Teilprojekt C7

 Motivation

Im Rahmen des SFB/TR 39 werden Piezo-Metall-Verbunde als Halbzeuge für Umformprozesse verwendet. Dabei dienen die integrierten Piezoelemente im fertigen Werkstück als Sensoren oder Aktoren. Durch die frühzeitige Einbringung der Piezoelemente in das Halbzeug wird der Gesamtproduktionsprozess flexibler und einfacher. Der Anwendungsbereich von Piezosensoren und -aktoren wird demzufolge vergrößert.

Da die Piezoelemente nur sehr kleine Deformationen unbeschadet ertragen, müssen die während der Umformung auftretenden großen Verzerrungen von den Elementen ferngehalten werden. Zu diesem Zweck werden die Elemente in einer Klebstoffbettung zwischen das funktionstragende Grundblech und ein zusätzliches Deckblech eingebracht. Der Fertigungsprozess wird dabei derart gesteuert, dass die Aushärtung des Klebstoffes erst im bereits umgeformten Zustand erfolgt, so dass der Klebstoff während der Umformung als eine schwimmende Lagerung für die empfindlichen Piezoelemente fungiert (vgl. Bild 1). Hierzu sind verhältnismäßig dicke Klebstoffschichten nötig, womit Schrumpfungsprozesse während des Aushärtens und der Abkühlung des Klebstoffs erheblich an Bedeutung gewinnen.

Bild 1: Umformung

Das Teilprojekt C7 übernimmt innerhalb des SFB/TR die Aufgabe, im Hinblick auf eben diese Aushärte- und Schrumpfungsprozesse anhand von FEM-Simulationen Aufbau- und Produktionstechnologievarianten aktiver Piezo-Metall-Verbundhalbzeuge bereits in der Konzeptionsphase bezüglich ihrer Funktionalität, Zuverlässigkeit und Effizienz zu bewerten und zu optimieren. Damit wird ein Beitrag zur Intention des SFB/TR, der effizienten Entwicklung großserienfähiger Produktionstechnologien für adaptronische Komponenten geleistet.

Vorgehen

Die wissenschaftliche Vorgehensweise beim Aufbau der virtuellen Nachbildung umfasst die Entwicklung eines für die FEM geeigneten Stoffgesetzes für den im Aushärteprozess befindlichen Fügewerkstoff, die Implementierung dieses Stoffgesetzes in die Benutzerschnittstelle USERMAT des kommerziellen FEM-Programmpakets ANSYS und die Erstellung einer speziellen Parameteridentifikationssoftware. Diese Software muss den Anforderungen Rechnung tragen, die sich bei der Simulation der Umwandlung von flüssigem in festen Zustand und der Abkühlung des Werkstoffs ergeben.

Durch die thermische und chemische Schrumpfung des Klebstoffs ist mit Sekundärverformungen insbesondere der Decklage zu rechnen, da diese möglichst dünn auszuführen ist, um den Sensoren bzw. Aktor in möglichst großer Entfernung von der neutralen Faser der Biegung zu positionieren. Gleichzeitig werden im umgeformten und ausgehärteten Verbund Eigenspannungen zurückbleiben, die auch das Piezoelement beanspruchen. Diese Beanspruchungen dürfen das Piezoelement nicht beschädigen und sie dürfen auch nicht den für die Sensor-/Aktorfunktion zur Verfügung stehenden Spielraum zu sehr einschränken.

Mit Vorhersagen über diese drei wesentlichen Effekte wird in der Anwendung auf konkrete Verbundvarianten das Hauptziel des Teilprojekts erreicht: Die Beurteilung und der Vergleich verschiedener adaptronischer Piezo-Metall-Verbundvarianten in Bezug auf die Auswirkungen der Aushärte- und Schrumpfungsprozesse im Anschluss an den Umformungsprozess.