DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP A02

Mikrostrukturierung und automatisierte Fügetechnologien für Piezofasern in metallische Trägerwerkstoffe

A. Schubert, H.-J. Koriath
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

Ziele

Steigerung der Produktivität und der Prozesssicherheit von Mikrostrukturierungs- und Fügeprozessen zur Integration von Piezo-Sprossen-Verbunden (PSV) in metallische Trägerstrukturen in großserientaugliche Prozessketten

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  • hybride Umform- und Fügeprozesse mit elastischem Toleranzausgleich
  • Erhöhung der Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit durch Nutzung der inhärenten Sensorfunktion des PSV für die intelligente Prozessregelung des umformtechnischen Fügeprozesses
  • Verfahrensentwicklung für Verschluss der aktiven Zone zum Schutz vor Medien, mechanischen Schädigungen sowie zur elektrischen Isolation

 


Ergebnisse

Mikrostrukturierung durch Mikroumformen

Mikrofließpressen
 
  • Erweiterung um Sekundärstrukturen
  • Verringerung der Abstands- und der Breitentoleranz um 57 % gegenüber 1. Phase
  • Aspektverhältnis > 1
  • Verringerung der Umformkraft um 47% (inklusive Sekundärkavitäten)
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Hybrides Mikroumformen
 
  • Durchsetzen von flächigen Sekundärstrukturen
  • Kombination von Fließpressen und Durchsetzen in einem Hub → hybrides Mikroumformen
  • Krafteinsparung von 22% gegenüber Fließpressen
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Schliff a) Mikrofließpressen, b) hybrides Umformen
 
Prozesseingangsgrößen

Untersuchung von:
  • Stempelgeschwindigkeit, Presskraft
  • Werkzeugbeschichtungen, -werkstoffe, -konfiguration
  • Blechdicke und -legierung
  • Schmierbedingungen
  • Umformprozesse
  • Variation der Strukturgröße
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Kavitätstiefe in Abhängigkeit von der Umformkraft und Werkzeugbeschichtung

Fügetechnologien

Fügen von PSV
  • Fügewerkzeug mit modularem Fügestempel
  • mittels Form- und Kraftschluss umformtechnisch gefügter Piezo-Sprossen-Verbund
  • Geometrieoptimierung zum bruchfreien Fügen des PSVs
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Tiefziehen
  • Tiefziehprozess nach umformtechnischem Fügen
  • Stempelradien R=100 mm; 250 mm
  • keine erkennbaren Faserbrüche
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Fertigung und Montage von Piezo-Sprossen-Verbunden (PSV)

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Automatisierte Mikromontage
  • Lagemessung mit Bildverarbeitung: Wiederholgenauigkeit: 1,2 µm
  • Positionsunsicherheit (gesamt): 5,1 µm
  • konfokale Messung der Kavitätstiefe
  • Montage mit ±6,5 µm Fügespalt
→ Fügespaltreduzierung um 43%
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Integrierte Piezo-Sprossen-Verbunde für die Strukturüberwachung (SHM)

 
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Methoden

Hybride Umformverfahren
  • Halbwarmumformung
  • schwingungsunterstützte Umformung
  • Verschluss der aktiven Zone
  • statistische Versuchsplanung zur Optimierung der Technologieparameter
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Fließkurven von EN-AW 5182 (nach Ostermann)
Elastischer Toleranzausgleich
  • angepasste Umformkraft pro Steg und Einzelfaser
  • reduzierte Toleranzanforderungen an PSV (A03) und Blech
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Prinzipskizze elastischer Toleranzausgleich
Prozessregelung mit PSV als Sensor
  • Kontaktieren des PSV im Fügeprozess
  • Qualifizieren von Messsignalen
  • Prozessregelung des Kraftschlusses PSV-Blech
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Prinzipskizze des Kontaktierens beim Fügen
Charakterisierung von Eigenschaften
  • Umformung: metallografische Schliffe, Rauheitsmessung, 2D/3D-Mikroskopie, REM
  • Moduleigenschaften: Frequenzgang, Linearität, elektrische Isolation
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Metallografischer Schliff gefügter PZT-Elemente
Funktionsprüfung und Qualitätssicherung
  • Test der Modulfunktion durch statische / dynamische Anregung
  • Bewertung der Prozessfähigkeit
  • Fehlermöglichkeits- und EinflussAnalyse der Prozesskette
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Kraft-Auslenkung-Kennfeld des Piezo-Metall-Verbunds

Publikationen

Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung

 
[Dro18] Drossel W-G, Schubert A, Putz M, Koriath H-J, Wittstock V, Hensel S, Pierer A, Müller B, Schmidt M (2018)
Monitoring concept for structural integration of PZT-fiber-arrays in metal sheets: a numerical and experimental study, In: International Journal of Smart and Nano Materials, p.56-67, 2018
[Mül17] Müller B, Schubert A (2017)
Micro structuring of AlMg4.5Mn0.7 sheets by a warm forming process, Procedia Engineering, doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.1128.
[Dro17] Drossel W-G, Schubert A, Putz M, Koriath H-J, Wittstock V, Peter S, Hensel S, Pierer A, Müller B, Schmidt M (2017)
V.: Experimental and numerical study on inherent sensory characteristics of piezoceramic micro parts during joining by forming, In: Porc. VIII ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials - SMART, 2017, S. 359-369, ISBN: 978-84-946909-3-8
[Mül17] Müller B, Pierer A, Schmidt M, Schubert A, Koriath H-J, Putz, M, Wittstock V (2017)
V.: In-process monitoring of joining operations for piezoceramic elements, In: Proc. 21. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, 2017, Bremen, S. 800-806, ISBN: 978-3-0357-1198-1
[Mül17] Müller B, Pierer A, Schmidt M, Schubert A, Koriath H-J, Putz, M, Wittstock V (2017)
V.: In-process monitoring of joining operations for piezoceramic elements, In: Key Engineering Materials, Vol. 742, pp. 800-806, 2017
[Dro13] Drossel W-G, Hensel S, Nestler M, Lachmann L, Schubert A, Müller M, Müller B (2014)
Experimental and numerical study on shaping of aluminum sheets with integrated piezoceramic fibers. J Mater Process Technol 214(2):217-228
[Sch13a] Schubert A, Wittstock V, Jahn SF, Müller B, Müller M (2013)
Joining by forming of piezoceramic macro-fiber arrays within micro-structured surfaces of aluminum sheets. Prod Eng, doi:10.1007/s11740-013-0498-7
[Sch13b] Schubert A, Wittstock V, Koriath H-J, Jahn SF, Peter S, Müller B, Müller M (2013)
Smart Metal Sheets by Direct Functional Integration of Piezoceramic Fibers. Microsys Technol, doi:10.1007/s00542-013-1836-6
[Sch13c] Schubert A, Jahn SF, Müller B (2013)
Microstructuring by a Combination of Micro Impact Extrusion and Shear Displacement Forming. Key Eng Mater 554-557:893-899
[Neu13a] Neugebauer R, Koriath H-J, Müller M (2013)
Assembly of smart adaptronic piezo-metal composites by use of prefabricated batches of piezoceramic micro part. In: Proc. SPIE 8692, 869224
[Sch14] Schubert A, Jahn SF, Müller B (2014)
Modular Tool Concept and Process Design for Micro Impact Extrusion. Prec Eng 38(1):57-63

Andere Veröffentlichungen

 
[Neu13b] Neugebauer R, Schubert A, Koriath H-J, Jahn SF, Müller B, Müller M (2013)
Microfabricated piezo- metal substructures for sensor integration in large sheet metal parts. In: Proc 13th euspen, vol 2, pp 109-112
[Sch13d] Schubert A, Neugebauer R, Jahn SF, Müller M, Müller B (2013)
Integration von Piezosensorik in Aluminiumbleche für das Structural Health Monitoring. In: 19. Symp Verbundwerkst Werkstoffverb, S 664-672
[Sch12a] Schubert A, Jahn SF, Müller B (2012)
Umformende Mikrostrukturierung von Blechwerkstoffen für die Herstellung von Piezo-Metall-Modulen. In: Proc 4th ICAFT. Chemnitz, Germany, S 411-424
[Sch12b] Schubert A, Jahn SF, Müller B (2012)
Influence of Different Tool Materials, Coatings and Lubricants onto Shape Accuracy during Micro Impact Extrusion. In: Proc 12th euspen, vol 2, pp 75-79
[Neu11a] Neugebauer R, Koriath H-J, Regel J, Müller M (2011)
Process chain and tolerance management for precision manufacturing of piezo-metal-modules. In: Proc ISEM, pp 54(1)-54(12)
[Neu11b] Neugebauer R, Koriath H-J, Richter M, Müller M (2011)
Miniature 3-DOF planar parallel kinematics with large work space for precision positioning of endeffectors. In: Proc 11th euspen, vol 2, pp 315-318
 

Kontakte

Leiter:

Prof.Dr.-Ing. Andreas Schubert
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Maschinenwesen
Professur für Mikrofertigungstechnik (MFT)
09107 Chemnitz

Telephon: +49 371 531-34580

E-Mail:

Dr.-Ing. Hans-Joachim Koriath
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Reichenhainer Str. 88
09126 Chemnitz

Telephon: +49 371 5397-1485

E-Mail:

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