Auf dem Weg zu intelligenten Werkstoffen

Nach dem Vorbild der Natur wollen Forscher und Techniker Materialien entwickeln, die sich mit Hilfe von integrierten Sensoren, Aktuatoren und Regelungstechnik selbstständig an ihre Umwelt anpassen. Diese adaptiven Werkstoffe eignen sich, Schwingungen zu dämmen, Lärm zu reduzieren oder Treibstoff zu sparen. Im Institutionen übergreifenden Forschungsverbund »Adaptronik« werden Grundlagen und Anwendungen für diesen Typ intelligenter Materialien entwickelt. Für seine herausragenden wissenschaftlichen Leistungen und seine beispielhafte Kooperation erhält dieser Forschungsverbund den mit 100 000 DM dotierten Wissenschaftspreis des Stifterverbands.

Um Ressourcen zu schonen und den Energieverbrauch zu reduzieren, wird intensiv an neuen, leichten Werkstoffen gearbeitet. Doch je leichter die Bauteile sind, desto stärker vibrieren sie und machen Lärm. Die intelligenten, adaptiven Werkstoffe können hier Abhilfe schaffen: Sensoren registrieren, wann das Material in Schwingung gerät. Das Sensorsignal wird von einem Regler verarbeitet, der die Aktuatoren so ansteuert, dass die Bewegung umgehend abgedämpft wird. Fünf Fraunhofer-Institute entwickelten gemeinsam die Grundlage für die zukünftigen smarten Materialien: mikrometerfeine piezoelektrische Fasern. Im BMBF-Leitprojekt »Adaptronik«, das vom Institut für Strukturmechanik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR geleitet wird, arbeiten die Fraunhofer-Forscher gemeinsam mit Ingenieuren aus der Industrie und anderen Forschungseinrichtungen daran, bis 2005 marktreife Produkte zu entwickeln.

Keramische Piezofasern sind die Materialien der Wahl. Sie setzen mechanische oder thermische Spannungen in elektrische Signale um. Wird umgekehrt eine elektrische Ladung angelegt, können sich die Fasern dehnen oder zusammenziehen. Dieser Effekt wird seit Jahren beispielsweise beim Betrieb von Sensoren und Aktuatoren in der Mikrosystemtechnik und von Ultraschallwandlern in der Medizintechnik genutzt. »Das Problem war, hinreichend dünne piezoelektrische Fasern herzustellen, die dann strukturkonform und ansteuerbar in einen Verbundwerkstoff eingebettet werden können«, erläutert Dieter Sporn vom ISC. »Sie dürfen die Eigenschaften der Materialien – etwa Festigkeit und Steifigkeit – nicht beeinträchtigen.« Nur so bleiben die Vorteile der Leichtbau-Verbundwerkstoffe erhalten.

Unter der Federführung des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC entwickelten die Fraunhofer-Institute für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe IKTS, Angewandte Materialforschung IFAM, Werkstoffmechanik IWM und Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in der Fraunhofer-Allianz »Piezofaser-Verbundwerkstoffe« funktionsfähige PZT-Fasermodule. Voraussetzung dafür sind zunächst qualitativ hochwertige Blei-Zirkonat-Titanat-Fasern. Mit der Sol-Gel-Technik kann das ISC solche dünnen PZT-Fasern in hoher Reinheit, Homogenität und exakter Zusammensetzung herstellen. Am IFAM stehen Mikromontage-, Mikrokleb- und Elektrodierungstechniken bereit, mit denen die PZT-Fasern einzeln und parallel zueinander in einem Array ausgerichtet und kontaktiert werden. Werkstoffsimulationen aus dem IWM sowie Werkstoffkonzepte und elektrische Messungen aus dem IKTS lieferten wichtige Ergebnisse für den Aufbau des Materials. Der komplette Verbundwerkstoff besteht aus Stapeln aktiver und passiver Einzelschichten und besitzt sowohl sensorische als auch aktuatorische Eigenschaften.

Das Anwendungsspektrum der adaptiven Verbundwerkstoffe reicht weit. Ein wesentliches Einsatzgebiet ist die aktive Schwingungsdämmung und damit gleichzeitig oft auch die aktive Lärmreduktion: Denn das Material spürt störende Schwingungen, beispielsweise in Lokomotiven, Flug- und Fahrzeugen sofort und kann sie unmittelbar dämpfen. »Im Verbundprojekt haben wir beispielsweise für VW einen Prototypen für ein adaptives PKW-Dachblech entwickelt«, erläutert Prof. Dr. Elmar Breitbach von der DLR. »Damit können wir den Gewichtsvorteil der Leichtbauwerkstoffe nutzen, aber gleichzeitig den Komfort für die Insassen erhöhen, denn der Lärmpegel im Fahrzeug wird dadurch enorm sinken.« Andere Anwendungen sind etwa Satellitenantennen, die sich im Orbit von selbst nachjustieren. Außerdem lässt sich mit Hilfe adaptiver Werkstoffe die Lärmbelastung von Patienten in großen Magnetresonanz-Untersuchungsgeräten wie Tomographen reduzieren. Und nicht zuletzt die adaptive Optik: Damit die Lithographieverfahren in der Chipherstellung im Nanometerbereich arbeiten können, werden Mikrospiegel eingesetzt. Mit adaptiven Werkstoffen gelingt die Feinstpositionierung der Spiegel.

Dank der Arbeiten, die im Leitprojekt Adaptronik vorangetrieben werden, hat Deutschland in Sachen »smart materials« eine Spitzenposition im internationalen Wettbewerb erreicht. Denn auch in Japan und den USA arbeiten Wissenschaftler daran, piezoelektrische Fasern in Verbundwerkstoffe zu integrieren, um intelligente Werkstoffe zu erhalten.

Wissenschaftspreis des Stifterverbands
Der Stifterverband versteht sich als Mittler zwischen Wirtschaft und Wissenschaft. Dieses Jahr hat er zum ersten Mal einen mit 100 000 DM dotierten Preis für die Fraunhofer-Gesellschaft ausgeschrieben.
Dieser Preis zeichnet wissenschaftlich exzellente Verbundprojekte der angewandten Forschung aus, die Fraunhofer-Institute gemeinsam
mit der Wirtschaft und / oder anderen Forschungsorganisationen bearbeiten.
Der Preis des Stifterverbands wird dem Forschungsverbund aus der Fraunhofer-Allianz »Piezofaser-Verbundwerkstoffe« und Partnern aus Industrie und Forschung verliehen, die gemeinsam im Leitprojekt
»Adaptronik« unter Federführung des Instituts für Strukturmechanik des DLR arbeiten. Ein Konsortium aus insgesamt 21 Partnern entwickelt adaptive Strukturen für den Leichtbau. Dieses Projekt ist ein Paradebeispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit. Den Grundstein für die kommenden Produkte legten die Arbeiten von fünf Fraunhofer-Instituten: Ohne deren piezoelektrische Werkstoffe sind die neuen Anwendungen nicht realisierbar. Die Industrie zeigt großes Interesse und arbeitet bereits an vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Auto, Luft- und Raumfahrttechnik, Optik, Medizintechnik und Maschinenbau.