Formgedächtnislegierungen in Verbundwerkstoffen

Aufgrund der werkstoffinhärenten Energiewandlungsfunktion thermischer Formgedächtnislegierungen ist zur Realisierung aktorischer Funktionen lediglich der Formgedächtniswerkstoff selbst notwendig. Integriert in Kunststoffstrukturen werden so intelligente Bauteile und Strukturen möglich, die selbstständig auf Änderungen der äußeren Umgebungsbedingungen reagieren. Der Vortrag zeigt Möglichkeiten und Randbedingungen für die Integration von Formgedächtniswerkstoffen in textile Halbzeuge und Kunststoffverbundwerkstoffe auf

Werkzeugintegrierte Sensorik zur Prozessüberwachung in der Zerspanung

Bei Werkzeugmaschinen spielen zunehmend komplexe Regelungsalgorithmen eine Rolle. Statt Einzelkomponenten, wie zum Beispiel die Antriebe, zu regeln, steht immer häufiger die Regelung des Fertigungsprozesses im Sinne eines Qualitätsregelkreises im Vordergrund. Die Maschine passt ihr Verhalten selbstständig so an, dass zu jedem Zeitpunkt eine qualitativ und produktiv optimale Bearbeitung erfolgt. Auch schwierige Aufgaben wie die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe oder die Fertigung hochgenauer Werkstücke können so effizient und produktiv erfolgen. Bisher muss dafür auf Sensorik zurückgegriffen werden, die weit weg von der Wirkstelle platziert ist, wie z.B. die Stromsignale der Antriebe oder eine Schwingungsmessung am Gestell der Maschine. Eine zuverlässige und genaue Charakterisierung des Prozesszustandes ist damit nur ungenügend möglich, was eine zuverlässige Prozessregelung nahezu unmöglich macht. Das Ziel aktueller Forschungsarbeiten besteht deshalb in der Entwicklung einer hochintegrierten Sensorik, mit der direkt unter der Wendeschneidplatte Kraftverlauf und Temperatur während der Bearbeitung erfasst werden. Als Sensortechnologie kommen piezokeramische Dickschichten und Aluminiumnitrid-Dünnschichten zum Einsatz. Beide Schichtsysteme besitzen piezoelektrische Eigenschaften und können deshalb zur Kraftmessung genutzt werden. Während die piezokeramischen Dickschichten eine hohe Sensitivität aufweisen, bieten Aluminiumnitrid-Schichten eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe Festigkeit. Das gemessene Signal wird direkt auf dem rotierenden Werkzeug vorverarbeitet. Mittels einer in den Werkzeugträger integrierten Elektronik wird das Signal verstärkt, gefiltert sowie komprimiert bzw. codiert. Für die Zuführung der notwendigen Energie von außen und für die Übertragung des komprimierten Messsignals sorgt eine drahtlose Übertragungsstrecke auf RFID-Basis. Auf der Maschinenseite wird das Kraftsignal wieder decodiert und an die Steuerung der Werkzeugmaschine übergeben. Diese setzt das Signal in Relation zur aktuellen Bearbeitungsaufgabe und vergleicht den aktuellen Prozesszustand mit dem gewünschten Optimalzustand. Anhand der ermittelten Differenz leitet die Maschine selbsttätig eine geeignete Reaktion ab. So kann beispielsweise die Drehzahl der Hauptspindel oder der Vorschub der Antriebe angepasst werden

Formgedächtnislegierungen in der Hochlastaktorik: Potentiale und Herausforderungen: Vortrag gehalten auf der WerkstoffWoche, Werkstoffe für die Zukunft, 27.-29. September 2017, Dresden

Thermische Formgedächtnislegierungen sind aktuell hauptsächlich als Drähte im aktorischen Einsatz. Hierfür sind am Markt eine Vielzahl standardisierter optimierter Halbzeuge erhältlich. Um das Einsatzfeld von Formgedächtnislegierungen um die Hochlastaktorik zu erweitern und so z. B. den Einsatz in Werkzeugmaschinen zu Ermöglichen werden andere Halbzeuge und Aktorkonzepte benötigt. Dadurch verändern sich u.a. die Anforderungen an Material und Halbzeuggeometrie und damit auch an die Fertigung. So weisen Stabhalbzeuge mit einem Durchmesser größer 5 mm noch kein optimiertes Gefüge auf, da sie dem Herstellungsprozess von Drähten entnommen wurden. Hier besteht Optimierungsbedarf. Auch Heizkonzepte, Isolation, Rückstellmechanismen und Regelungskonzepte müssen weiterentwickelt bzw. völlig neu erarbeitet werden, um das volle Potential von Formgedächtnislegierungen in der Hochlastaktorik auszuschöpfen

Strukturintegrierte Aktorik mit thermischen Formgedächtnislegierungen

Aufgrund des einfachen Aufbaus eignen sich Formgedächtnislegierungen sehr gut zur Realisierung von vollständig in die umgebende Struktur integrierte Aktoren. Dies ermöglicht nicht nur Aktoren mit extrem geringen Bauräumen und Gewicht sondern ergibt auch die Möglichkeit zur Entwicklung völlig neuartiger Produkte. Der Vortrag geht aufbauend auf der Darstellung prinzipieller Eigenschaften thermischer Formgedächtnislegierungen auf die Möglichkeiten zur Strukturintegration ein. Hierbei werden sowohl die Integration in Kunststoffbauteile als auch die Integration in metallische Umgebungen thematisiert. Anhand von Beispielen wird das immense Innvationspotential dieser Technologie verdeutlicht

Temperiertes Batterie-Package in profilbasierter Leichtbauweise: Vortrag gehalten auf dem Symposium "Werkstoffe und Konzepte für Fahrzeuge von morgen", 6. und 7. November 2018, Salzgitter

Die Anwendung innovativer Leichtbauwerkstoffe und -technologien spielt eine entscheidende Rolle für die Elektromobilität von morgen. Weniger Gewicht zu bewegen, bedeutet den Energieverbrauch zu reduzieren und damit die Leistungsfähigkeit elektrisch angetriebener Fahrzeuge zu steigern. Neben den hohen Anschaffungskosten und der noch im Ausbau befindlichen Ladeinfrastruktur ist die geringe Reichweite derzeit ein Hindernis für die Etablierung von Elektrofahrzeugen. Etablierte Leichtbauansätze sind zur Reichweitenerhöhung jedoch nicht ausreichend. Steigende Effizienz-, Sicherheits-, Bauraum- und Komfortanforderungen können nur über die Integration mehrerer Funktionen in innovative Materialsysteme serientauglich realisiert werden. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik greift diese Thematik im Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg auf. Ziel der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung eines Leichtbau-Batteriegehäuses für Elektrofahrzeuge, das mechanische und thermische Funktionen in einem innovativen Materialverbund vereint. Ein neuartiger Sandwichaufbau bestehend aus einer Aluminiumdecklage, einem Aluminiumschaumkern und einer konturgebenden, korrosionsbeständigen Decklage aus endlosfaserverstärktem Thermoplast ersetzt dabei die konventionelle Stahl-Schalenbauweise. Auch der Einsatz von Naturfasern wird untersucht, da diese hinsichtlich Dämpfungseigenschaften und Nachhaltigkeit ein hohes Potenzial aufweisen. In Verbindung mit dem Aluminiumschaumkern, der ein hohes Energieabsorptionsvermögen aufweist, werden die Batteriemodule vor Steinschlag und Intrusion geschützt. Über das stoffschlüssig mit dem Aluminiumschaum verbundene Aluminium-Deckblech wird die Anbindung der Batteriemodule mit speziellen Inserts sowie die Wärmeableitung in den Schaum realisiert. Durch Infiltration des geschlossen porigen Aluminiumschaumkerns mit Phasenwechselmaterial (PCM) können thermische Lastspitzen geglättet sowie überschüssige Wärmeenergie gespeichert werden. Das PCM verfügt im Bereich des Phasenwechsels fest-flüssig über eine hohe Wärmespeicherkapazität und ist somit in der Lage große Wärmemengen zu puffern. Durch den Schutz der Batteriezellen vor temporärer thermischer Überlastung wird die Lebensdauer der Batterien erhöht Für ein ganzheitliches Temperierungskonzept werden zudem eine regelbare Wärmeleitung durch autark schaltendes thermosensitives Formgedächtnismaterial sowie der Abtransport der Batteriewärme durch Einsatz von Wärmeleitrohren (Heatpipes) im Rahmen der Forschungsarbeit betrachtet. Weiterführende Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit einem Leichtbau-Bauweisenkonzept für den Fahrzeugunterboden unter Verwendung pultrudierter Profile aus faserverstärktem Kunststoff. Neben einem enormen Leichtbaupotential, der Möglichkeit der belastungsgerechten Auslegung und nahezu unbegrenzter Geometrievielfalt können auch hier zusätzliche Funktionen, z.B. Sensoren und Aktoren, integriert werden

Development of thermal switches based on shape memory alloy actuators

In machine tool engineering, the impact of thermal issues on machine precision and efficiency has been outlined in numerous studies. One of the major challenges is the energy-efficient distribution of heat within the machine structure. In order to control occurring heat fluxes without additional energy input into the machine tool, smart materials can be used for load-dependent adjustment of heat transfer characteristics. The present study illustrates the development and examination of heat transfer switch mechanisms using shape memory alloys. Experimental and numerical results demonstrate how different types of actuators can be used to enable an energy self-sufficient thermal switch function between heat source and heat sink. Different scenarios are considered and the combination of thermal switches with highly conductive heat-transfer devices and latent heat storages is evaluated

Schwingungsunterstützte Bearbeitung mit Piezoaktorischen Zusatzkomponenten: Vortrag gehalten auf dem Symposium 60 Jahre Fertigungstechnik Dresden, 20./21. November 2014, Dresden

Aufgrund der sehr hohen erzeugbaren Kräfte und ihrer hohen Steifigkeit eignen sich Piezokeramiken hervorragend als integrierte Antriebe in Werkzeugmaschinen. Der Einsatz piezobasierter Komponenten in der Produktionstechnik ist deshalb Gegenstand vieler Forschungsarbeiten. Der Fokus liegt dabei sehr oft auf Systemen zur Zustandsüberwachung oder Schwingungsreduktion. Es existieren allerdings auch einige Ansätze, in denen die Piezoaktoren für die Erzeugung von Schwingungen genutzt werden. Diese gezielt eingebrachten Schwingungen beeinflussen Bearbeitungsvorgänge positiv oder erweitern bisher bestehende Fertigungsgrenzen. Der Beitrag liefert einen Überblick über diese Anwendungen, deren Parameter und den technologischen Hintergrund. Ausgewählte Systeme werden detailliert u. a. mittels experimenteller Ergebnisse dargestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einem adaptronischem Honwerkzeug und Systemen zur Mikrokonturierung sowie zur Unrundbearbeitung mit bestimmter Schneide. Zusammenfassend werden die bestehenden Systeme unter Berücksichtigung ihrer Vorteile und eventuellen Hindernisse verglichen. Darüber hinaus beschreibt der Ausblick die Herausforderungen, die einem zukünftigen breiten Einsatz piezobasierter Zusatzkomponenten in Bearbeitungssystemen aktuell noch entgegenstehen