SFB/TR 39: Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und –aktoren
Teilprojekt B3
SFB/TR 39: Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und –aktoren 

Teilprojekt B3

Gießtechnische Integration piezokeramischer Module in metallische Bauteile - Verfahrenstechnische Grundlagen und numerische Simulation

Leiter/in:

Prof. Dr.-Ing. Robert F. Singer
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Martensstraße 5
91058 Erlangen

Telefon: 09131 / 85 27530
Telefax: 09131 / 85 27515
E-Mail: robert.singer@ww.uni-erlangen.de


Prof. Dr.-Ing. habil. Carolin Körner
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Martensstraße 5
91058 Erlangen

Telefon: 09131 / 82 27528
Telefax: 09131 / 85 27515
E-Mail: carolin.koerner@ww.uni-erlangen.de


Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Matthias Schwankl
Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Martensstr. 5
91058 Erlangen

Telefon: 09131 / 85 27768
Telefax: 09131 / 85 27515
E-Mail: Matthias.Schwankl@ww.uni-erlangen.de

Dipl.-Ing. Alexander Klassen
Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle
Martensstr. 5
91058 Erlangen

Telefon: 09131 / 85 28748
Telefax: 09131 / 85 27515
E-Mail: alexander.klassen@ww.uni-erlangen.de



Darstellung des Forschungsprogramms

Ziel des Teilprojekts B3 im SFB/TR 39 ist die Integration piezokeramischer Sensor-Aktor-Module in metallische Bauteile in einem Druckgießprozess. Das Druckgießen ist für die Verarbeitung von Aluminium- und Magnesiumlegierungen zu komplexen Bauteilen in hervorragender Weise geeignet. Insbesondere zeichnet es sich aufgrund seiner kurzen Zykluszeiten durch eine hohe Wirtschaftlichkeit bei Großserienfertigung aus. Aus den Vorteilen erklärt sich die heute dominierende Stellung des Druckgusses bei der gießtechnischen Verarbeitung von Leichtmetalllegierungen.

Die wesentliche Herausforderung bei der Piezomodulintegration besteht in der Beherrschung der thermo-mechanischen Beanspruchung der Module im Zuge der Formfüllung und Abkühlung. Den Lösungsweg für die schädigungsfreie Integration stellt im vorliegenden Projekt eine Ummantelung der Module mit einer hochporösen Struktur dar. Die Struktur soll einerseits durch eine möglichst homogene Stützwirkung die auf den Modul wirkenden lokalen Kräfte minimieren und eine exakte Positionierung erlauben. Andererseits sollte keine negative Beeinflussung der Gussmatrix durch die eingebettete Stützstruktur hervorgerufen werden und die Struktur muss sehr gut mit Aluminiumschmelze penetrierbar sein.

Im bisherigen Projektverlauf wurden erfolgreich Ummantelungskonzepte erarbeitet, welche die vollständige Integration piezokeramischer Module bei erhaltener Funktionalität erlauben. Als Stützstruktur für die Module in der Form wird Streckmetall aus Al99,5 eingesetzt (Bild 1). Dieses besitzt eine hohe Steifigkeit, lässt sich hervorragend mit Metallschmelze penetrieren und erlaubt eine relativ exakte außermittige Modulpositionierung. Mit diesem Konzept bedarf es zudem keiner speziellen Anpassung der Druckgießparameter wie Druck oder Geschwindigkeit.

Bild 1:  Der piezokeramische Modul wird zur Abstützung und zur Positionierung mit
            Streckmetall ummantelt und anschließend auf Auswerferstifte in die Kavität
            des Druckgusswerkzeugs appliziert.



Der Aufbau und die Funktionalität der Piezomodule bleiben dank dieses Konzepts erhalten (Bild 2). Allerdings sind die mechanischen Eigenschaften des Verbundes aus Streckmetall und Gussmatrix auf Grund der geringen Grenzflächenfestigkeit infolge des nicht-stoffschlüssigen Verbundes noch nicht befriedigend. Der Grad an außermittiger Modulplatzierung ist zudem noch eingeschränkt, was eine Limitierung  der Funktionalität der aktiven Struktur zur Folge hat.



Bild 2: Gussteil mit integriertem piezokeramischen Modul (rote Markierung).
           Der Modul, der wie das Durchstrahlbild zeigt durch den Eingießprozess
           nicht geschädigt wurde, kann direkt kontaktiert werden.



Zielsetzung der aktuellen Forschungsarbeit ist es, sowohl durch experimentelle als auch numerische Arbeiten die verfahrenstechnischen und werkstoffwissenschaftlichen Grundlagen für einen robusten, serientauglichen Integrationsprozess zu erarbeiten.

Auf experimenteller Seite soll die Funktionalität der aktiven Struktur durch exakte Modulpositionierung fern von der neutralen Faser weiterentwickelt werden. Gleichzeitig soll die Bauteilbeeinflussung durch Reduzierung des Stützstrukturvolumens und Verbesserung der Verbundeigenschaften von Matrix und Stützstruktur minimiert werden. Dazu werden verschiedene Ansätze verfolgt, insbesondere sollen an die jeweilige Formfüllsituation angepasste Stützstrukturen und auch geeignete Beschichtungen zur Oberflächenaktivierung entwickelt werden. Durch die Beschichtungen und die daraus resultierenden Reaktionen mit der Gussmatrix soll die Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Stützstruktur und Matrix realisiert werden.
 
Parallel zu den experimentellen Arbeiten wird der gießtechnische Integrationsprozess mittels numerischer Simulation nachgestellt. Der Chronologie der Gussteilherstellung folgend liegt der Fokus zum einen darin, den Druckgussprozess mit Formfüllung und Infiltration des Streckgitters zeitlich aufgelöst abzubilden, zum anderen sollen die während der Abkühlphase wirkenden thermo-mechanischen Felder rechnerisch ermittelt werden.
Als maßgebende Größe für die schädigungsfreie Integration der Module ist die hohe Dynamik der in den Formhohlraum einströmenden Schmelze zu sehen. Das numerische Modell (Bild 3 und 4), welches aktuell mit Hilfe der kommerziellen Software Flow-3D erstellt wird, soll es zukünftig ermöglichen, die Kräfteverteilung innerhalb der Kavität auszulesen. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse soll gezielt die Auslegung der Modulfixierung und der Positionierung des Modulpaketes im Werkzeug erfolgen.
Bild 3: Sensor-Aktor-Modul und Streckmetall zur
           Fixierung der Module in der Werkzeugkavität   
           (oben). Schematische Darstellung der
           einzelnen Komponenten für die numerische
           Simulation (unten)		 Bild 4: Schema der Formfüllsimulation mit den      
           Schwerpunkten Formfüllung und Streckgitter-Infiltration
 
Das zweite Arbeitsfeld beschäftigt sich mit dem Bauteilverhalten nach beendeter Formfüllung. Laut den mit dem FE-Programm ABAQUS berechneten Temperaturfeldern bei der Abkühlung des Gussteils haben sowohl die Isolation des Moduls als auch der Prozess mit seinen Randbedingungen, z.B. Formtemperatur und Festphasenanteil der Schmelze, entscheidenden Einfluss auf die thermische Belastung der PZT-Keramik. Die thermo-mechanischen Rechnungen verdeutlichen, dass die Keramik nach der Abkühlung unter Druckspannung steht, wobei diese senkrecht zur Polarisationsrichtung wirkt. Der Modul stellt bei der Abkühlung ein Hindernis für die schrumpfende Aluminiummatrix dar, es bildet sich ein Spalt zwischen Modul und dem darüber- und darunterliegenden Matrixsegment (Bild 5). Entscheidende Bedeutung kommt der Polyimidummantelung zu. Diese wirkt als Puffer und kann durch plastisches Fließen die sich bildenden Eigenspannungen abbauen.


Bild 5: Simulation der Aufschrumpfung der Aluminiummatrix (orange) auf den Modul (blau).
           Zwischen Modul und Matrix entsteht ein Spalt, der lokal zu einer messbaren Wölbung
           auf den Realbauteilen führt. Die Wölbung kann über eine Auswertung der Oberflächen-
           topographie nachgewiesen werden.

 

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