DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA
TP B03
DFG SFB/Transregio 39 PT-PIESA 

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

C. Körner
  1. Ziele
  2. Ergebnisse
  3. Methoden
  4. Publikationen
  5. Kontakt

Ziele

Das Teilprojekt B03 befasst sich mit der Entwicklung eines großserienfähigen Verfahrens zur vollständigen Integration piezokeramischer Sensor-Aktor-Module in Aluminiumdruckgussbauteile. Im Vordergrund der Forschung stehen die Punkte:

  • Entwicklung einer robusten, großserienfähigen Integrationstechnologie
  • Maximale Effizienz der Module durch optimierte Positionierung
  • Bei maximaler Verbundfestigkeit durch funktionale Zinkschichten
  • und minimalen Insertvolumen durch dynamische Fixierungskonzepte

 

Abb. 1: Darstellung eines Piezokeramikmoduls und eines angeregten Gussteils.

Ergebnisse

Prozessherausforderung

  • Außermittige Fixierung erfordert unterschiedlich Stützstrukturbreiten
  • Dadurch kommt es zu einer lateral inhomogenen Infiltration
  • Schädigung des Moduls durch einseitigen Druck möglich
  • Kurze Prozessfenster für die Ausbildung des Stoffschlusses (Stützstruktur und Gussmatrix) und für die Bewegung dynamischer Fixierungselemente im Druckgusswerkzeug
  
 

Hybride Fixierung

  • Verbesserte Performance durch erhöhte Außermittigkeit
  • Keine Modul-Schädigung
  • Hohe Prozesssicherheit
  • Reduzierte Grenzfläche Stützblech/ Gussmatrix

Abb. 2: Details zum Hybriden Fixierungskonzeptes: Theoretisches Design – Modulvariationen – Schematische Übersicht des Gussteilaufbaus mit integrierten Modulen.

  
 

Funktionale Zn-Schicht

  • Aktivierung der Oberfläche nötig, um Stoffschluss zu realisieren
  • Al-Al-Verbund mit Zinkatverfahren und Galvanik möglich
  • Definition von Prozessfenster für den Einsatz unterschiedlicher Al-Knetlegierungen als Stützbleche notwendig
  • Einstellen der Grenzschicht durch Wärmebehandlung

Abb. 3: Fertiges Insert auf Basis des hybriden Fixierungskonzeptes mit sehr dünner Zinkschicht.

Abb. 4: Mikrosondenaufnahme eines Al-Al Verbundwerkstoffes im Gusszustand und nach einer Wärmebehandlung.

  
 

Einbettungsverhalten

  • Untersuchung des Einflusses von Position und Lage des Streckmetalls und der Stützbleche auf die Formfüllung
  • Vertikale, mittige Position ermöglicht symmetrische Infiltration des Streckgitters
  • Formfüllung bei Einsatz der Stützbleche ähnlich wie bei Streckmetallfixierung

Abb. 5: Simulationsergebnisse des Integrationsverhaltens bei unterschiedlichen Insertpositionen.

  
 

Eigenspannung und Verzug

  • Numerische 3D- Modelle ermöglichen eine detaillierte Verzugsvorhersage

Abb. 6: Numerische 3D-Berechung der resultierenden Eigenspannungen bei variierten Gießparametern.

  

Verifikation der Aufwölbung

  • Experimentelle Überprüfung mit Hilfe des Tastschrittverfahrens zeigt deutliche Übereinstimmung

Abb. 7: Überprüfung der thermisch induzierten Verwindung: (links) LTCC/PZT Module. (rechts) PI-Module.

  

Funktionalität

  • Bei Berücksichtigung von Hebelarm und Außermittigkeit: Linearer Zusammenhang
  • Reduktion der Effizienz bei erhöhter Bauteildicke

Abb. 8: Akustisches Verhalten der angeregten Gussbauteile. Es wird eine höhere Funktionalität bei dünneren Gussteilen und exzentrisch Positionierten Piezokeramik-Modulen beobachtet.

  
 

Demonstrator

  • Technologietransfer der „Hybriden Fixierung“ zu komplexen Bauteilen
  • Piezoposition entscheidend
  • Dämpfung des Schallpegels bis zu 85 % in der 1. Mode

Abb. 9: CAD Modell und Dämpfungsmessungen für die erste Eigenfrequenz (≈ 980 Hz) des Demonstratorbauteils „Glocke“

  
 

Methoden

Prozessentwicklung

 

Werkzeugtechnologie

  • Dynamische Fixierung, in-situ Stützstruktur
  • Prozessparameter: vGießkolben, TWerkzeug, usw.
  • Herausforderung: Ermittlung der Prozessfenster für Bewegung der dynamischen Fixierung

Abb. 10: Schematischer Aufbau (links) und Konzept (rechts) für die dynamischen Fixierungskonzepte. Oben: Dynamische Pins ersetzen hybrides Stützblech mit Streckmetallen. Unten: Dynamischer Stützblock stabilisiert das Modul während des Gießens.

  
 
Beschichtungstechnologie
  • < 1 µm: Zinkatverfahren
  • ≥ 1 µm: Galvanik
  • Verschiedene Dicken, Morphologie, Verhalten im Druckgussprozess

Abb. 11: Parameterstudie für Zinkbeschichtung auf unterschiedlichen Al-Knetlegierungen.                  

  
Charakterisierung
  • Grenzschicht: REM, EDX, Lichtmikroskopie, Mikrosonde, WDX, Scherversuche
  • Positionierung: Schliffbilder, CT, Röntgenanalyse, Ultraschallmikroskopie
  • Funktionalität: Impedanzanalyse, Laser-Vibrometer, Auslenkungsmessung
  • Aufwölbung: Num. Modellierung, Perthometer, Microglider

Abb. 12: Mikrosonden- und Lichtmikroskop Aufnahmen eines Al-Al Verbundgussbauteils.

Abb. 13: Röntgendurchstrahlbild des Demonstratorbauteils „Glocke“

  
 

Publikationen

Arbeiten mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung

 
[Kla12] Klassen A, Rübner M, Ilg J, Rupitsch SJ, Lerch R, Singer RF, Körner C (2012)
Influence of the fabrication process on the functionality of piezoceramic patch transducers embedded in aluminum die castings. Smart Mater Struct 21:115014(11pp)
[Köp14] Köpf J, Rübner M, Klassen A, Singer RF, Körner C (2014)
Thermo-mechanical loads on piezoceramic modules integrated in high pressure die castings. Int Foundry Res 2014(1)
[Rüb11a] Rübner M, Günzl M, Körner C, Singer RF (2011)
Aluminium-aluminium compound fabrication by high pressure die casting. Mater Sci Eng A 528(22-23):7024-7029
[Sch13a] Schwankl M, Kellner R, Singer RF, Körner C (2013)
The influence of sandblasting on the morphology of electroless deposited zinclayers on aluminum sheets. Appl Surf Sci 283:202-208
[Sch13b] Schwankl M, Rübner M, Singer RF, Körner C (2013)
Integration of PZT-Ceramic Modules using Hybrid Structures in High Pressure Die Casting. Proc Mater Sci 2:166-172
[Suc12] Suchaneck G, Eydam A, Rübner R, Schwankl M, Gerlach G (2012)
A Simple Thermal Wave Method for the Evaluation of the Polarization State of Embedded Piezoceramics. Ceram Int 39(1):S587-S590
[Sch13c] Schwankl M, Rübner M, Flössel M, Gebhardt S, Michaelis A, Singer R F, Körner C (2013)
Active functionality of piezoceramic modules integrated in aluminum high pressure die castings. Sens Actuators A, doi:10.1016/j.sna.2013.12.016
[Kör14] Körner C, Schwankl M, Himmler D (2014)
Aluminum-Aluminum compound castings by electroless deposited zinc layers. Mater Process Technol, doi:10.1016/j.jmatprotec.2013.12.014

Andere Veröffentlichungen

 
[Kla11] Klassen A, Rübner M, Ilg J, Rupitsch SJ, Lerch R, Körner C, Singer RF (2011)
Integration of piezoceramic sensors and actuators into structural components via high pressure die casting. In: Proc CRC/Transregio 39. Chemnitz, Germany, pp 45-50
[Rüb11b] Rübner M, Klassen A, Körner C, Singer R F, Ilg J, Rupitsch S J, Lerch R (2011)
Dünnwandige Aluminiumdruckgussteile mit integrierten piezokeramischen Sensoren und Aktoren - Fertigung und Charakterisierung. In: 18. Symp Verbundwerkst Werkstoffverb, Chemnitz, S 277-282
[Rüb13] Rübner M (2013)
Verfahrenstechnische und werkstoffkundliche Grundlagen zur vollständigen Integration aktiver Komponenten in Druckgussbauteile. Dissertation, FAU Erlangen-Nürnberg
[Sch13d] Schwankl M, Flössel M, Köpf J, Körner C, Gebhardt S, Singer RF, Michaelis A (2013)
Integration of piezoceramic components in aluminum high pressure die castings. In: Proc CRC/Transregio 39. Nuremberg, Germany, pp 33-37

Kontakte

Leiter:

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

Telephon: +49 9131 27528

E-Mail:

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