Antworten auf die Fragen zur Prüfung PDF

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Summary

Alle mögliche Fragen an der mündlichen Prüfung nach Adaptronik...

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1. Welches sind die kennzeichnenden Elemente eines adaptiven Systems im Sinne der Adaptronik?

2. Welche Zielgrößen werden mit Adaptronik adressiert? -Gestaltkontrolle (Bsp. Antenne im Weltall ist der Temp. ausgesetzt) -Tragfähigkeitserhöhung (Kerben in Bauteilen→Spannungsverlauf beeinflussen) -Präzision (schnelle stoppender Robotorarm erzeugt Eigenschwingungen) -Schallreduktion (Geräusche im Auto unterdrücken) -Vibrationsunterdrückung (Unwuchten an Triebwerken ausgleichen) 3. Nennen Sie Kennzeichen und Grundprinzipien aktiver Funktionswerkstoffe! Kennzeichen: Kennzeichnend für aktive Funktionswerkstoffe ist, dass sie Energiewandler sind. Die grundlegenden Energieformen sind dabei mechanische, thermische, elektrische und magnetische Energien. Aktive Funktionswerkstoffe können z.B. • Mechanische Energie in elektrische Energie • Thermische Energie in elektrische Energie • Magnetische Energie in mechanische Energie wandeln. Prinzipien von Funktionswerkstoffen: - Die Eignung eines Werkstoffes als Funktionswerkstoff in der Adaptronik wird durch die „Beweglichkeit“ und Reaktionsfähigkeit auf Energiezufuhr bestimmt. - Die Reaktionsfähigkeit hängt häufig mit kristallinen Stabilitätsgrenzen oder strukturellen Phasenübergängen zusammen. -Phasenübergänge sind thermodynamisch bedingte kristalline Instabilitäten, denen eine kritische Temperatur Tc zugeordnet werden können. - neben Eigenschaften eines Konstruktionswerkstoffes (z.B. lasttragend) weitere, z.B. aktorische oder sensorische Eigenschaften aufweisen Typische Beispiele: • Piezoelektrische Materialien, die Druck in Ladungsverschiebung wandeln • Formgedächtnislegierungen, die Wärme in Verformung wandeln • Magnetostriktiva, die ein Magnetfeld in Verformung wandeln 4. Wie sind Freihub, Blockierkraft und Energiedichte definiert? - Als freie Freihub wird die maximale ungehinderte Längenänderung eines multifunktionalen Materials bezeichnet, die durch Energiezufuhr erreichbar ist.

- Als Blockierkraft wird die Kraft bezeichnet, die zum Zurückdrücken eines durch Energieeintrag maximal gelängten multifunktionalen Materials benötigt wird. Für einen Querschnitt A gilt:

- Als Kenngröße der Leistungsfähigkeit eines Materials lässt sich die Energiedichte 𝑊𝐸 angeben. Für linear-elastisches Materialverhalten gilt:

5. Was verstehen Sie unter Strukturkonformität? Bei einem Steifigkeitsverhältnis =1 ist maximale Strukturkonformität erreicht. Strukturkonformität ist ein adaptronisches Maß, ein Grad der Adaptionsfähigkeit. Strukturkonforme Aktuatoren sind insbesondere hinsichtlich ihrer Steifigkeit mit der Struktur konform.

6. Beschreiben Sie kristallographisch den piezoelektrischen Effekt von Piezokeramiken! -Unterhalb der Curie-Temperatur liegt eine asymmetrische tetragonale Struktur vor (Bild) -Zr, Ti liegt nicht im Kristallschwerpunkt und dadurch kommt es zu Ladungsschwerpunkten→Kristall ist nach außen hin ein Dipol -Bei der Erzeugung entstehen Domänen deren Polarisation statistisch verteilt ist und der gesamte Werkstoff nach außen neutral erscheint -Krafteinwirkung erzeugt eine mechanische Spannung auf den Kristall und erzeugt eine Verschiebung der positiven und negativen Bausteine -Dadurch entstehen Dipolmomente, die ein elektrisches Feld erzeugen und damit eine elektrische Spannung -Inverser Effekt: durch eine Spannung wird der Dipol entsprechend ausgerichtet und in die Polarisationsrichtung

gestreckt (Querrichtung gestaucht) →Kristall wird auseinander gezogen→Material verformt sich 7. Was passiert bei der sogenannten Curietemperatur? Temperatur des Phasenüberganges vom ferro- zum paraelektrischen Zustand.

8. Beschreiben Sie die Polarisation gesinteter, unpolarisierter Piezokeramiken!

9. Wie sieht der Zusammenhang zwischen Stellweg und elektrischem Feld einer polarisierten Piezokeramik aus?

10. Erläutern Sie die aktuatorische Nutzung einer piezoelektrischen Keramik! d33 - Effekt Eine konstante äußere Belastung P = konst. bewirkt eine Stauchung des Aktuators um

Dadurch wird die Aktuatorkennlinie verschoben

Bei zusätzlicher mechanischer Spannung entsteht für den vorgespannten Aktuator

Wird der Aktuator elastisch in eine Struktur mit einer Anschlusssteifigkeit cF eingebettet wird eine Kraft

ausgeübt. Mit der Aktuatorsteifigkeit

beträgt damit die Gesamtauslenkung des Aktuators

11. Wie lässt sich das Kleinsignalverhalten der Piezokeramik mathematisch beschreiben? -Inverser piezoelektrischer Effekt: Superposition der Dehnungen (Dehnung durch mechan. Spannung +Dehnung durch elektr. Spannung) -Direkter piezoelektrischer Effekt: Superposition der Ladungsverschiebungen (Ladungsverschiebung durch mechan. Spannung + Ladungsverschiebung durch elektrische Spannung) 12. Wie ist der Koppelfaktor einer Piezokeramik definiert und abgeleitet? Der Kopplungsfaktor ist dimensionslos und ein Maß für die Energieumsetzung des Wandlers. Der Kopplungsfaktor ist kein Wirkungsgrad, weil er keine Verluste berücksichtigt. Verallgemeinert gilt als richtungsabhängiger Kopplungsfaktor:

13. Beschreiben Sie den Wirkmechanismus von Formgedächtnislegierungen! Bei Formgedächtnislegierungen sind unterschiedliche Kristallformen für den aktuatorischen Effekt verantwortlich. - Äußere Kräfte bewegen das Gitter in entzwillingten Zustand (entzwillingter Martensit) → Dehnung tritt auf - Erwärmung auf 𝑇Ü → Umwandlung zu Austenit, für Austenit gibt es für gegebene äußere Form nur eine mögliche Orientierung → Herstellung der Ursprünglichen äußeren Form - Abkühlung → Umwandlung in verzwillingten Martensit 14. Was verstehen Sie unter Einwegeffekt und Zweiwegeffekt von Formgedächtnislegierungen? -

Beim sogenannten Einwegeffekt wird eine aufgeprägte bleibende Dehnung durch Erwärmung in den Ausgangszustand zurückgeführt.

-

Erfolgt beim sogenannten Einwegeffekt die Erwärmung unter Last, die oberhalb des linear elastischen Bereiches des Martensitgefüges liegt, stellt sich ein spannungsinduziertes entzwillingtes Martensitgefüge ein. Verformung bis 8 %.

Dehnung bis 5 %. 15. Beschreiben Sie das Zeitverhalten bei Erwärmung und Abkühlung von Formgedächtnislegierungen! Erwärmung - Die Reaktionsfähigkeit hängt wesentlich von der Aufnahme der thermischen Energie ab. - Die Phasenumwandlung selbst läuft mit Schallgeschwindigkeit ab.

Abkühlung - Nicht nur die Aufwärmgeschwindigkeit, sondern auch die Kühlung beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit der SMA. - Je mehr Wärme während der Verstellung vom Draht abgeführt wird, desto schneller kann die Verstellung erfolgen.

16. Beschreiben Sie den Wirkmechanismus von Magnetostriktiva! -Magneto-mechanischer Wandler -TERFENOL-D ist ein ferromagnetischer Kristall -Weißschen Bezirke drehen durch Magnetisierung und verschieben ihre Grenze -Direkter Effekt: Durch Aufbringen einer Last entsteht durch Dehnung ein Magnetfeld -Indirekter Effekt: Durch Aufbringen eine magn. Feldes entsteht eine Dehnung 17. Wie wirkt sich Vorlast auf das Dehnungsverhalten durch Magnetfeld bei magnetostiktiven Materialien aus? -Die Vorlast erzeugt eine Verschiebung die beim Anlegen eines Feldes ausgeglichen werden können→Die Längenänderung wird größer -Ist die Last zu groß, sinkt auch die Saltigungsdehnung? und die effektive Langänderung ist kleiner

18. Welche grundsätzlich unterschiedlichen Arten elektro-aktiver Polymere gibt es und wodurch sind sie physikalisch gekennzeichnet?

Elektrische: - Bei piezoelektrischen Polymeren handelt es sich um elektro-mechanische Wandler. - PVDF ist heutzutage das einzige kommerziell erhältliche piezoelektrische Polymer. - Polyvinylidenfluorid (Kurzzeichen PVDF) ist ein transparenter, teilkristalliner, thermoplastischer Fluorkunststoff. Thermoplaste sind Kunststoffe, die aus langen linearen Molekülen bestehen. Durch Energiezufuhr werden diese Materialien formbar bis plastisch und schmelzen schließlich. Ionische: - Bei ionischen EAP beruht der aktuatorische Wirkungsmechanismus auf Massentransport (Diffusion) von Ionen. - Durch eine elektrochemische Oxidation (Elektronenabgabe) / Reduktion (Elektronenaufnahme) eines Metalls oder eines leitenden Polymers (z.B. Polypyrrol, Polyanilin) wird eine Volumenänderung erzeugt. 19. Erläutern Sie den Begriff Teilkristallinität am Beispiel des PVDF? Das PVDF besteht aus polaren kristallinen und amorphen Regionen : - Amorphe Regionen sind verantwortlich für die mechanischen Eigenschaften - Kristalline Regionen sind verantwortlich für die Schmelztemperatur (Tm=178°C) und die Glasübergangstemperatur (Tg= - 35°C) - Der Kristallinitätsgrad von PVDF beträgt 50-60 %

20. Wie kommt die Piezoelektrizität des PVDF zustande? - Der Kristallinitätsgrad beträgt 50-60 % - Fluoratome ziehen die Elektronendichte von den Kohlenstoffatomen zu sich - Starke Dipolbildung in den C-F Bindungen - Die Piezoelektrizität des PVDF basiert auf eine Dipolorientierung innerhalb der kristallinen Phase des PVDF - Die piezoelektrischen Eigenschaften lassen sich linearisiert wie die Piezokeramiken beschreiben:

21. Nennen Sie einige Vor- und Nachteile des PVDF! Vorteile: - Für Sensoren mit hoher Auflösung von 0,001 Hz bis mehrere GHz geeignet - Für Aktuatoren mit Betriebsfrequenzen bis zu 100 MHz geeignet - Einfacher Zuschnitt beliebiger Folien-Geometrien - Sehr Flexibel, kann auf gekrümmte Flächen aufgebracht werden - Geringe Dichte - Sehr kurze Reaktionszeiten (μs) - Vernachlässigbar kleine Energieaufnahme im statischen Betrieb - Kostengünstiger, gut verfügbarer Basiswerkstoff Nachteile: - Sehr geringe Energiedichte - Sehr geringer E-Modul

-

Für Aktuatorbetrieb mit Auslenkungen im Bereich von PZT 30 kV/mm erforderlich - Als Aktuator nur für Anwendungen mit geringen Anforderungen an die Kräfte und Auslenkung interessant - Piezoeffekt kann durch hohe Temperaturen, große Feldstärken oder mechanischen Schock verloren gehen - Ausgeprägte Kennlinienhysterese 22. Was ist ein dielektrisches Elastomer und wie wird es aktuatorisch genutzt? - Ein dielektrisches Elastomer EAP besteht aus einem 20-60 m dicken Elastomerfilm (Silikon, Acryl) und flächigen, elastischen Elektroden. - Glasübergangspunkt Tg sich unterhalb der Raumtemperatur befindet. - Elastomere verformen sich bei Zug- oder Druckbelastung durch Streckung der verknäulten Molekülketten. Nach Entlastung, finden sie wieder in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück. - Durch Aufbringung einer hohen elektrischen Spannung (~2,5 kV) ziehen sich die Elektroden an und quetschen das Elastomer, wodurch es sich volumenkonstant planar ausdehnt Planare Dehnungen bis zu 200% sind erreichbar.

23. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Dehnung und angelegtem elektrischen Feld für ein dielektrisches Elastomer? Der auf die Membran ausgeübte Druck ist gleich dem Produkt aus der elektrischen Feldkonstante, der Dielektrizitätskonstanten der Membran und dem Quadrat des angelegten elektrischen Feldes

24. Welche Größenordnungen an aktiver Dehnung und Energiedichte sind mit dielektrischen Elastomeren erreichbar? - Aktive Dehnung:  Silikon 117 – 63 %  Acryl 215 % - Sehr hohe Energiedichte: 𝑘𝐽  Silikon 200 𝑚3 𝑘𝐽

 Acryl 1300 3 𝑚 25. Worauf beruht die Aktuatoreigenschaft ionisch aktivierbarer EAPs? - der aktuatorische Wirkungsmechanismus auf Massentransport (Diffusion) von Ionen - Durch eine elektrochemische Oxidation (Elektronenabgabe) / Reduktion (Elektronenaufnahme) eines  Metalls oder eines  leitenden Polymers (z.B. Polypyrrol, Polyanilin) wird eine Volumenänderung erzeugt. - Die Kationen diffundieren zur Kathode, während die immobilen Anionen von der Anode angezogen werden. - Die Kationenkonzentration führt zum Quellen des Polymers in diesen Bereichen. 26. Beschreiben Sie die charakteristischen Eigenschaften des KohlenstoffNanoröhren, insbesondere hinsichtlich ihrer Nutzung als Aktuatoren! - CNT sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff. - Die Eigenschaften der CNT werden durch  Länge  Durchmesser und  Chiralität bestimmt. - Die Chiralität beeinflusst die Leitfähigkeit der CNT. - CNTs zeichnen sich durch  hohe Steifigkeit  hohe Festigkeit aus - Durch Anlegen einer Spannung (2-10V) lagern sich Ionen des Elektrolyts an und bilden die sog. „double layer“ - Unabhängig ob positive oder negative Ladung, Carbon Nanotubes können sich nur ausdehnen!

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Zur Aktivierung ist ein Elektrolyt erforderlich, vorzugsweise ein Festkörperelektrolyt. - Die größte Herausforderung ist die Übertragung der hervorragenden molekularen Eigenschaften auf makroskopische Ebene. 27. Beschreiben Sie den Aufbau und die Wirkung elektrorheologischer Flüssigkeiten!

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elektro-viskose Wandler. Aufbau: Nichtpolare Trägerflüssigkeit: • geringe elektrische Leitfähigkeit • geringe Permittivitätszahl • z.B. Öle wie Silikonöl, Mineralöle, Paraffin, Ether, C-H-Verbindungen polarisierbare Feststoffpartikel: • hohe Permittivitätszahl • Teilchendurchmesser: ca. 1-100µm, z.B. anorganische Materialien (Metalloxide) oder organische Materialien (Polymere mit Metallionen) Dispergator: • oberflächenaktive Substanzen (z.B. Tenside) zur Stabilisierung der dispersen Phase • Verhinderung von Partikelkoagulation Aktivator: • an die Grenzflächen der Feststoffteilchen angelagertes Additiv • hochpolare Flüssigkeiten, die Ladungsträger zur Verfügung stellen bzw. die Beweglichkeit vorhandener Ladungsträger erhöhen Wirkung:

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Unter Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes erfolgt eine Ausrichting der suspendierten, polaren Teilchen entlang der Feldlinien mit dem Resultat, dass diese zu mechanisch belastbaren Ketten agglomerieren. Für hinreichende hohe Feldstärken und Partikelkonzentrationen erstrecken sich die Ketten schließlich über den gesamten Strömungsquerschnitt und die "Flüssigkeit'' erstarrt zu einem elastischen Körper, der bei Schubspannungen unterhalb seiner Fließgrenze nur deformiert wird, aber nicht mehr strömt.

28. Welche Probleme müssen bei der Nutzung der ERF’s technisch gelöst werden? Sedimentation: • Absetzen der Feststoffpartikel nach längerer Zeit wegen des Dichteunterschiedes zwischen den dispergierten Partikeln und der Basisflüssigkeit • gleiche Wirkung haben auch Trägheitskräfte in rotierenden Teilen z.B. Kupplungen • große Sedimentationsstabilität durch Anpassung der Teilchendichte an die der Basisflüssigkeit Elektrophorese: • Wanderung der suspendierten Feststoffpartikel bei Gleichspannung je nach Oberflächenladung zur positiven oder negativen Elektrode • Änderung der Teilchenverteilung, Bildung von Verarmungszonen an einer Elektrode • Sinken der übertragbaren Schubspannung Abrasivität: • Metallabrieb z.B. an den Elektroden, Metallspäne werden abgelöst und ändern die elektrischen Eigenschaften des Fluids • anorganische Feststoffe sind sehr hart und wirken besonders bei hohen Scherraten sehr abrasiv 29. Wie lässt sich das rheologische Verhalten der ERF’s beschreiben? - Oberhalb der Grenzschubspannung beginnt die ERF zu fließen - Ohne elektrisches Feld verhält sich die ERF als Newtonsche Flüssigkeit

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Die feldinduzierte Schubspannung addiert sich als konstanter Term zum Newtonschen Anteil:

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Die Schubspannung hängt sehr stark vom verwendeten ERF ab und ist außerdem stark temperaturabhängig.

30. Worauf beruht das aktuatorische Prinzip der Formgedächtnispolymere? SMP bestehen häufig aus zwei Komponenten (Copolymer, Blockcopolymer) - Elastisches Polymer (Federelement), verantwortlich für Festigkeit und permanente Form der Struktur, (semi-)kristallin - Aushärtende Komponente zur Arretierung des Federkomponente, verantwortlich für die temporäre Form der Struktur, amorph 31. Beschreiben Sie grafisch das Spannungs-Dehnungs-Temperaturverhalten der SMPs?

Schalttemperatur Ttrans für den Eigenschaftsübergang aus - Schmelztemperatur Tm, - Glasübergangstemperatur Tg - oder Tg,mix 32. Welche Effekte werden bei piezokeramischen Flächenaktuatoren genutzt? - d31 -Effekt in der Ebene Zwischen 2 Flächenelektroden wird in einer piezokeramischen Folie durch eine angelegte Spannung eine Dickenänderung und durch Querkontraktion eine Verkürzung in der Fläche erzeugt.

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d33 -Effekt in der Ebene Zwischen 2 Kammelektroden (Interdigitalelektroden) wird ein in einer piezokeramischen Folie aus gegenläufig polarisierten Streifen durch eine an den Kämmen angelegte Spannung eine Verlängerung der Folie erzeugt.

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d33 -Effekt in der Ebene bei Rundfasern Zwischen 2 Kammelektroden (Interdigitalelektroden) wird in piezokeramischen Faser, die in gegenläufig polarisierten Streifen unterteilt sind, durch eine an den Kämmen angelegte Spannung eine Verlängerung der Fasern erzeugt.

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d33 -Effekt An einen Flächenaktuator aus senkrecht zur Ebene liegenden Schichten aus piezokeramischen Folien und Elektroden wird durch eine an den Elektroden angelegte Spannung eine Verlängerung der Folienschichten erzeugt.

33. Nennen Sie die wesentlichen Gründe für die Kapselung (packaging) von Piezokeramiken?  Schutz der spröden Piezokeramik von äußeren Belastungen  Verbesserte Handhabung  Definierte mechanische und elektrische Randbedingungen (- Druckvorspannung - Erhöhte Lebensdauer durch Behinderung von Rissausbildung)

34. Beschreiben Sie Herstellung und Aufbau gekapselter piezokeramischer Flächenaktuatoren! - Aufbau

-Herstellung  Kupfermesh auf Prepregpapier kleben  Kontaktierungsstruktur ausschneiden bzw. ausstanzen  Kupfermesh & Prepregpapier auf Polyestervlies aufkleben (Kontaktierung zwischen Prepregpapier & Polyestervlies)  Evtl. zusätzliche Isolierschicht  Entfernen des Prepregpapiers  Fülllagen aus Fasermaterial mit Ausschnitten für PZT-Folien versehen  PZT-Folien in Ausschnitte legen und beidseitig mit Kontaktierung versehen  Mit Vakuumfolie verschließen  Harz im Autoklaven injezieren  Aushärten bei 120°C  Abkühlen und Funktionsmodule zusägen 35. Wie wirken sich die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten bei der Herstellung von Flächenaktuatoren aus. -Temperaturdehnung von Piezokeramik geringer als die des Strukturmaterials -Beim Abkühlen schrumpft Strukturmaterial stärker als Keramik -Führt zu Zugvorspannungen im Strukturmaterial und zu Druckvorspannungen in der Keramik -Vorspannung erhöht die Zugfestigkeit des Funktionsmoduls 36. Welche Bauformen piezokeramischer Komposite kennen Sie und welche piezokeramischen Effekte werden dabei genutzt? -Als Stapelaktuator→Nutzung des d33 Effektes -Multilayer-Aktuator→Nutzung des 33 Effektes -Flächenaktuator→Nutzung d31 Effektes -Folienaktuator→Nutzung d33 Effektes 37. Welche Integrationsvarianten von piezokeramischen Folien in Faserverbunde gibt es? - Diskret  Extern - Verteilt  Appliziert  Integriert

38. Wie wirken sich die unterschiedlichen Integrationsvarianten auf die Steifigkeiten und Festigkeiten der Verbunde aus?

39. Wie wirkt sich bei der Applikation die Aktuatordicke bei unterschiedlichen EModul-Verhältnissen auf die Krümmung des Balkens aus?

40. Wie wirkt sich bei der Integration von Flächenaktuatoren als Biegewandler der Abstand zur neutralen Ebene aus? -Für die meisten Verläufe nimmt die Krümmung zu, wenn der Abstand zur neutralen Ebene sich vergrößert -Wenn der Aktuator steifer als die Struktur ist (1/4), dann hängt die Krümmung wesentlich von dessen Steifigkeit ab→Der steifere Teil des Moduls liegt weiter von der neutralen Faser weg und lässt sich dadurch schwerer krümmen 41. Unter welcher Voraussetzung treten Dehnung und Krümmung eines geschichteten aktiven Verbundes entkoppelt auf?

-Dehnung und Biegung sind dann entkoppelt, wenn der Schichtaufbau symmetrisch ist→Flächenmoment erster Ordnung verschwindet

42. Nennen Sie die wesentlichen Bestandteile adaptiver Faserverbunde! - Matrix  Bei adaptiven Faserverbunden meist Polymere  Duroplaste  Thermoplaste -Lastragende Fasern  Kohlefasern  Glasfasern  Aramid-Fasern 43. Welches sind Strukturen und Merkmale wichtiger Fasertypen? Kohlenstofffaser - Eigenschaften  2D kovalente Bindungen  T...