LOEWE-Zentrum AdRIA | Teilprojekt: Umformen funktional bedruckter Bleche

LOEWE-Zentrum AdRIA (Adaptronics – Research, Innovation, Application)

Teilprojekt: Umformen funktional bedruckter Bleche

 

Bei der Integration von Sensorelementen in Schalenstrukturen aus Blechhalbzeugen muss stets gewährleistet werden, dass genügend Montageraum für eine nachträgliche Verkabelung vorgesehen wird. Da diese nachträgliche Verkabelung der Strukturen mit erhöhtem Montageaufwand und somit mit erhöhten Produktkosten verbunden ist, werden Ansätze erarbeitet, die eine fertigungsparallele Integration der elektrischen Leiterbahnen in das System erlauben. In [Abbildung 1] ist ein multifunktionales Bauteil abgebildet, in das vor dem Umformprozess die isolierenden Kunststoffschichten und die elektrischen Leiterbahnen integriert wurden. Dieses Bauteil wurde durch einen wirkmedienbasierten Tiefziehprozess hergestellt. Die Schichtdicken und die verwendeten Materialien sowie die Prozessparameter des Umformprozesses sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die mehrschichtigen Verbundbleche den Belastungen standhalten.

Außerdem sollen vor dem Umformprozess Dehnungsessstreifen auf der Basis leitfähiger Druckfarben auf die umzuformenden Blechhalbzeuge gedruckt werden, um hoch wirtschaftlich multifunktionale Bauteile mit sensorischen Eigenschaften herstellen zu können.

Abbildung 1: Multifunktionales Blechbauteil mit integrierten elektrischen Leiterbahnen, hergestellt wirk-medienbasiertes Tiefziehen
Abbildung 1: Multifunktionales Blechbauteil mit integrierten elektrischen Leiterbahnen, hergestellt wirk-medienbasiertes Tiefziehen

Die auf diese Weise entstehenden multifunktionalen Bauteile bestehen aus isolierenden Polymerschichten, elektrisch leitfähigen metallischen Flachleitern, dem steifigkeitsgewährleistenden Blechhalbzeug sowie Sensoren auf der Basis von leitfähigen Polymeren. All diese Elemente werden vor dem Umformprozess zu einem multifunktionalen Halbzeug zusammengefügt und anschließend umgeformt. [Abbildung 2] zeigt Bauteile mit Dehnungsmessstreifen, die im Siebdruckverfahren auf die Blechoberfläche aufgebracht wurden. Diese wurden bereits vor dem Umformprozess auf das Blechhalbzeug aufgebracht und erst anschließend umgeformt. Das Verhalten dieser leitfähigen Polymerschichten muss ebenfalls bereits vor dem Umformprozess antizipiert werden, um eine elektrische und mechanische Schädigung dieser gedruckten Leiterbahnen und Sensorstrukturen zu vermeiden.

Das Verfahren des Tiefziehens ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung solcher Bauteile, sofern die schädigungsfreie Umformung der multifunktionalen Halbzeuge gelingt. Zudem wird alternativ auch das Verfahren des Biegens für die Umformung der multifunktionalen Halbzeuge eingehend untersucht. Die in Abbildung [2] dargestellten Bauteile wurden durch ein mehrstufiges Biegeverfahren hergestellt.

Zur Charakterisierung des Umformverhaltens der multifunktionalen Bauteile werden außerdem diverse umformtechnische Versuche durchgeführt, wobei gezielt ein-, zwei- und mehrachsige Beanspruchungszustände in den Verbund eingeleitet werden. Somit soll gezielt das Prozessfenster für ausgewählte Umformprozesse angepasst und erweitert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die funktionalen Elemente nach dem Umformprozess auch die gewünschten elektrischen Eigenschaften, wie z. B. einen bestimmten elektrischen Widerstand, gewährleisten müssen.

Abbildung 2: Sensorringe, die vor dem Umformprozess im Siebdruckverfahren funktional bedruckt wurden (Silber- oder Graphitfarbe auf isolierender Grundschicht)
Abbildung 2: Sensorringe, die vor dem Umformprozess im Siebdruckverfahren funktional bedruckt wurden (Silber- oder Graphitfarbe auf isolierender Grundschicht)

Das Ziel des Projektes ist es, den Umformprozess dieser mehrschichtigen Halbzeuge mechanisch zu begreifen, numerisch abzubilden und Richtlinien zu entwickeln, die in Zukunft zur Auslegung solcher Verbunde verwendet werden können. Besonders die numerische Abbildung des Umformprozesses und die Analyse des Verhaltens der unterschiedlichen Schichten während des Umformprozesses stellen aufgrund der unterschiedlichen Materialgesetze der einzelnen Verbundelemente eine große Herausforderung dar.

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer LBF, der Technischen Universität Darmstadt sowie der Hochschule Darmstadt werden Methoden entwickelt, mit denen die beschriebenen Projektziele erreicht werden können.

Das LOEWE-Zentrum AdRIA wird durch das Fraunhofer LBF koordiniert und von der Regierung des deutschen Bundeslandes Hessen finanziert.