Dehnstoffaktoren – Auslegungsmethoden neuartiger Dehnstoffaktoren als Mittel der Prozessbeeinflussung und Stabilisierung – Phase 2

Die zweite Projektphase dient der weiteren Qualifikation der im Vorgängerprojekt GR 1818/65-1 (DFG) entwickelten Dehnstoffaktoren (DSA) zwecks der Funktionserweiterung und Optimierung. Ein Ziel ist die Entwicklung eines modelbasierten Ansatzes zur Erzeugung maßgeschneiderter Aktorkennlinien. Das adressierte Parameterfeld umfasst die Stellkraft, den Stellweg sowie den aktiven Temperaturbereich. Hierzu werden geometrische Anpassungen des Gehäuses, in das Gehäuse integrierte Strukturen und Paraffinadditive bzw. -gemische untersucht. Weitere Ziele der zweiten Projektphase sind die Umsetzung eines integrierten Aktivierungskonzepts, die thermische Entkopplung verschiedener Zonen im Aktor und eine Übertragung des Konzepts auf weitere Aktorgeometrien wie bspw. eine Kreisringform.

Projektverantwortliche: Thiemo Germann M. Sc.
Laufzeit: April 2023 – März 2025
Förderlinie: DFG

Motivation

Im Rahmen der abgeschlossenen ersten Projektphase des vierjährigen Gesamtvorhabens konnte die Funktionsverifikation des Aktorkonzepts vollumfänglich erreicht werden. Durch umfangreiche numerische Untersuchungen konnten Gestaltungsrichtlinien abgeleitet werden und eine optimale Aktorgestalt definiert werden, weiterhin wurden die Einflüsse verschiedenster Änderungen identifiziert. Im nächsten Schritt ist eine Fertigungskette entstanden, welche effiziente Verfahren der Umformtechnik mit dem leistungsfähigen Laserbearbeitungszentrum für Zuschnitt und Fügeprozess kombiniert. Am Laserbearbeitungszentrum ist zudem ein Prozessfenster für den anspruchsvollen Laserschweißprozess abgeleitet worden. Die Charakterisierung der entstandenen Demonstratoren zeigt vollumfänglich die Funktionalität der Aktoren (Abbildung [1]). Im abschließenden Schritt konnte anhand aktiver und passiver Demonstratoren die Anwendbarkeit der DSA für die motivierten Fälle aufgezeigt werden.

[1] Aktorcharakterisierung hinsichtlich Kraft (a), Weg (b) und numerische Untersuchung der Gehäusebelastung (c)
[2] Prototypen der Dehnstoffaktoren in Kreisform und in Kreisringform

Lösungsweg

Für die Umsetzung der genannten Punkte ist ein Projektplan mit vier zentralen Aspekten entwickelt worden. Der erste Aspekt stellt Erweiterung des Kennfeldes dar. Hierzu werden verschiedene Ansätze der Beeinflussung der Aktorcharakteristik untersucht. Zunächst werden radiale Einformungen in das Aktorgehäuse untersucht. Diese führen sowohl zu einer signifikanten Steigerung der radialen Steifigkeit als auch zu einer Verringerung des inneren Volumens des DSA so können Lufteinschlüsse aus der Fertigung kompensiert und die Prozesssicherheit gesteigert werden. Durch die Untersuchung unterschiedlicher Paraffingemische kann der Arbeitsbereich der Aktoren über ein weites Temperaturband eingestellt werden, Paraffine mit Schmelzpunkt unterhalb der Raumtemperatur sind hier ebenfalls vorstellbar. Zur Steigerung der Aktordynamik werden diverse Ansätze untersucht. Hierzu zählen wärmeleitende Strukturen innerhalb des DSA, wie bspw. Kupferschäume, und Paraffinadditive. Die Nutzung alternativer Gehäusematerialien (EN AW-7075) ermöglichen ebenfalls Dynamikverbesserungen ohne Performanceverluste.

Die Integration der Wärmequelle in den DSA stellt ebenfalls einen großen Schritt hinsichtlich der Dynamik dar. Hier ist das Gehäuse nicht mehr im Weg des Wärmestroms. Weiterhin ist diese gezielte Ansteuerung in Verbindung mit einer Isolation einzelner Aktorbereiche die Grundlage des doppeltwirkenden Keilgetriebes. Durch die gezielte Aktivierung der Kern- bzw. der Außenzone des DSA kann so die gerichtete Stellbewegung aufgebracht werden. Für die Isolation werden u. A. Keilgetriebe aus Keramik-Werkstoffen untersucht.

Dritter Hauptaspekt stellt die Untersuchung alternativer Gehäusebauformen dar. Hintergrund ist hier einerseits das Prüfen der Übertragbarkeit der bestehenden numerischen Abbildung und Modellvorstellung. Anderseits können auf diesem Wege weitere Anwendungsfälle erschlossen werden. Untersucht werden mindestens eine kreisringförmige Geometrie sowie eine rechteckige Aktorgeometrie.

Die abschließende Umsetzung als Demonstrator soll in zwei verschiedenen Fällen erfolgen. Hierzu ist sowohl der Fall eines passiven als auch eines aktiven DSA in einem sinnvollen Anwendungsfall abzubilden. Weiterhin sind zwei verschiedene Aktorgeometrien in diesen Fällen vorgesehen. Beispielhaft ist ein kreisringförmiger DSA, welcher dank seiner Paraffinmischung die Vorspannung einer Schraubenverbindung über ein ausgedehntes Temperaturband aufrechterhält. Als Energiequelle hierfür dient die Umgebungswärme.

Danksagung

Das vorgestellte Forschungsprojekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer GR 1818/65-4. Wir danken der DFG für die Unterstützung bei der Durchführung des Projekts.

Gefördert durch