In Berlin startet die zweite Phase des Forschungsprojekts „Modellbasierte Bestimmung nichtlinearer Eigenschaften von Piezokeramiken für Leistungsschallanwendungen II“, kurz Neptun II. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben, an dem die Humboldt-Universität zu Berlin, die Universität Paderborn und die Johannes Kepler Universität Linz beteiligt sind. Die Pressemitteilung dazu wurde am 3. November 2026 veröffentlicht.

Im Mittelpunkt stehen mathematische Modelle, die möglichst realitätsnah vorhersagen, wie sich Piezokeramiken in technischen Anwendungen verhalten. Diese Werkstoffe können elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandeln – und umgekehrt. Im Alltag der Forschung, Technik und Medizin steckt das etwa in Sensoren, in Schallwandlern für industrielle Anwendungen oder beim Ultraschallschweißen in der Elektrofertigung.

Wenn der Ultraschall an seine Grenzen kommt

Bei sensorischen Anwendungen ist das Verhalten von Piezokeramiken weitgehend vorhersehbar und näherungsweise linear beschreibbar. Anders sieht es beim Leistungsultraschall aus: Hohe elektrische Anregungen können die elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der Materialien verändern. Die Keramiken verformen sich dabei oder ändern ihre Länge. Genau diese nichtlinearen Effekte machen eine zuverlässige Vorhersage schwierig.

Neptun II untersucht deshalb piezoelektrische Keramiken unter den Bedingungen des Leistungsultraschalls. Die entwickelten Modelle sollen Entwicklungs- und Analyseprozesse effizienter machen und zugleich die Weiterentwicklung piezoelektrischer Werkstoffe sowie industrieller Fertigungsprozesse unterstützen. Auch alternative Piezokeramiken stehen auf dem Prüfstand – Varianten, die bisherige bleihaltige Werkstoffe ersetzen könnten.

In der zweiten Projektphase übernimmt Prof. Dr. Andrea Walther vom Institut für Mathematik der Humboldt-Universität zu Berlin die Sprecherschaft. Zuvor hatte Prof. Dr.-Ing. Bernd Henning von der Universität Paderborn diese Aufgabe inne. An den sechs Teilprojekten arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller drei beteiligten Hochschulen.

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Vom freien Ring zum Bauteil im Betrieb

In der ersten Förderphase untersuchte die Forschungsgruppe harte piezokeramische Ringe, die frei schwingen konnten. Nun geht es um eine ganzheitliche Beschreibung der Materialeigenschaften in Schallwandlern. Dafür werden die Piezokeramiken in technische Bauteile integriert und unter realen Betriebsbedingungen untersucht. Das klingt weniger nach sauberem Labortisch und mehr nach dem Moment, in dem ein Material zeigen muss, was es im echten Einsatz aushält.

Das HU-Team um Andrea Walther entwickelt mathematische Berechnungsverfahren, die mit Messdaten verglichen werden können, sowie mathematische Optimierungsverfahren für die Modellentwicklung. Die Materialmodelle sollen elektrische beziehungsweise leitende, mechanische und temperaturabhängige Eigenschaften erfassen – und trotzdem für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen geeignet bleiben.

Die dafür benötigten Materialparameter werden in anwendungsnahen Experimenten an piezokeramischen Proben und Bauteilen gemessen. Erst aus diesem Zusammenspiel von Messung, Berechnung und Optimierung lässt sich ablesen, wann sich das Verhalten eines Bauteils verändert und wie sich der Leistungsultraschall auf das Material auswirkt.

Bleihaltige Keramik und die offene Umweltfrage

Der Blick auf mögliche Ersatzstoffe hat auch eine rechtliche und ökologische Seite. Piezokeramische Bauteile bestehen hauptsächlich aus Bleiverbindungen wie Bleizirkonat und Bleititanat. Laut den vorliegenden Informationen gilt der Einsatz dieser Bleiverbindungen derzeit als nicht vermeidbar. Für Blei in piezokeramischen Verbindungen bestehen Ausnahmen in der RoHS-Richtlinie, die die Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten beschränkt, sowie in der ELV, der „Altauto-Verordnung“.

Der Hersteller keramischer Bauelemente ist von der RoHS-Richtlinie nicht direkt betroffen; betroffen sein können jedoch die Kunden, die solche Komponenten in Elektro- und Elektronikgeräten einsetzen. Für das Ende des Produktlebens bietet das Unternehmen die Rücknahme piezokeramischer Bauteile zur umweltgerechten Entsorgung oder zum Recycling an. Voraussetzung: Die Piezokeramiken müssen ohne Fremdkomponenten angeliefert werden, also nicht in Gehäusen stecken oder eingegossen sein. Interessierte Kunden sollen Kontakt mit dem Unternehmen aufnehmen; auf dieser Grundlage wird ein Angebot erstellt.

In Berlin arbeitet die Forschungsgruppe derweil an den Modellen, die aus einem komplizierten Schwingungsverhalten berechenbare Größen machen sollen. Sechs Teilprojekte, reale Bauteile, hohe elektrische Anregungen – und ziemlich viel Mathematik dazwischen.