Teilprojekt A2

Zur großserienfähigen Herstellung adaptronischer Blechbauteile werden serienfähige Technologien zur Integration bzw. Applikation der sensorischen und aktorischen Funktionswerkstoffe benötigt. Forschungsgegenstand der Prozesskette Blechumformung ist es, die bisher getrennt erfolgende Fertigung des Blechhalbzeugs und eines sensorischen oder aktorischen Wandler-Moduls in einer Prozesskette zu vereinigen. Dazu sollen Piezoelemente schon während der Halbzeugfertigung in Bleche integriert werden, um neben der Verkürzung der Prozesskette verbesserte aktorische bzw. sensorische Wirkungen zu erzielen.

Das Teilprojekt A2 verfolgt dabei den innovativen Ansatz einer Integration stabförmiger Piezoelemente in durch Umformverfahren mikrostrukturierte Aluminiumbleche. Die Besonderheit gegenüber allen bisher bekannten Technologien besteht in der direkten Anbindung der Piezoelemente in einem Blechhalbzeug durch Kraft- und Formschluss ohne elastische Zwischenschichten.

Das Konzept des Piezo-Metall-Moduls ist in Bild 1 schematisch dargestellt. Dieser Piezo-Metall-Modul nutzt den piezoelektrischen Longitudinaleffekt (d33-Effekt). Die Übertragung der mechanischen Kraft erfolgt parallel zum angelegten bzw. generierten elektrischen Feld normal zu den Dünnschichtelektroden, Isolationsschichten und Kavitätswänden. Die Piezoelemente bestehen aus PZT-Keramik und besitzen eine Querschnittsfläche 0,27 x 0,27 mm² bei einer Kontaktlänge von 10 mm gegenüber den Wänden der Mikrokavitäten. Als Versuchswerkstoffe wurden für die Automobilindustrie relevante Aluminiumlegierungen (AlMg4,5Mn0,4 und AlSi1,2Mg0,4) mit Blechstärken in einem Bereich von 0,8 mm bis 1,5 mm ausgewählt. Bild 2 zeigt einen Demonstrator des Piezo-Metall-Moduls mit 10 Piezostäben, welche über flexible Leiterplatten elektrisch kontaktiert wurden.

In der ersten Förderperiode wurden grundlegende Technologien für die serienfähige Herstellung von Mikrostrukturen mittels Durchsetzen und Fließpressen, die Integration einzelner stabförmiger Piezoelemente durch eine sensorgeführte Mikromontage und das Fügen durch Umformen erforscht. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sollen im Folgenden kurz dargestellt werden.

Im ersten Projektzeitraum wurden Grundlagenuntersuchungen zu Herstellung von Mikrokavitäten durch die Mikroumformtechnologien Mikrodurchsetzen und Mikrofließpressen durchgeführt. Dazu wurde ein modularer Werkzeugstempel entwickelt und in einer Mikro-Umformmaschine erprobt (vgl. Bild 3).

Die Ergebnisse der im ersten Antragszeitraum durchgeführten Grundlagenuntersuchungen zeigen bei beiden Verfahren ein hohes technisches Potenzial zur Herstellung von Mikrokavitäten-Arrays. Es kann mit beiden Fertigungstechnologien eine über den gesamten Bearbeitungsbereich gleichmäßige Strukturausbildung erreicht werden. Unabhängig von der Materialstärke können Kavitäten mit planer Grundfläche und nahezu senkrechten Seitenwänden erzeugt werden. Die Flanken der hergestellten Kavität zeichnen sich durch ein hohes Maß an Geradheit und Steilheit aus. Die quantitative Bewertung der erzeugten Strukturen zeigt, dass die Struktur des Stempels mit einer hohen Abbildegenauigkeit abgeformt werden kann (vgl. Bild 4).

Ein weiterer Schwerpunkt des ersten Förderzeitraums bestand in der Erforschung von Technologien zur Integration einzelner Piezostäbe in die mikrostrukturierten Trägerwerkstoffe. Die Piezostäbe wurden durch Wafersägen vereinzelt und daher auf Klebefolien bereitgestellt (vgl. Bild 5).

Für die Mikromontage wurde eine Versuchseinrichtung mit  schrittmotorbetriebenen Linearachsen und einer 3-Achs Parallelkinematik konzipiert und aufgebaut (Bild 6). Die Prozessüberwachung und Sensorführung wurde durch hochauflösende Kameras realisiert. Die Fähigkeit zur automatischen Erkennung der Kanten von Piezoelementen und Kavitäten als Grundlage eines automatisierten Montageprozesses wurde in einer LabView-Anwendung nachgewiesen. Es wurden zudem unterschiedliche Mikrogreifer untersucht. Dabei haben sich planare elektrostatische Greifer und Vakuumgreifer als besonders geeignet erwiesen. Die Fertigungseinrichtungen und ein Montagekonzept für einzelne Piezostäbe wurden in einem 3D-CAD Modell realisiert.

   
     
      

Ein dritter Schwerpunkt der Forschungsarbeiten im ersten Antragszeitraum lag in der Erforschung eines serientauglichen Fügeverfahrens durch Umformen. Experimentell und durch Simulationen (in Zusammenarbeit mit Teilprojekt C1) konnte nachgewiesen werden, dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Piezoelement und Trägerwerkstoff durch umformtechnisches Fügen von Piezoelementen im mikrostrukturierten Trägerwerkstoff erzeugt werden kann. Die Analyse der Fügeverbindung zeigt, dass sich das Material über die gesamte Länge der Kavität homogen an das den Piezostab anschmiegt. Zur Begutachtung des Querschnittes wurden Schliffbilder angefertigt. Die Betrachtung der Profile zeigt, dass unabhängig von der Position ein zerstörungsfreies Fügen der Piezoelemente im metallischen Trägerwerkstoff möglich ist. 

Innerhalb der aktuellen Förderperiode besteht der Forschungsbedarf nun vor allem in der Weiterentwicklung der Produktionstechnologien mit Blick auf die Großserienfähigkeit. Statt der Integration einzelner Piezoelemente, die im ersten Antragszeitraum für die Grundlagenuntersuchungen verfolgt wurde, sollen zukünftig vollständig kontaktierte und isolierte Verbunde aus stabförmigen Piezoelementen, „Piezo-Sprossen-Verbunde“ (PSV), gefertigt und integriert werden. Daraus ergeben sich wesentliche neue Forschungsschwerpunkte in Bezug auf die Mikrostrukturierung und Integrationstechnologie.

Der geplante Aufbau eines für eine großserienfähige Produktion angepassten Piezo-Metall-Moduls auf Basis von „Piezo-Sprossen-Verbunden“ (PSV) ist in Bild 8 dargestellt. Für die einzelnen Prozessschritte der großflächigen Mikrostrukturierung von Trägermaterialien, der Präzisionsfertigung und Präzisionsmontage von PSV sowie Fügen der PSV sind verschiedene Methoden, Ansätze und Wirkprinzipien einschließlich der erforderlichen Einrichtungen und Werkzeuge unter Berücksichtigung von Anforderungen einer Großserienfertigung zu erforschen, zu erproben und zu bewerten.

Unter dem Aspekt der Großserienfähigkeit der gesamten Prozesskette zielen die weiteren Forschungsaktivitäten auf die Erforschung von Technologien zur Fertigung und Integration von „Piezo-Sprossen-Verbunden“ (PSV) ab. Die Herstellung der PSV erfolgt in enger Zusammenarbeit des Teilprojekts A2 mit den Teilprojekten A1, A3, A4 und A6 (vgl. Bild 9).

Ausgangsmaterial für die Fertigung von PSV sind durch das TP A1 bereitgestellte Faser-Komposit-Platten welche durch das TP A3 elektrodiert und partiell mit einer Isolationsschicht versehen werden. Die Entwicklung einer Technologie für die Fertigung von PSV aus diesen Platten ist Gegenstand der Forschungsarbeiten des TP A2. Das Aufbringen der Sammelelektrode und der vollständigen Isolation der PSV (in Bild 4 nicht dargestellt) erfolgt durch die TP A4 und A3 bzw. durch das TP A6. Die Erforschung von Technologien für die Herstellung der komplexen Mikrostrukturierung des Trägerwerkstoffes, das Einlegen der PSV und das Fügen sind wiederum Gegenstand des TP A2. Anschließend erfolgt die Kontaktierung durch das TP A4 sowie die Umformung des Moduls durch TP B1 und die Polarisation durch das TP C3.

Die Technologien zur Mikrostrukturierung werden dahingehend weiterentwickelt, dass neben den Kavitäten zusätzlich Substrukturen zur Integration der Sammelelektroden sowie Formelemente wie beispielsweise Kegelstümpfe zur definierten Lagezuordnung und Montage der PSV in den Trägerwerkstoff mittels Mikrofließpressen und/oder Mikrodurchsetzen eingebracht werden können. Dazu werden die im ersten Antragszeitraum entwickelten modularen Werkzeugsysteme zum Mikrofließpressen und Mikrodurchsetzen überarbeitet und eingesetzt. Durch systematische Untersuchungen soll der Einfluss der Prozesseingangsgrößen bezüglich der erzielbaren Abbildegenauigkeiten, Strukturgeometrien und Oberflächenqualitäten ermittelt und bewertet werden. Durch eine Kombination der Umformtechnologien Fließpressen und Durchsetzen soll die Geometrievielfalt erhöht und komplexere Mikrostrukturen hergestellt werden. Schließlich soll auch der Nachweis zur Reproduzierbarkeit der Einzelverfahren und Verfahrenskombinationen erbracht werden.

Für die Herstellung der PSV werden verschiedene Fertigungskonzepte und erarbeitet und untersucht. Schwerpunkte der Forschungsarbeiten liegen dabei in der Prozesskettenentwicklung, der Konzeption von Komponenten für die Handhabung der empfindlichen beschichteten Piezoplatten bzw. PSV und in der Erforschung von Verfahren zum präzisen Trennen von Piezokeramik und Kompositen. Die im ersten Antragszeitraum entwickelte Anlagentechnik für die Handhabung und Mikromontage mit elektrostatischen und Vakuum Mikrogreifern wird dazu weiterentwickelt. Die Handhabungstechnik wird derart rekonfigurierbar gestaltet, dass sowohl die Handhabung der Platten zur Fertigung der PSV, als auch die Handhabung der PSV und die Integration in Module oder lokal mikrostrukturierte Großbleche auf einer entsprechend angepassten Anlage durchgeführt werden können.Für das Trennen werden Trennschleifverfahren (Innen- und Außentrennschleifen) untersucht und eingesetzt. Zur Erhöhung der Ausbeute bei der Integration und nach dem Fügen sollen neben optischen Verfahren zur Erkennung fehlerhafter PSV die inhärenten Sensorfunktionen des Moduls bzw. der PSV genutzt werden. 

Die geplante Anlagentechnik wird die Herstellung einer Vielzahl von Versuchsmustern der Piezo-Metall-Module ermöglichen, welche dann zunächst für weiterführende Untersuchungen im Bereich des Fügens zur Verfügung gestellt werden. Diese zielen auf die Charakterisierung der Fügeverbindung ab. Insbesondere die Ermittlung bzw. Kenntnis der auf die Piezoelemente wirkenden Druckspannungen ist für den weiteren Prozessschritt „Polarisation“ notwendig. In systematischen Untersuchungen sollen aufbauend auf den Ergebnissen der 1. Antragsphase weiterführende experimentelle Untersuchungen zur Bewertung des Einflusses strukturierter Zwischenstege an spanend und später umformtechnisch hergestellten Proben durchgeführt werden. Durch den Abgleich der Ergebnisse aus Simulation und Experiment sollen die Kontaktspannungen, d.h. die auf die Piezoelemente wirkenden mechanischen Spannungen bestimmt werden. Das Ziel ist hierbei reproduzierbare Fügeverbindung mit definierter Vorspannung zu erzeugen.