Design und Herstellung impedanzanpassbarer piezoelektrischer Aktuatoren

Abstract

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung von multifunktionalen Aktuatoren im Kontext des adaptiven Hochleistungsleichtbaus. Diese Aktuatoren nutzen piezoelektrische Materialien, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Die Herausforderung besteht aus der Gestaltung dieser Aktuatoren, sodass eine optimale Leistungsübertragung erfolgen kann. Die Impedanz, die als Quotient von Kraft und Geschwin-digkeit definiert ist, spielt eine zentrale Rolle bei der Anpassung der Aktuatoren an die struk-turelle Umgebung. Die Arbeit untersucht, wie Impedanzfehleinstellungen durch verschiedene Aktuator-Bauweisen kompensierbar sind, um eine effiziente Leistungsübertragung und eine vereinfachte Ansteuerung zu ermöglichen. Es zeigt sich, dass eine Impedanzanpassung zwischen dem Aktuator und der strukturellen Umgebung zu einer effizienten Leistungsüber-tragung führt und sogar die Notwendigkeit einer aktiven Ansteuerung eliminieren kann. Darüber hinaus wird die Möglichkeit der Ermittlung der Blockierkraft eines strukturintegrierten Aktuators bei vollständiger Schwingungsunterdrückung diskutiert. Die Arbeit präsentiert auch eine neue Designmethode, die modal angepasste Aktuator-Topo-logien ermöglicht, um eine breitbandige Impedanzanpassung zu erreichen. Diese Methode führt zu einer erheblichen Reduktion der elektrischen Verlustleistung im Vergleich zu konventio-nellen Aktuator-Bauweisen. Die optimale Form der Aktuatoren ist jedoch lastabhängig. In der Gegenwart dynamischer Lasten sind daher eigentlich zeitvariante Formen erforderlich. Zur Herstellung optimaler leichtbaurelevanten Aktuator-Topologien werden potenzialbasierte Formentstehungsprozesse und kontrollierte Selbstorganisationsvorgänge vorgeschlagen. Diese Methoden ermöglichen die Erstellung von Aktuator-Formen, die zur gewünschten Spannungs-gleichverteilung in belasteten Strukturen führen. Die Arbeit zeigt, dass selbstorganisiert entstehende optimale Leichtbaustrukturen Oberflächen besitzen, die keine Minimalflächen sind und keine konstante mittlere Krümmung aufweisen. Stattdessen gehören diese Topologien zu einer Gruppe von Flächen, die eine vorgegebene Krümmung oder ein vorgegebenes Volumen berücksichtigen. Beispiele für impedanzanpass-bare Aktuator-Topologien umfassen das modifizierte Katenoid, das modifizierte Trinoid und das modifizierte Gyroid. Die additive Fertigung wird als hilfreiches Werkzeug zur Realisierung komplexer Geometrien vorgestellt, wobei die Synthese von piezoelektrischen Materialien wie PVDF+BaTiO3 und PZT diskutiert wird. Die Arbeit schließt mit der Diskussion über die Vorteile der Kombination von Selbstorganisationsprozessen und additiven Fertigungsmethoden. Es wird gezeigt, dass diese Kombination zu einer theoretisch unbegrenzten Oberflächenauflösung führt. Letztlich zeigt diese Arbeit, inwieweit die Kombination von Funktionswerkstoffen mit Funktionsstrukturen vorteilhaft sein kann.