnung und Form der Elektroden gerichtet. Die Weiterverarbeitung des funktionalen hybriden Halbzeuges erfolgt durch das Walzprofilieren. Anhand eines Demonstrators (U-Profil) wird die Detektion und Lokalisierung von Krafteinwirkungen mit Hilfe eines auf Neuronalen Netzen basierenden Auswertungssystem realisiert. Derartige funktionale hybride Laminate können für neue Bedienkonzepte im Interieur von Kraftfahrzeugen oder für die Strukturüberwachung eingesetzt werden.