ERANET Herstellungsmethoden für die Integration von piezoelektrischen Sensoren in Verbundwerkstoff-Bauteilen zur vorausschauenden Wartung sowie Piezo-/ und MEMS Sensoren in Industrielagern (MANUNET-PI2MAP)

Problemstellung
Verbundwerkstoffe für Anwendungen im Automobilbereich sind im Zuge der Senkung des CO2-Ausstoßes von wachsender Bedeutung. Die Verwendung von Leichtbaukomponenten an tragenden und sicherheitskritischen Teilen, wie z.B. an der Karosserie oder an Radaufhängungen, gerät jedoch an ihre Grenzen, da die technologische Zuverlässigkeit bislang nicht konsequent überprüft werden kann. Ähnlich verhält es sich bei Lagern, die in Windrädern verbaut sind. Deren Austausch erfolgt erst bei tatsächlichem Funktionsabbruch und ist mit hohen Ausfallzeiten und Kosten verbunden. Zuverlässige, vernetzte Sensoren, die bereits in den jeweiligen Bauteilen integriert sind, haben das Potenzial, die vorausschauende Wartung von Maschinen und Bauteilen in Echtzeit und vor einem Ausfall zu ermöglichen.

Ziel
Ziel des Forschungsprojekts PI2MAP ist die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für die Integration von sogenannten Piezosensoren in Leichtbauteile. Durch die Piezotechnologie können Änderungen in der Struktur elektrisch messbar gemacht und weitergeleitet werden. Das erarbeitete Produktionsverfahren für Leichtbauteile soll im industriellen Maßstab anwendbar sein, um die Nutzung der Technologie in verschiedenen Schlüsselsektoren zu ebnen.

Vorgehensweise
Im Fokus der Entwicklung steht zunächst die Erarbeitung einer Gesamtmethodik zum Entwerfen und Herstellen von integrierten Sensoren, die produktspezifisch die Prozesskette vom Design bis zum Einsatz im Endprodukt abbildet. Sensoren sollen die Produkte zu „smarten“ Bauteilen machen, die in Echtzeit Daten zu ihrem Einsatz und Betrieb liefern. Zur Überprüfung der Unversehrtheit der Bauteile und um Voraussagen darüber liefern zu können, in welchem Zeitraum Verschleiß zu erwarten ist, werden unter Berücksichtigung der Parameter Zuverlässigkeit, Qualität, Leistung und Kosten geeignete Methoden zur Interpretation der Sensordaten entwickelt und getestet. Zur technischen Verwirklichung wird das Konsortium IT-Werkzeuge, wie CAD, CAE, Simulationsprogramme und computergesteuerte Messungen, entwickeln und einsetzen. Der Gebrauch der Piezosensoren sowie die Methoden zur Auslegung, Zustandsprüfung und Vorhersagen werden anhand von zwei definierten Fallstudien untersucht, einer Rad-Aufhängung von Kraftfahrzeugen und eines Federbeinlagers.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Weltweit werden ca. 100 Millionen Fahrzeuge pro Jahr gebaut, bei denen in Zukunft ein hoher Anteil an Faserverbundwerkstoff-Bauteilen zu erwarten ist, insbesondere für tragende Teile und Radaufhängungen. Ähnliche Beispiele lassen sich für die Windenergie, Luftfahrtindustrie und den allgemeinen Maschinenbau anführen. Ebenso finden Lager bei Motor-Antrieben, Turbinen, Getrieben und Pumpen breite Anwendung und damit einen potenziell großen Einsatzbereich. Zur Umsetzung des Projekts arbeiten deutsche und italienische Unternehmen mit Unterstützung eines Forschungspartners fachdisziplinübergreifend zusammen, um die Kompetenzen auf dem Gebiet der Materialüberwachung zu bündeln und international zu stärken. Die Nutzung der PI2MAP-Ergebnisse wird helfen die Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten europäischen Unternehmen zu steigern sowie neue Marktperspektiven zu eröffnen.

• Fractal-Technologies Dr.-Ing. Thomas Reul GmbH
• Rollax GmbH & Co. KG