DFG fördert Forschungsprojekt zum Materialverhalten von Piezokeramiken bei leistungsstarkem Ultraschall
HU-Forschende liefern mathematische Berechnungs- und Optimierungsverfahren für die Modellentwicklung
DFG fördert die zweite Stufe des Forschungsprojekts. Ziel ist es, realitätsnahe Modelle für die technische Anwendung zu entwickeln, die das Verhalten der Piezokeramiken mathematisch vorhersagen können.
Bei der Erzeugung von Ultraschall werden Piezokeramiken genutzt, um elektrische Energie in mechanische Schwingungen umzuwandeln. Ultraschall wird in Wissenschaft, Technik und Medizin vielfältig eingesetzt, für sensorischen Anwendungen wie aber auch im Leistungsultraschall, etwa in Schallwandlern in der Industrie oder beim Ultraschallschweißen in der Elektrofertigung. Die Forschungsgruppe „Modellbasierte Bestimmung nichtlinearer Eigenschaften von Piezokeramiken für Leistungsschallanwendungen II“ (Neptun II) untersucht, wie sich piezoelektrische Keramiken unter Leistungsultraschall verhalten. Ziel ist die Entwicklung realitätsnaher Modelle, die das Verhalten dieser Schallwandler mathematisch vorhersagen können, um so Entwicklungs- und Analyseprozesse effizienter zu gestalten.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes tragen dazu bei, piezoelektrische Werkstoffe und industrielle Fertigungsprozesse weiterzuentwickeln. Zudem untersuchen die Forschenden alternative Piezokeramiken, die die bisherigen bleihaltigen Varianten ersetzen können.
In der zweiten Projektphase übernimmt Prof. Dr. Andrea Walther vom Institut für Mathematik der Humboldt-Universität zu Berlin die Sprecherschaft für die Forschungsgruppe. Zuvor hatte sie Prof. Dr.-Ing. Bernd Henning von der Universität Paderborn inne. An den sechs Teilprojekten sind Wissenschaftler*innen der Humboldt-Universität zu Berlin, der Universität Paderborn und der Johannes-Kepler Universität Linz beteiligt. Die HU-Forschenden um Andrea Walther liefern die mathematischen Berechnungsverfahren für den Vergleich mit den Messungen und die mathematische Optimierung für die Entwicklung der Modelle.
Piezokeramiken – Materialverhalten unter hohen Belastungen verstehen
Piezokeramiken sind keramische Werkstoffe, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln können – und umgekehrt. Bei sensorischen Anwendungen, wie sie zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik oder in der industriellen Sensorik eingesetzt werden, ist das Verhalten der Piezokeramiken vorhersehbar und lässt sich näherungsweise linear beschreiben. Anders ist das beim Leistungsultraschall.
Hohe elektrische Anregungen können dazu führen, dass sich die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der Piezokeramiken verändern. Sie können sich verformen oder die Länge ändern. Diese sogenannten nichtlinearen Effekte erschweren es, das Verhalten der Materialien zuverlässig zu bestimmen.
Messungen und mathematische Modelle kombinieren
In der ersten Förderphase untersuchte die Forschungsgruppe das Verhalten harter piezokeramischer Ringe zunächst unter Bedingungen, bei denen sie frei schwingen konnten. In der zweiten Förderphase steht nun die ganzheitliche Beschreibung der Materialeigenschaften in Schallwandlern im Zentrum, wenn die piezoelektrischen Keramiken in technische Bauteile unter den realen Betriebsbedingungen integriert sind.
Ziel ist es, Materialmodelle zu entwickeln, die die leitenden, mechanischen und temperaturabhängigen Eigenschaften erfassen und zugleich für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen geeignet sind. Die Materialparameter werden dafür in anwendungsnahen Experimenten an piezokeramischen Proben und Bauteilen gemessen.
Kontakt:
Prof. Dr. Andrea Walther
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Mathematik
+49 30 2093-45333
andrea.walther(at)hu-berlin.de
hu.berlin/AWalther
HU-Pressemitteilung vom 3.11.2026