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DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP B01

Umformung von Piezo-Metall-Verbunden und numerische Untersuchungen zum Einfluss des Umformvorgangs auf deren Funktion

W.-G. Drossel, R. Müller
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

Ziele

Zielstellung ist die Entwicklung einer großserienfähigen Technologie zur prozesssicheren, reproduzierbaren Herstellung umgeformter Sandwichbauteile mit einer integrierter Sensor- und Aktorfunktionalität.

 

Ergebnisse

Bisherige Ergebnisse

Im vergangenen Antragszeitraum wurde gezeigt, dass die Methode der schwimmenden Lagerung eine Umformung von hochspröden Piezofasern ermöglicht. Durch eine Variation des Bauteildesigns wurden Sandwichbleche mit vollflächigen und lokalen Decklagen hergestellt. Es wurden Biege-, Tiefzieh- und Streckziehverfahren durchgeführt, um verschiedene Belastungszustände der Piezomodule zu untersuchen. Durch verschiedene Prüfverfahren (Röntgen, Kapazitätsmessung, Ermittlung der Sensor- und Aktorfunktionalität) wurden die Umformgrenzen ermittelt und die Funktionalität der Verbundbauteile charakterisiert. Dabei erfolgte ein enger Abgleich mit der numerischen Simulation. Neben der Simulation des Umformprozesses wurde ein Modell zur Belastungsanalyse sowie zur Abbildung der Funktionalität integrierter Piezomodule implementiert. Weiterhin erfolgte die Umsetzung von Demonstratoren in den Bereichen der aktiven Schwingungsbeeinflussung und des Health-Monitorings.

Weiterhin wurden in Zusammenarbeit mit den Teilprojekten A02 und A03 Umformversuche an mikrostrukturierten Piezo-Metall-Verbunden durchgeführt. Begleitet wurden diese Versuche durch numerische Untersuchungen zur Mikrostrukturierung, zum umformtechnischen Fügen sowie zur Umformung mikrostrukturierter Piezo-Metall-Verbunde (vgl. TP A02, A03).

 
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Abbildung 1: Tiefgezogener Rechtecknapf mit vollflächiger bzw. lokaler Decklage

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Abbildung 2: Tiefziehwerkzeug zur Herstellung von Rechtecknäpfen

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Abbildung 3: Simulationsmodell zur Umformung von Piezo-Metall-Verbunden

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Abbildung 4: Schliffbild einer Biegeprobe mit einem Biegeradius von 10 mm

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Abbildung 5: Funktionsdemonstrator zur Überwachung einer Schraubverbindung (Health-Monitoring) durch integrierte Piezomodule

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Abbildung 6: Umformung und Simulation mikrostrukturierter Piezo-Metall-Module (in Zusammenarbeit mit TP A02/A03)
 

Methoden

Der zentrale Lösungsansatz beinhaltet die Integration von flächigen Piezomodulen in Aluminium-Sandwichbleche durch Kleben sowie deren Umformung zu Strukturbauteilen. Durch eine schwimmende Lagerung des Piezomoduls während der Umformung, d. h. die Einbettung eines Piezomoduls zwischen einem Blech und einer Decklage in einen Klebstoff und die Umformung im zähflüssig Zustand des Klebstoffes, wird eine signifikante Reduzierung der in das Piezomodul eingebrachten Zug- bzw. Druckbeanspruchungen erreicht. Eine im fertiggestellten Bauteil erforderliche steife Anbindung des Piezomoduls an das Blech erfolgt durch die Aushärtung des Klebstoffes nach der Umformoperation. Folgende Methoden finden im Teilprojekt Anwendung:

  • Prozesskettengestaltung und -simulation
  • automatisierte Halbzeugherstellung
  • Integration projektinterner Piezomodule (TP A02, A05, A06)
  • Nutzung großserienfähiges Klebstoffsystem (gradierte Klebstoffeigenschaften)
  • Formgebung in klassischer Umformprozesskette
  • Simulation Umformvorgang
  • Belastungsanalyse integrierter Piezomodule
  • Simulation Piezofunktionalität
  • Charakterisierung der Funktionalität umgeformter Verbunde
 

Publikationen

Begutachtete Veröffentlichungen

 
[1] Neugebauer R, Lachmann L, Drossel W-G, Nestler M, Hensel S (2010)
Multi-layer compounds with integrated actor-sensor-functionality. Prod Eng, Special Issue, pp 379-384
[2] Neugebauer, R.; Lachmann, L.; Drossel, W.-G.; Hensel, S.; Kranz, B.; Nestler, M.:
Piezo-Metal-Composites as Smart Structures. Proceedings of the 36th International MATADOR Conference, 2010, S. 175-178
[3] Neugebauer, R.; Drossel, W.-G.; Lachmann, L.; Hensel, S.; Nestler, M.:
Experimental and Numerical Study on efficient Forming Operations of Sheet-Metal-Compounds with Integrated Piezo-Modules. Steel Research International, Metal Forming 2010, Volume 81, Number 9, September 2010; S. 725-728
[4] Neugebauer, R.; Lachmann, L.; Drossel, Welf-G.; Nestler, M.; Hensel, S.:
Smart Semi-Finished Parts for the Application in Sheet-Metal Structures. Future trends in production engineering: Proceedings of the WGP Conference, Berlin, 2013, S.121-130 (DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-24491-9_13)
[5] Suchanek, G.; Eydam, A.; Hu, W.; Kranz, B.; Drossel, W.-G.; Gerlach, G.:
Evaluation of Polarization of Embedded Piezoelectrics by the Thermal Wave Method. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 59, No. 9, 2012, S. 1950-1954
[6] Drossel, W.-G.; Hensel, S.; Nestler, M.; Lachmann, L.; Schubert, A.; Müller, M.; Müller, B.:
Experimental and numerical study of production methods for shaped metal sheets with micro-formed piezo-metal substructures: Journal of Materials and Processing Technology, Vol. 214, 2013, S. 217-228
[7] Drossel, W.-G.; Hensel, S.; Nestler, M.; Lachmann, L.:
Evaluation of Actuator, Sensor and Fatigue Performance of Piezo-Metal-Composites, IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 14, NO. 7, JULY 2014, S. 2129-2137
[8] Hensel, S.; Drossel, W.-G.; Nestler, M.; Müller, R.:
Modeling of the performance reduction of Macro Fiber Composites for use in numerical forming simulation of piezoceramic-metal-compounds. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Vol. 7, 2014, S. 124-138
[9] Nestler, M.; Drossel, W.-G.; Hensel, S.; Müller, R.:
Fabrication method for series production of sheet metal parts with integrated piezoelectric transducers. Procedia Technology 15, 2014, S. 494 – 502
[10] Müller, M.; Müller, B.; Hensel, S.; Nestler, M.; Jahn, S. F.; Wittstock, V.; Schubert, A.; Drossel, W.-G.:
Structural integration of PZT fibers in deep drawn sheet metal for material-integrated sensing and actuation. Procedia Technology 15, 2014, S. 659 – 668
[11]
Müller, M.; Müller, B; Hensel, S.; Nestler, M.; Jahn, S. F.; Müller, R.;Schubert, A.; Drossel, W.-G.:
Structural integration of piezoceramic fibers in deep drawn sheet metal for material-integrated health monitoring. Mechatronics, Available online 20 October 2015 (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2015.09.006)

Nicht begutachtete Veröffentlichngen

 
[1] Neugebauer, R.; Ihlemann, J.; Lachmann, L.; Drossel, W.-G.; Hensel, S.; Nestler, M.; Landgraf, R.; Rudolph, M.:
Piezo-Metal-Composites in Structural Parts: Technological Design, Process Simulation and Material Modelling. 3. Wissenschaftliches Symposium PT-Piesa, Oktober 2011, S. 51-56
[2] Neugebauer, R.; Lachmann, L.; Nestler, M.:
Herausforderungen bei der Umformung von Piezo-Metall-Verbunden. Verformungskundliches Kolloquium Leoben, Februar 2012
[3] Neugebauer, R.; Drossel, W.-G.; Lachmann, L.; Nestler, M.; Hensel, S.:
Actuator and Sensor Performance of Piezo-Metal-Composites. IEEE Sensors Proceedings, Taiwan, 2012, S. 355-358, ISBN: 978-1-4577-1765-9
[4] Neugebauer, R.; Drossel, W.-G.; Lachmann, L.; Nestler, M.; Hensel, S.:
Funktionsintegration in Strukturbauteilen. Conference Proceedings 4. ICAFT / 19. SFU 2012, Berichte aus Quelle dem IWU, Band 66, Oktober 2012, S. 209-226
[5] Neugebauer, R.; Ihlemann, J.; Lachmann, L.; Drossel, W.-G.; Hensel, S.; Nestler, M.; Rudolph, M.:
Experiments and FE-Simulation of the forming and curing process of bonded Piezo-Metal-Structures. 4. Wissenschaftliches Symposium PT-Piesa, März 2013, S. 103-108
[6] Neugebauer, R.; Schubert, A.; Drossel, W.-G.; Lachmann, L.; Koriath, H.-J.; Jahn, S. F.; Nestler, M.; Hensel, S.; Müller, M.; Müller, B.:
Deep Drawing of Metal Sheets with Integrated Piezo-Metal Substructures; 4. Wissenschaftliches Symposium PT-Piesa, März 2013, S. 37-42
[7] Drossel, W.-G.; Hensel, S.; Nestler, M.; Lachmann, L.:
Shaping of piezo-metal-composites. International innovation (2013), No.117, S. 91, ISSN: 2041-4552
[8] Drossel, W.-G.; Schubert, A.; Nestler, M.; Hensel, S.; Müller, R.; Müller, M.; Müller, B; Jahn, S. F.:
Novel sheet metal parts with sensor and actuator mode of operation. In Forming with Intelligence, Flexibility and Lightweight, Proceedings of the 34th International Deep Drawing Research Group, IDDRG 2015, Shanghai, Juni 2015, S. 674-687
[9] Nestler, M.; Hensel, S.; Drossel, W.-G.; Müller, R.:
Requirements for a process chain for manufacturing of piezoceramic-aluminum sandwiches. Materials Science Forum, No. 825-826, S. 377–384, 2015 (DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.825-826.377)
[10] Drossel, W.-G.; Müller, R.; Ihlemann, J.; Rudolph, M.; Hensel, S.; Nestler, M.:
Local pre-curing of an adhesive for the fabrication of shaped piezo-metal-compounds; 5. Wissenschaftliches Symposium PT-Piesa, September 2015, S.41-46
[11] Drossel, W.-G.; Schubert, A.; Koriath, H.-J.; Wittstock, V.; Peter, S.; Müller, R.; Müller, M.; Hensel, S.; Nestler, M.; Jahn, S. F.; Pierer, A.; Müller, B.; Schmidt, M.:
Experimental and numerical study on the electro-mechanical behavior of piezoceramic fibers during joining by forming; 5. Wissenschaftliches Symposium PT-Piesa, September 2015, S. 71-76

Kontakte

Leiter:

Prof. Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz

Telephon: +49 371 5397-1400

E-Mail:

Dr.-Ing. Roland Müller
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz

Telephon: +49 371 5397-1464

E-Mail:

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