Paderborner Forschungsgruppe NEPTUN erh?lt DFG-F?rderung
Ultraschall findet heute in der Wissenschaft, Technik und Medizin vielfach Anwendung. Die Gestaltung und Optimierung von Leistungsschallwandlern – also der Elemente, die elektrische Signale in mechanische Bewegungen umwandeln – erfolgt mittlerweile zunehmend von Computern unterstützt in einem sogenannten CAD-Prozess. W?hrend die Computertechnik und die Simulationssoftware inzwischen eine hohe Leistungsf?higkeit erreicht haben, erweist sich die mangelhafte Kenntnis korrekter und pr?ziser Materialdaten der eingesetzten Bauelemente beim Designprozess derzeit als eines der gr??ten Probleme. Die Forschungsgruppe ?Modellbasierte Bestimmung nichtlinearer Eigenschaften von Piezokeramiken für Leistungsschallanwendungen“ (NEPTUN) unter Leitung von Prof. Dr. Bernd Henning der Fakult?t für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik an der Universit?t Paderborn will dieses Problem l?sen, indem standardisierbare, modellbasierte Methoden zur Bestimmung vollst?ndiger und konsistenter Parameters?tze der Werkstoffe entwickelt werden. Dafür haben die Wissenschaftler*innen nun eine F?rderung von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) in H?he von knapp 1,7 Millionen Euro für die erste F?rderperiode von 4 Jahren erhalten. Weitere Mitglieder der Forschungsgruppe sind Prof. Dr. Jens F?rstner (Theoretische Elektrotechnik), Dr.-Ing. Tobias Hemsel (Dynamik und Mechatronik) und Prof. Dr. Michael Winkler (Partielle Differentialgleichungen) von der Universit?t Paderborn sowie Prof. Dr. Andrea Walther und Dr. Benjamin Jurgelucks (Mathematische Optimierung) von der Humboldt-Universit?t zu Berlin.
Ultraschallanwendungen, bei denen gro?e Leistungen in ein Medium eingebracht werden, bezeichnet man als Leistungsschallanwendungen. Leistungsschall wird zum Beispiel für die Reinigung von Brillen, beim Bohren von hartspr?den Materialien oder in der Elektronikfertigung eingesetzt. Auch in der Medizintechnik ist die Anwendung in Skalpellen, bei der Zahnsteinentfernung oder der Nierensteinzertrümmerung weit verbreitet und derzeit unverzichtbar. Zum Erzeugen und auch zum Detektieren von Leistungsschall ist heute der Einsatz sogenannter piezokeramischer Werkstoffe gebr?uchlich. Diese Keramiken verformen sich wegen des piezoelektrischen Effekts beim Anlegen einer elektrischen Spannung. 360直播吧 sind also in der Lage, elektrische Signale in mechanische Energie beziehungsweise in Bewegung umzuwandeln. Die gro?en Leistungen bei diesen Anwendungen führen zu einer enormen Beanspruchung der genutzten Materialien. ?Die Kombination von mechanischer, elektrischer und thermischer Beanspruchung macht es notwendig, diese Ph?nomene beziehungsweise die Zusammenh?nge besser zu verstehen und die Materialeigenschaften in ihrer Gesamtheit zu charakterisieren“, erkl?rt Prof. Dr. Bernd Henning, Leiter der Fachgruppe ?Elektrische Messtechnik“.
Um in Zukunft den material- und zeitaufw?ndigen Bau von Prototypen für die Ultraschallsensoren und -aktoren zu vermeiden, setzt man bei der Gestaltung zunehmend auf computergestützte Simulationswerkzeuge. Diese Simulationen liefern aber nur dann realistische Ergebnisse, wenn korrekte Materialdaten genutzt werden. Genau hier liegt das Problem: Nach gegenw?rtigem Stand der Technik werden jeweils einzelne Materialeigenschaften bzw. -parameter von Piezokeramiken an verschiedenen, speziell und unterschiedlich bearbeiteten Probek?rpern bestimmt, was zur Folge hat, dass die Materialparameter inkonsistent sind und die Eigenschaften des dann tats?chlich eingesetzten piezokeramischen Bauelements nur zum Teil repr?sentieren. ?Hinzu kommt, dass für Leistungsschallanwendungen überhaupt ein geeignetes mathematisches Modell fehlt, welches insbesondere das nichtlineare Verhalten piezokeramischer Werkstoffe hinreichend genau beschreibt“, führt Henning weiter aus.
Die Forschungsgruppe NEPTUN wird nun universelle Methoden entwickeln, um das Verhalten beliebiger Piezokeramiken zu analysieren und designrelevante Materialkenngr??en zu charakterisieren. Dafür erarbeitet sie eine mathematische, realit?tsnahe Modellierung und eine multiphysikalische Simulationsumgebung. Parallel hierzu erfolgt die Entwicklung robuster Messverfahren und Messsysteme zur gleichzeitigen Erfassung der elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften piezokeramischer Werkstoffe anhand einer einzigen Probe. Schlie?lich soll eine modellbasierte Methodik zur Bestimmung vollst?ndiger und konsistenter Materialdatens?tze piezoelektrischer Werkstoffe sowie zur ganzheitlichen Charakterisierung piezoelektrischer Bauelemente für Leistungsschallanwendungen geschaffen werden.
?Eine besondere Bedeutung bekommt diese Zielstellung dadurch, dass gegenw?rtig bei Leistungsschallanwendungen immer noch nahezu ausschlie?lich bleihaltige piezokeramische Werkstoffe eingesetzt werden, obwohl deren Einsatz nur aufgrund von Sondergenehmigungen erlaubt ist. Da die Materialauswahl meist auf aus den Parametern abgeleiteten Kenngr??en basiert, ist auch wegen der notwendigen Alternativen eine ausreichend genaue Charakterisierung notwendig. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen der Branche werden bei der Umstellung der piezoelektrischen Materialien von dieser neuen Charakterisierungsmethode profitieren“, so Henning abschlie?end.
