Integration von Piezosensorik in Aluminiumbleche für das Structural Health Monitoring

Die direkte Integration von Piezokeramik-Fasern in die Oberfläche von Blech ist ein neuer Ansatz zur Herstellung aktiver Werkstoffverbunde, sogenannter Smart Materials. Der vorliegende Beitrag beschreibt das Funktionsprinzip und die prototypische Umsetzung direkt integrierter Piezokeramik-Fasern am Beispiel des Aufbaus von Piezo-Metall Sensormodulen, welche zukünftig für das Structural Health Monitoring eingesetzt werden sollen. Durch einen Mikroumformprozess werden in die Oberfläche von Aluminiumblechen Mikrokavitäten mit den Abmaßen 0,3 × 0,3 × 10 mm3 eingebracht. Im Anschluss werden elektrodierte und polarisierte Piezokeramik-Fasern mit einer Querschnittsfläche von 0,26 × 0,27 mm² in einem Mikromontageprozess in die Kavitäten eingelegt und umformtechnisch gefügt. Wesentliche Herausforderung ist neben den kleinen Abmessungen der Piezokeramik-Fasern und Kavitäten die Einhaltung enger Toleranzen. Es wurde ein Aluminiumblech mit integrierter Piezosensorik aufgebaut und der Funktionsnachweis erbracht. Durch eine dynamische Erregung des Bleches wurde eine zum Auslenkungssignal proportionale Ladung generiert. So konnte die Sensorfunktion und damit die Funktion der mechanischen Ankopplung der Piezokeramik an das Blech erfolgreich nachgewiesen werden.