Technologien für intelligente Hybridbauteile

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1 Technologien für intelligente Hybridbauteile Welf-Guntram Drossel, Holger Kunze Der smart³-ansatz BMBF Zwanzig20 Initiative smart³ I materials solutions growth

2 Agenda Motivation für Intelligente Hybridbauteile BMBF Zwanzig20 smart³ I materials solutions growth Intelligente Werkstoffe smart materials Funktionswerkstoffe Intelligente Produkte - Verwertungspotentiale Integrationstechnologien für Piezokeramik Integrationstechnologien für Formgedächtnislegierungen Zusammenfassung 2

4 Motivation für Intelligente Hybridbauteile??? Wunsch nach steigender Funktionalität zunehmende Komplexität von Produkten Funktionsverdichtung Miniaturisierung Ressourcenschonung Bedarf für Fertigungstechnologien für intelligente Hybridbauteile 4

5 Problemfeld: Komplexität technischer Systeme 5

6 Problemfeld: Komplexität technischer Systeme Lösungsansatz 6

7 Verschmelzung von Funktion und Struktur Potentiale Paradigmenwechsel im Produkt 7

9 ZWANZIG20 Partnerschaft für Innovation BMBF-FÖRDERRICHTLINIE Insgesamt 10 geförderte Initialkonzepte (Gesamtvolumen 500 Mio ) max. 45 Mio Förderhöhe pro Konsortium; 50% Förderquote 9

10 ZWANZIG20 Partnerschaft für Innovation BMBF-FÖRDERRICHTLINIE Überregionales Projektkonsortium Mind. 80% Ostdeutschland (mind. 1 Partner pro Bundesland) Min. 1 Partner Westdeutschland Vorrangig KMU 10

11 Dachorganisation smart³ e.v. Vereinszweck: Förderung und Koordination von Forschung und Entwicklung an produktorientierten Anwendungen von Funktionswerkstoffen Interdisziplinäre Zusammenarbeit Bindeglied für alle im Konsortium über die Einzelprojekte hinaus Gründung am Über 30 Mitglieder 11

12 smart³ e.v. Laufende Ausschreibungen für FuE-Vorhaben: Smart Living Alltag der Zukunft Energieeffiziente, intelligente Gebäude, -technik Energy Harvesting Smart Mobility Mobilität der Zukunft Intelligente Assistenz- und Sicherheitssysteme Individualisierung adaptive Formen und Oberflächen Dezentrale Energieversorgung Smart Health Gesundheit der Zukunft Nachhaltige Gesundheit unter den Bedingungen des demografischen Wandels Intelligente Implantate, Prothesen, medizinische Hilfsmittel Intelligente medizinische Instrumente Smart Production Produktion der Zukunft Prozessnahe Sensorik und Aktorik für Urform-, Umform- und Zerspanprozesse Flexible Spannmittel * Nähere Informationen: 12

14 Intelligente Werkst. - smart materials Funktionswerkst. Elektrisches Feld Magnetfeld Wärme Licht Piezokeramiken Piezopolymere Ferroelektrische Keramiken Magnetostriktive Legierungen Magnetoviskose Flüssigkeiten Gedächtnislegierungen Gedächtnispolymere Polymergele Polymergele elektrostriktive photomechanische Materialien Aktor Mechanische Kraft Deformation Piezokeramiken Piezopolymere Ferroelektrische Keramiken Magnetostriktive Legierungen Magnetoviskose Flüssigkeiten Gedächtnislegierungen Gedächtnispolymere Polymergele Polymergele elektrostriktive photomechanische Materialien Sensor Widerstand Kapazität Ladung Widerstand Induktivität Widerstand Lichtstärke 14

15 Smart Materials Einordnung Charakterisierung nach Spannung, Dehnung und Frequenz Elektrisches Feld (hohe Frequenzen) Piezo Dielektrische Elastomere Magnetfeld (mittlere Frequenzen) magn. FGL magneto-rheo. Fluid Gewalzte NiMnGa-Probe Quelle: Fh ISC Thermisches Feld (niedrige Frequenzen) thermische FGL Shape Memory Polymers Quelle: Euroflex Quelle: Darpa und SRI International 15

16 Werkstoffe Piezokeramik Mechanismus: Deformation von Dipolen im Kristal erzeugt eine Verschiebung von Ladungsträgern Elektrische Spannung F F - + L V Hohe Blockierkräfte (100N/mm²) - Geringe Dehnung (0,1%) - Sehr hohe Frequenzen (>100kHz) Direct (a) Direkter Effect Effekt Sensor Mode Indirect (b) indirekter Effect Effekt Actuator Mode Einspritzdüse Flexibler Patch-Aktor 16

17 Werkstoffe Formgedächtnislegierungen (FGL) Mechanismus: Thermisch induzierte Phasenumwandlung ändert die Gefügestruktur Spannungs-Dehnungs-Verhalten Effekte: Pseudoelastizität: reversible 8% Dehnung Ein-Weg-Effekt: mechanisches Rückstellen Zwei-Weg-Effekt: Formänderung bei Erhitzen und Abkühlen - max. Dehnung: 5 % - Spannung: 350 N/mm 2 - Frequenzen: <1Hz Verschiedene FGL-Aktorgeometrien 17

18 Werkstoffe Elektroaktive Polymere Bildquelle: NASA Mechanismus: Bewegung resultiert aus elektrostatischen Kräften zwischen zwei Elektroden, die das Polymer verformen Kompression in Dicke und Expansion in Länge und Breite - Sehr hohe Dehnungen(10 %) - Mittlere Blockierkräfte: 0,1 N/mm 2 - Hohe Frequenzen: >1kHz - Exzellenter Wirkungsgrad, hohe Arbeitsdichte EAP Biegeaktor EAP Lautsprecher EAP Luftschiff 18

19 Werkstoffe Rheologische Fluide Mechanismus: Flüssigkeit ändert ihre Eigenschaften(z.B. Viskosität) bei magnetischer bzw. Elektrischer Feldeinwirkung, Änderung von flüssig zu fest - Sehr hohe Scherspannungen möglich - Geringe Blockierkräfte: N/mm 2 - Hohe Anregungsfrequenzen möglich: >1000Hz MRF Dämpfer MRF Kupplung 19

21 Intelligente Hybridbauteile auf Basis von smart materials Verwertungspotentiale * Bezug zur Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung 21

22 Smart Materials - Integrationsfähigkeit Formgedächtnislegierung NiTi Magnetische Formgedächtnislegierung NiMnGa Piezokeramik PZT Steuerfeld Thermisch Magnetisch Elektrisch Mechanische Eigenschaften E-Modul (GPa) , Zugfestigkeit (MPa) > Einkristall 5-30 Druckfestigkeit (MPa) > Umformbarkeit ja nein nein Zerspanbarkeit schlecht nein begrenzt Curietemperatur Umwandlung < 100 C < 100 C < 350 C Strukturintegration mechanisch Strukturintegration Ansteuerung gut schlecht schlecht schlecht nur vorkonfektioniert gut 22

24 Integrationstechnologien für Piezokeramik Funktionsintegration Technologie für aktive Strukturbauteile heute Piezo-Modul Standardmodule Applikation auf Metallstruktur (Kleben) Aktives Strukturbauteil Laborbedingungen Reproduzierbarkeit Fertigungszeit Quelle: Smart Material GmbH Produktionstechnologien für Strukturbauteile hoch produktiv, niedrige Bauteilkosten hohe geometrische Vielfalt in kurzen Prozessketten Leichtbau durch Werkstoff und Geometrie 24

25 Anwendungsbeispiele - Piezokeramik Automobiltechnik Aktive Schwingungsreduktion an Antriebswellen Zielstellung: Reduzierung des ersten Biegeeigenmodes zur Verbesserung des akustischen Komforts Applikation von Piezomodulen Fahrerprobung: Reduktion des Schalldruckpegels um 12 db(a) bei 212 Hz Versuchsstand zur Entwicklung des Regelungsalgorithmus 25

26 Anwendungsbeispiele - Piezokeramik Luftfahrt aktives Hubschrauberblatt 1. Piezoelectric Composite Actuator 4. Active Twist Rotor In Wind Tunnel 2. Active Fiber Composite Plies 3. Active Composite Structure 4. Active Twist Control Quelle: NASA 26

27 SFB/TR 39 PT-PIESA Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten PiezoSensoren and -Aktoren PT-PIESA DFG SFB / TR 39 - Sprecher: Prof. Welf-Guntram Drossel Prozesskette heute Produktion von Sensoren und Aktoren Mechanische Bauteilfertigung Piezo- komposite- Modul Strukkturbauteil Applikation Prozesskette PT-PIESA Modul- und Bauteilfertigung Integration Oil sump Material- und Funktionsintegration in einer Prozesskette 27

28 Wissenschaftliche Herausforderung Großserienfähige Realisierung der funktionellen Bindung im Inneren des Bauteils Mechanische Struktur Grenzschicht Sensor/Aktormodul Methoden zur Einstellung und gesicherten Reproduktion der finalen Bauteileigenschaften im Prozess der Fertigung Modellierung und Identifikation der multifunktionalen Struktureigenschaften Methodenbasis zur Großserienrealisierung der Funktionsintegration 28

29 Betrachtetes Werkstoffportfolio Aluminium Anwendungspotenzial Großserienpräferenz Umformen und Druckguss Faserkunststoffverbunde thermoplastische und Polyurethan-Matrix Serien- bis Großserienpräferenz Druckguss Crash-Box Hochleistungsrotor Piezokeramik Leistungsdichte Multifunktionalität (Sensor, Aktor, Generator) Koppeleffekte (z.b. Pyroelektrizität) F - + L + V - Herausforderung Belastbarkeit der Piezokeramik Belastung bei der Bauteilherstellung F Sensor/Generator Aktor 29

30 Forschungsprogramm Prototypischer Modulaufbau und piezokeramische Halbzeuge Keramik Metall Modulintegration in Probestrukturen Umformen Produktionsmethoden Integrationsmethoden Faserkunstoffverbund Design- und Charakterisierung Moduldesign Polarisierung Simulation Polarisation Thermoplast Piezofaser Druckguss Serienfertigung von Modulen Fertigung von Bauteilen Simulation Design-Technologie -Funktion vom Werkstoffverbund mit Funktionsnachweis zu Bauteilen mit definierten Betriebsparametern 30

31 Ergebnisse Integration durch Leichtmetalldruckguss LTCC-Modul Kontaktierung Piezo-Modul eingebettet in Aluminiumdruckgussbauteil Platte 4 mm Anschlussdrähte 170 mm Röntgendurchstrahlbild: Modul- Positionierung Streckmetallummantelung Quelle: 31

32 Ergebnisse Integration in Faserkunststoffverbunde mit thermoplastischer Matrix TPM-Prototyp (Polyamid, PEEK) Kontaktierung eines TPM mittels Laserlöten Quelle: TP-Halbzeuge im IR-Strahlerfeld Aktiver Thermoplastverbund Quelle: 32

33 Ergebnisse Piezo-Metall-Verbunde Ziel: Blech Nutzung hocheffizienter Verfahren der Blechumformung zur Herstellung aktiver Strukturbauteile Spannung Keramik Aluminium Keramik gutes Umformvermögen Dehnung Piezokeramik Blech Rissbildung hohe Sprödigkeit plastische Verformung Verbindung elastische Verformung 33

34 Piezo-Metall-Verbunde - Prozessablauf vor Umformung niedrige Viskosität η = 5 10 Pa s T = 22 C während Umformung erhöhte Viskosität η = Pa s T = 22 C Einstellung der optimalen Viskosität nach Umformung ausgehärtet E-Modul = 3770 N/mm² Aushärtung Technologieentwicklung 2D-Umformung - Test 3-Punkt-Biegung R10...R75 0,5 mm 3D-Umformung - Test Streckziehen, Tiefziehen, Hydroforming STR25/STR50 3D-Umformung - Bauteil Streckziehen, Tiefziehen, hydroforming R10...R75 R=11,4mm 4 mm 34

35 Piezo-Metall-Verbunde Prozessbeurteilung Inline-Verfahren Messung der Kapazitätsverringerung Postprozess Röntgenuntersuchung Biegung R10 mm < 1 % Streckziehen R50 mm 47 % Tiefziehen R50 mm 46 % Tiefziehen R25 mm 70 % Hydroforming < 1% Rechtecknapf R100 mm < 1% Rechtecknapf R250 mm < 1 % Demonstrationsgeometrie 3 % Durchführung der Röntgen- Untersuchungen am Fraunhofer IKTS 35

37 Werkstoffverbunde mit Formgedächtnislegierungen Potenzielle Anwendungsgebiete: - große Wege - geringer Bauraum - Umgebung mit wechselnden Temperaturen Medizintechnik - Exo-Skelett - Prothesen - Instrumente Automobilbau - Aerodynamik - Temperierung Status Quo: E-Motoren FGL- Antriebe 37

38 Werkstoffverbunde mit Formgedächtnislegierungen Aktive Metallverbunde mit Formgedächtniseffekt Motivation: - Artgleiche Werkstoffe - thermisch effiziente Umgebung Selektivplattierung Verbundherstellung Verbundprojekt : Prägen von Heizleitern Verbundintegration Fraunhofer IWU und TU BA Freiberg (Institut für Metallformung) Thermo-Mechanisches Training Verbundaktivierung Förderung durch das Sächsische Ministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) 38

39 Werkstoffverbunde mit Formgedächtnislegierungen Aktive Metallverbunde mit Formgedächtniseffekt Umschließung 1. Stich Umschließung 2. Stich Eingewalzte NiTi-Drähte in Federstahlblech (Quelle: Institut für Metallformung der TU-BAF) Kalt Training durch thermomechanische Behandlung Ergebnis Erwärmung Reduzierung der Biegehöhe um ca. 15% - Formgedächtniseffekt 39

40 Werkstoffverbunde mit Formgedächtnislegierungen Kunststoffverbunde mit Formgedächtniseffekt Motivation: - Elastische Deformierbarkeit - Massenproduktion Unterboden Kühlöffnungen (Naca-Düse) Anwendung: - Thermomanagement - Aerodynamik Ziel: - energieautarkes Thermomanagement auf Basis FGL - selbstregelnde Kühlluftzufuhr Stand heute: - passiv - schlechte Aerodynamik Basis: FGL-aktorische Klappen 40

41 Kunststoffverbunde mit Formgedächtniseffekt Entwicklungsstufen Diskreter Versuchsaufbau Integration einer Metallklappe Diskrete Kunststofflösung Klappe integriert; Aktor diskret Werkstoffintegration FGL-Aktor Technologieintegration Spritzguss 41

42 Werkstoffverbunde mit Formgedächtnislegierungen Grundlagenuntersuchungen FGL-FVK-Verbunde Versuchsmuster FE-Entwurfsmodell: FGL im FVK integriert Verbundprojekt : Fraunhofer IWU Institut für Leichtbau Kunststofftechnik der TU Dresden FE-Entwurfsmodell: FGL auf FVK appliziert Förderung durch das Sächsische Ministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) 42

43 Zusammenfassung Vielfältige intelligente Hybridbauteile in diskreter Form erprobt und es wurde die technische Machbarkeit gezeigt Effizienz nur durch Funktionsverdichtung im Werkstoffverbund Einsatzspezifische Werkstoffauswahl sowohl vom Konstruktionswerkstoff als auch vom Wandlerwerkstoff notwendig Multidisziplinäres Grenzflächenproblem mechanisch, thermisch, elektrisch Herstellbarkeit der Bauteile in effizienten Prozessketten steht erst am Anfang 43