3D-gedruckte Aktuatoren und Sensoren per Knopfdruck

Piezoelektrische Wandler sind bekannt dafür, dass sie sowohl sensorisch als auch aktuatorisch zum Einsatz kommen können. Als Sensoren wandeln sie mechanische Leistungen in elektrische um und als Aktuatoren umgekehrt. Optimal erfolgt die Leistungsübertragung im Fall einer Impedanzanpassung. Dazu müsste der piezoelektrische Wandler perfekt an seine strukturelle Umgebung angepasst sein. Aufgrund der Unterschiedlichkeit der mechanischen Eigenschaften von piezoelektrischen Funktionswerkstoffen und passiven Konstruktionswerkstoffen ist eine breitbandige Impedanzanpassung allein durch die Materialwahl nicht zu erreichen, aber durch die Bauweise.

Die entscheidende Idee ist, bei der strukturdynamischen Auslegung nun auch komplexe Wandlergeometrien zuzulassen. Mit Hilfe der additiven Fertigung erfolgt die Realisierung des Wandlerdesigns. Völlig neue Aktuator- und Sensorbauweisen werden durch den 3D-Druck möglich – sozusagen per Knopfdruck. Die Voraussetzung dabei ist, dass es gelingt, auch die piezoelektrischen Funktionswerkstoffe, die Elektroden und die Zuleitungen zu drucken. Realisiert  wurde dies bei den Promotionsarbeiten im Rahmen Promotionsprogramm des Campus Funktionswerkstoffe und -strukturen, einem wissenschaftlichen Forschungsverbund des DLR mit der TU Clausthal und der BAM in Berlin.

Die ersten 3D-gedruckten piezoelektrischen Funktionsmuster sind dreischichtige Flächenwandler aus dem piezoelektrischen Polymer PVDF (Polyvinylidenfluorid). Die mitgedruckten Elektroden bestehen aus mit Graphen angereichertem PVDF. Zwischen ihnen entsteht das zum Wandlerbetrieb erforderliche elektrische Feld. Auch bestehen die Zuleitungen und die Anschlüsse aus diesem Materialsystem. Der 3D-Druck erfolgte auf Basis des Fused Deposition Modeling (FDM-Verfahren). Die Polarisierung der piezoelektrischen Schicht erfolgt mit einer Feldstärke von etwa 15 MV/m in einem zweiten Prozess. Bei Bedarf lässt sich auch ein elektrisch isolierendes Gehäuse aus dem Polymer PLA (Polylactid) drucken. Diese ersten Druckerzeugnisse belegen nur die grundsätzliche Herstellbarkeit von Piezowandlern durch die additive Fertigung, noch nicht die Realisierung leistungsangepasster Wandler. Das erfolgt in einem weiteren Entwicklungsschritt, bei dem hoch-komplexe Wandlertopologien, wie z. B. gyroid-ähnliche Strukturen, im Fokus stehen. Sie sollen eine Alternative zu den konventionellen Stapel-Bauweisen wahrnehmen. Für die strukturdynamische Anpassung stehen mehrere Auslegungsparameter zur Verfügung: die Periodenlänge (Gitterkonstante) der dreifach-periodischen Bauweise, die Dicke der gyroidalen Membrane und auch die Ausführung als mehrschichtige Stegform.

Neue Verfahrensweisen des adaptiven Leichtbaus stehen bereit für eine Reihe von technischen Anwendungen:

• aktive helikoidale Schallabsorber in luftdurchströmten Rohren,
• aktive Systeme zur Reduktion von Druckpulsationen in Leitungen
• piezoelektrische Wabenaktuatoren und -sensoren,
• strukturintegrierte Sensoren zur Erfassung aerodynamischer Größen
• modifiziert-katenoidale Schallwandler,
• einstellbare Zweikreisresonanzabsorber,
• piezoelektrische Rotationsaktuatoren und -sensoren.
• schwingungsfreie Lagerungssysteme
• photronische^© Bauelemente (optomechanische Strukturen)
• endoprothetische Bauteile

Das Erreichen der Vision, eine adaptive Struktur mit strukturintegrierten Aktuatoren und Sensoren vollständig 3D-zu drucken, ist sichtbar.

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