Processing studies for the development of a robust manufacture process for active composite structures with matrix adapted piezoceramic modules

• Autorzy: Hufenbach, W. , Gude, M. , Modler, N. , Heber, T. , Winkler, A. , Friedrich, J.

Warianty tytułu

PL

Badania nad opracowaniem efektywnego procesu wytwarzania aktywnych struktur kompozytowych z dopasowanymi do osnowy modułami piezoceramicznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Active composite structures based on thermoplastic matrix systems exhibit a high application potential for lightweight structures ready for series production, due to the high specific mechanical properties as well as the high design freedom combined with economic and reproducible manufacture processes. Moreover, the integration of additional functional components like material-embedded piezoceramic actuators or sensors in thermoplastic lightweight structures enables a purposeful manipulation of the dynamic and vibroacoustic structural behaviour. Among function integration like quality monitoring or active vibration and noise control, also structural applications for example in morphing structures and compliant mechanisms are possible. Thus fibre-reinforced thermoplastic composites with embedded material adapted piezoceramic modules offer a wide area of new applications. Actually the lack of efficient manufacture processes impeded the spread of these new material systems. The use of adaptive composite structures in series applications requires novel actuators and sensors with related manufacture processes capable for series production. This publication gives a contribution for the development of a robust and efficient manufacture process for such new active composites, which bases on a material and actuator adapted hot pressing technique for the realization of short cycle times. Therefore the main focus is put on experimental and theoretical studies for the integration of piezoceramic elements into fibre-reinforced structures. Besides the evaluation of design and process parameters, the influences of the processing parameters on the ceramic elements are investigated to create an adaptive composite structure without damaging of the brittle ceramic. Basic elements of these studies are new thermoplastic composite compatible piezoceramic modules (TPM), which are predestined for a material homogeneous actuator integration in fibre-reinforced thermoplastic composites by use of a welding process. The investigations show a successful manufacture and embedding of these novel piezoceramic modules into fibre-reinforced structures.

PL

Aktywne struktury kompozytowe bazujące na osnowie termoplastycznej, dzięki swym specyficznym właściwościom mechanicznym oraz łatwości projektowania wraz z ekonomicznym i powtarzalnym procesem wytwórczym, posiadają ogromny potencjał aplikacyjny w seryjnej produkcji struktur lekkich. Ponadto, integracja dodatkowych komponentów, jak wzbudniki piezoceramiczne bądź sensory w lekkiej strukturze termoplastycznej, pozwala na celową ingerencję w jej właściwości dynamiczne oraz wibroakustyczne. Oprócz tego umożliwia monitorowanie zużycia elementów, tłumienie wibracji i kontrolę szumu, ale również może zostać wykorzystana jako aplikacja w strukturach morficznych oraz układach podatnych. Kompozyty z osnową termoplastyczną wzmocnione włóknami ciągłymi wraz z umieszczonymi wewnątrz materiałowo dopasowanymi modułami piezoceramicznymi posiadają ogromny potencjał w zastosowaniach w dziedzinie aktywnych drgań oraz kontroli hałasu. Obecnie brak wydajnego procesu wytwarzania skutecznie hamuje popularyzację tych nowych systemów. Prezentowana publikacja przyczynia się do rozwoju stabilnego i wydajnego procesu wytwarzania tych nowych kompozytów aktywnych, opierającego się na dopasowanej metodzie prasowania na gorąco, pozwalającej na skrócenie czasu cyklu produkcyjnego. Z tego względu główny nacisk położono na badania eksperymentalne i rozważania teoretyczne dotyczące integracji układów piezoceramicznych w strukturach włóknistych. Podstawowym elementem tych badań są nowe moduły piezoceramiczne, kompatybilne z kompozytami termoplastycznymi (TPM), predestynowane do integracji jednorodnych wzbudników w termoplastycznych kompozytach włóknistych. Badania przedstawiają udane próby wytwarzania i wprowadzania tych nowoczesnych modułów piezoceramicznych do struktur wzmacnianych włóknami ciągłymi.

Słowa kluczowe

PL

moduł piezoceramiczny; kompozyt włóknisty; konstrukcja lekka

EN

piezoceramic module; fibre-reinforced composite; lightweight application

• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 9, nr 2
• Strony: 133-137
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys.

Twórcy

autor

Hufenbach, W.

autor

Gude, M.

autor

Modler, N.

autor

Heber, T.

autor

Winkler, A.

autor

Friedrich, J.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), D-01062 Dresden, Germany,

Bibliografia

• [1] Elspass W.J., Flemming M., Aktive Funktionsbauweisen, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg..
• [2] Hufenbach W., Gude M., Modler N., Design and manufacture of advanced piezoceramic actors for the application in novel morphing structures made of fibre-reinforced thermoplastics, 12th International Scientific Conference on the Contemporary Achievements in Mechanics, Manufacturing and Materials Science CAM3S2006, 27th-30th November 2006, Zakopane, Poland.
• [3] Hufenbach W., Gude M., Modler N., Kirvel C., Novel function-integrated light-weight solutions based on thermoplastic composites and material-adapted piezoceramic actor modules, Advanced Materials and Technologies (AMT) 2007, 3-4, 254-260.
• [4] Müller G., Böse H., Brunner B., Gurka M., Perspektiven nichtmetallischer Funktionswerkstoffe in der Produktionstechnik, Technologische Innovationen für die Antriebs- und Bewegungstechnik, Verlag Wissenschaftliche Scripten 2004, 25, 27-41.
• [5] High J., Wilkie W., Method of Fabricating NASA-Standard Macro-Fiber Piezocomposite Actuators, NASA/TM-2003-212427, ARL TR 2833Hagood N and Bent A 1993 Development of Piezoelectric Fiber Composites for Structural Actuation, Proc. AIAA/ASME Structures, Structural Dynamics and Materials Conf., La Jolla, CA, April 19-22, 2003.
• [6] Wilkie W. et al., Method of Fabricating a Piezoelectric Composite Apparatus, US Patent No. 6,629,341, 2003.
• [7] Nowacki J., Prozessanalyse des Umformens und Fügens in einem Schritt von gewebeverstärkten Thermoplasten, Dissertation, University of Kaiserslautern 2001.
• [8] Gutowski T.G. (ed.), Advanced Composites Manufacturing, John Wiley & Sons, Inc., New York 1997.
• [9] Nowacki J., Mitschang P., Neitzel M., Thickness adaptation during forming of continuous fibre reinforced thermoplastic composites, 4th Internat. ESAFORM Conf. on Material Forming 2001, Liege, April 23-25, 2001, 1, 119-122.
• [10] Michaud V., Manson J.A.E., Impregnation of compressible fiber mats with a thermoplastic resin, Journal of Composite Materials 2001, 35 13, 1150-1173.
• [11] Frormann L., Prozessmodellierung zur Untersuchung der Imprägnierung textiler Halbzeuge mit Thermoplasten, Dissertation, TU Clausthal-Zellerfeld 2002.
• [12] Hufenbach W., Gude M., Täger O., Modler N., Dannemann M., Kirvel Ch., Winkler A., Heber Th., Innovative lightweight solutions by textile-reinforced thermoplastic composites with embedded material-adapted piezoceramic actuator modules, Tagungsband International Symposium on Piezocomposite Applications ISPA 2007, Dresden, 27-28 September 2007.
• [13] Hufenbach W., Gude M., Heber T., Development of novel piezoceramic modules for adaptive thermoplastic composite structures capable for series production, 22nd Int. Conf. EUROSENSORS 2008, Dresden, 07-10 September 2008.
• [14] Ballas R.G., Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actua-tors, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 2007.