Umformtechnisches positionsgeregeltes Fügen durch plastische Deformation am Beispiel von optischen Sensoren

Das von der DFG geförderte Projekt zielt auf die positionsgeregelte umformtechnische Integration von optischen Sensoren in Tragstrukturen und Maschinenelementen.

Motivation

Tragstrukturen und Maschinenelemente mit integrierten Sensoren ermöglichen die Messung von Prozesskräften und -momenten direkt an der Maschine oder den Werkzeugen, ohne deren mechanische Funktionalität zu beeinträchtigen.

Nach dem Stand der Technik werden diese Strukturen durch die Integration von DMS-basierten oder piezoelektrischen Sensoren in passive metallische Strukturen insbesondere durch das Fügen durch plastische Deformation hergestellt. Aufgrund der hohen Designanforderungen an die zu integrierenden Sensoren und damit an den Fügeprozess sind umformtechnisch hergestellte Sensorstrukturen bisher auf ein- oder zweiachsige Kraft- oder Drehmomentmessungen beschränkt. Darüber hinaus steigen der Fertigungsaufwand und der Energieverbrauch der zugehörigen Messkette mit zunehmender Anzahl der Messachsen nahezu linear an. Im Gegensatz dazu ermöglichen optische, kontaktlose Messkonzepte eine multidimensionale Erfassung der auftretenden Lasten mit vergleichbar einfachen Designanforderungen, kostengünstigen Komponenten und mit minimalen Platzbedarf. Am PtU wurde ein optisches, bildbasiertes Sensorkonzept zur Erweiterung der Messachsen von sensorischen, lasttragenden umformtechnisch hergestellten Strukturen entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Kraft- und Drehmomentsensoren ist dieses Konzept in der Lage, bis zu sechs Freiheitsgrade bei deutlich reduzierten Gesamtkosten der Messkette zu messen.

Schematische Darstellung des entwickelten optischen mehrachsigen Kraft-/Drehmomentsensors für die Strukturintegration

Die Vorteile optischer Messkonzepte gehen jedoch mit hohe Toleranzanforderungen beim Einbauen einher und erfordern somit eine hohe Positionsgenauigkeit bei einer Strukturintegration.

Vorgehensweise

Ein Ansatz zum positionsgenauen Fügen durch die Umformung besteht darin, durch passende Gestaltung der Fügepartner eine kraft- und formschlüssige Verbindung mit möglichst niedriger Fügekraft zu erreichen. Dadurch können Lageabweichungen infolge hoher Fügekräfte reduziert werden. Erste Ergebnisse zeigen eine vielversprechende Lagegenauigkeit bei sicherer kraft- und formschlüssiger Verbindung einer Scheibe in einer rohrförmigen Struktur.

Durch die Bewegungsfreiheitsgrade an der dreidimensionalen Servo-Presse 3DSP am PtU und mit entwickelten Werkzeugen soll das zweite sensortragende Element unter Verwendung der Lageinformation des Sensors selbst lagegeregelt integriert werden. Somit sollen die hohen Toleranzanforderungen durch die Lageregelung erreicht werden.

Für die Sensorintegration an der 3DSP soll ein passender Werkzeugaufbau und ein KI-basierter Regler zum Auslesen der aktuellen Lageabweichung zwischen den beiden Sensorteilen entwickelt werden.

Integrierte Scheibe in einer rohrförmigen Struktur durch das Rundkneten mit niedriger Verformung
Positionsgeregeltes Fügen der Sensorelemente an der 3DSP. a) Darstellung der 3DSP, b) Design der Werkzeuge zum geregelten Fügen der zweiten Tragscheibe

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung des Projektes: „Umformtechnisches positionsgeregeltes Fügen durch plastische Deformation am Beispiel von optischen Sensoren“.