Auslegungsmethoden für neuartige, energieeffiziente, geschlossene Dehnstoffaktoren mit hoher Kraftwirkung

Kurzvorstellung

Ziel dieses Projektes ist die Schaffung von Grundlagen zur wirtschaftliche Herstellung von umformend hergestellten Dehnstoffaktoren (DSA). Es sind kompakte Paraffinaktoren vorgesehen, deren Gehäuse den Dehnstoff vollständig umschließen. Bei der Erwärmung von der festen in die flüssige Phase unterliegt Paraffin einem Volumenzuwachs von 15 Prozent und mehr. Die hohe Volumenausdehnung und die geringe Kompressibilität des Paraffinkerns erzeugen in den abgeschlossenen Gehäusen einen hohen Druck. Dieser führt zu einer Hubbewegung des Aktors bzw. zum Aufbringen einer Stellkraft.

Motivation & Zielsetzung

Produktionsprozesse sind zwangläufig mit Schwankungen verbunden. Diese können in zwei Gebiete unterteilt werden. Einerseits hochfrequente Schwankungen der Prozesseigenschaften, welche z. B. durch stochastische Einflüsse oder Änderungen des tribologischen Systems entstehen. Eine closed loop control ist hier eine typische Gegenmaßnahme. Andererseits treten niederfrequente Anlageneinflüsse auf, ursächlich sind hier bspw. thermische Umgebungseinflüsse oder Verschleiß an der Anlage selbst. Zur Korrektur sind ins Besondere hohe Stellkräfte bei vergleichsweise geringen Stellwegen erforderlich. An dieser Stelle wird durch die Integration der DSA (Abbildung [1]) angesetzt. Dabei sind zwei Varianten möglich, zunächst kann ein passives Aktivierungskonzept genutzt werden. Hier wird die notwendige Aktivierungsenergie durch die Umgebung zugeführt und eine maßgeschneiderte Kompensation von thermischen Einflüssen kann erfolgen. Die zweite Variante sieht eine in den Aktor integrierte Beheizung (z. B. durch gedruckte Elektronik) vor, welche die Stellenergie erzeugt. Nach der gewünschten Stellbewegung wird der erreichte Hub bzw. die Stellkraft über ein integriertes selbsthemmendes Keilgetriebe aufrechterhalten. Eine langfristige energieeffiziente Kompensation von Anlagenverschleiß wird so ermöglicht.

Ziel des Projektes ist es Auslegungsmethoden für eine Aktorgestaltung und eine kombinierte umformende und fügende Herstellung zu entwickeln. Anschließend erfolgt die Qualifikation für die beschriebenen Anwendungen sowie die Entwicklung des selbsthemmenden Keilgetriebes.

Abbildung 1: Grundsätzlicher Aufbau des Dehnstoffaktors in umformender Herstellung

Vorgehensweise

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 [2]). Im abschließenden Schritt konnte anhand aktiver und passiver Demonstratoren die Anwendbarkeit der DSA für die motivierten Fälle aufgezeigt werden.

Abbildung 2: Aktorcharakterisierung hinsichtlich Kraft (a), Weg (b) und numerische Untersuchung der Gehäusebelastung (c)

Die zweite Projektphase dient der weiteren Qualifikation der 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 (Abbildung [3]).

Abbildung 3: Prototypen der Dehnstoffaktoren in Kreisform und in Kreisringform

Danksagung

Das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen dankt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Unterstützung bei der Durchführung dieses Projekts (GR 1818/65-1).

 

Kontakt

Thiemo Germann M. Sc.

Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen

Kontakt

work +49 6151-16-23186

Work L1|01 142
Otto-Berndt-Straße 2
64287 Darmstadt