Werkstoffe 10.11.2000, 17:27 Uhr

Adaptive Werkstoffe stabilisieren den Leichtbau

Nach dem Vorbild der Natur werden Ma-terialien entwickelt, die sich mit Hilfe von integrierten Sensoren, Aktuatoren und Regelungstechnik an ihre Umwelt anpassen. Den Grundstein für diese Zukunftsprodukte legte ein Forschungsverbund mit fünf Fraunhofer-Instituten.

Adaptive 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 wissenschaftlichen Leistungen und Kooperation erhielt dieser Forschungsverbund am 25. Oktober in Berlin den mit 100 000 DM dotierten Wissenschaftspreis des Stifterverbands.
Im BMBF-Leitprojekt „Adaptronik“, das vom Institut für Strukturmechanik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR geleitet wird, arbeiten Fraunhofer-Forscher gemeinsam mit Ingenieuren aus der Industrie und anderen Forschungseinrichtungen daran, smarte Materialien, mikrometerfeine piezoelektrische Fasern zu entwickeln. Bis 2005 sollen Produkte marktreif sein.
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.
„Das Problem war, hinreichend dünne piezoelektrische Fasern herzustellen, die dann strukturkonform und ansteuerbar in einen Verbundwerkstoff eingebettet werden können“, erläutert Dieter Sporn vom Fraunhofer-Institut für Silikatforschung (ISC), Würzburg. „Die Fasern dürfen die Eigenschaften der Materialien – etwa Festigkeit und Steifigkeit – nicht beeinträchtigen.“ Nur so bleiben die Vorteile der Leichtbau-Verbundwerkstoffe erhalten.
Unter der Federführung des ISC entwickelten das Fraunhofer-Institute für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS),Dresden, Angewandte Materialforschung (IFAM),Bremen, Werkstoffmechanik (IWM), Freiburg und Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZEP), Saarbrücken, in der Fraunhofer-Allianz „Piezofaser-Verbundwerkstoffe“ funktionsfähige Fasermodule.
Voraussetzung dafür sind Blei-Zirkonat-Titanat-Fasern. Mit der Sol-Gel-Technik kann das ISC dünne Fasern in hoher Reinheit, Homogenität und exakter Zusammensetzung herstellen. Am IFAM stehen Mikromontage-, Mikro-Kleb- und Elektrodierungstechniken bereit, mit denen die 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.
„Im Verbundprojekt haben wir z. B. für VW den Prototypen eines adaptiven Pkw-Dachblechs 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 Lärm durch Schwingungen wird dadurch enorm sinken.“
Andere Anwendungen sind 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 Hightech-Nanometerbereich arbeiten können, werden Mikrospiegel eingesetzt. Mit adaptiven Werkstoffen gelingt die Feinstpositionierung der Spiegel. B.KOCH/Käm

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