Integration von Funktionsmaterialien

Integration von Funktionsmaterialien

 

Motivation

Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus tritt in der Auslegungs-, Produktions- und Nutzungsphase von Maschinenelementen auf. Ein Ansatz zur Beherrschung dieser Unsicherheit ist die Ausstattung von mechanischen Strukturen mit zusätzlichen Funktionselementen, wie Sensoren und Aktuatoren sowie der erforderlichen Peripherie. Um eine breite Anwendung funktionsintegrierter Maschinenelemente zu ermöglichen, müssen Produktionsverfahren für eine kosteneffiziente und großserientaugliche Herstellung qualifiziert werden.

Zielsetzung

Ziel dieses Projektes ist es, Funktionselemente, wie Sensoren oder Piezoaktoren, schädigungsfrei in lasttragende Strukturen zu integrieren. Zum Einsatz kommt dabei das inkrementelle Kaltmassivumformverfahren Rundkneten, bei dem die Formgebung des Werkstücks in vielen kleinen Schritten erreicht wird. Vier oszillierende Werkzeuge reduzieren den Durchmesser eines rohrförmigen Werkstücks durch einen alternierenden Werkzeugeingriff. Eine flexible Außenkontur der erzeugten funktionsintegrierten Strukturen erfordert zudem eine angepasste Prozesssteuerung und die Verwendung von Dornen.

Integrierte Funktionselemente a) Piezostapelaktor, b) DMS-Sensorkörper
[1] Integrierte Funktionselemente a) Piezostapelaktor, b) DMS-Sensorkörper

Vorgehensweise

Eine zweckmäßige Nutzung der erzeugten Strukturen erfordert eine axiale Verspannung der integrierten Elemente. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Zugkräfte durch einen integrierten Sensor in einem weiten Bereich zu detektieren. Die Vorspannung wird durch ein gezieltes Abfließen von Rohrmaterial auf der Endkappe erreicht, wodurch Druckkräfte innerhalb des Funktionselementes entstehen. Die Mechanismen und Einflussgrößen bei diesem Verfahren werden experimentell und numerisch durch Finite-Elemente-Simulation untersucht. Um Vorspannkräfte in der Fertigung gezielt einstellen zu können oder eine Prozessüberwachung zu ermöglichen, werden die zu integrierenden sensorischen Elemente bereits während der Formgebung genutzt. Durch eine Telemetrieeinheit am rotierenden Werkstück können Spannungszustände über den gesamten Umformprozess ermittelt und ausgewertet werden (Abbildung [2]).

[2] Aufbau der Rundkneteinheit mit Fügekomponenten und Telemetrieeinheit
[2] Aufbau der Rundkneteinheit mit Fügekomponenten und Telemetrieeinheit

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung des Teilprojekts B4: „Integration von Funktionsmaterialien“ innerhalb des Sonderforschungsbereichs 805.