Technologietransfer zwischen Wissenschaft und Industrie: smart³ als Worldcafé-Tischpate

Im Rahmen des futureSAX-Innovationsforums diskutieren über 100...

03./04.12.: "Losgröße 1 geht in Serie"

Fachsemniar: Mass Customization auf der Werkzeugmachine

Neue Ausschreibungsrunde

smart³ schreibt erneut Projekte in den Säulen I, II & III aus.

 

Leitanwendung: Prozessnahe Sensorik und Aktorik und selbstadaptierende Komponenten

Ein wesentlicher Trend der Produktionstechnik liegt in der Entwicklung hybrider Prozesse und selbstoptimierender Systeme. Zustandsinformationen sollen möglichst prozessnah gewonnen werden, Eingriffe ebenfalls möglichst nah an der Wirkstelle vorgenommen werden. Dank ihrer Fähigkeit zur Stukturintegration eignen sich smart materials besonders für den Einsatz in diesem Bereich. Ihre Materialeigenschaften prädestinieren sie zudem für selbstadaptierende Maschinenkomponenten, die autonom und autark auf veränderliche Bedingungen reagieren.

 

Leitanwendung: Alternative Aktorik für Automatisierungskomponenten

Konventionelle Aktoren wie Elektromagnete stoßen hinsichtlich Miniaturfähigkeit, Energieeffizienz und Dynamik immer häufiger an ihre Grenzen. Smart materials bieten die Möglichkeit, diese Grenze aufzulösen und ersetzende bzw. integrative Produkte zu etablieren.

 

Leitanwendung: Flexible Produktionssysteme

Zunehmende Individualisierung und sinkende Losgrößen zwingen Hersteller immer stärker zur Flexibilisierung von Produktionssystemen. Aktor-Sensor-Komponenten aus Funktionswerkstoffen können hier klassische Komponenten ersetzen bzw. ergänzen. Durch höchste Miniaturisierung bei gleichzeitig wachsendem Funktionsumfang können sie direkt an der Schnittstelle zwischen Werkstück und Werkzeug platziert werden und ermöglichen damit direkte Eingriffsmöglichkeiten bei der Schnittstellengestaltung.

 

FuE-Projekte Smart Production

Komponenten für Produktionssysteme und -prozesse

 

PERMAVIB

Universelle und robuste Schwingsysteme

Die Schwingungsüberlagerung bei der Zerspanung im kontinuierlichen Schnitt (Drehen, Bohren) sowie im unterbrochenen Schnitt (Fräsen) reduziert sowohl den abrasiven und tribochemischen Werkzeugverschleiß und erreicht eine teils signifikante Absenkung der Prozesskräfte. Praxisrelevante Schwingungssysteme für den zerspanungstechnischen Einsatz sind wenig verbreitet. Universell einsatzbare, robuste Schwingsysteme fehlen am Markt.

  • Erstellung von Anforderungsprofil, Marktanalyse + Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
  • Ausarbeitung von Konzepten für Schwingsysteme und Variantenvergleich
  • FE-Modellierung und Simulation der Schwingsysteme
  • Konstruktion und Auslegung ausgewählter Schwingsysteme
  • Entwicklung eines Energieversorgungssystems
  • Systemerprobung und Maschinenintegration unter Laborbedingungen
  • Zerspanungsuntersuchungen unter Laborbedingungen
  • Verfahrensuntersuchungen unter Produktionsbedingungen

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung universeller, robuster Schwingsysteme für die anregung rotierender Werkzeuge beim Zerspanen, eine berührungslose, autarke Energieversorgung dieser Systeme sowie die Kompatibilität zu diversen Werkzeugmaschinen.

SMS 2.0

Smart Magnetic Shape Memory Valves

Das Ziel des F&E-Verbundvorhabens sms2.0 besteht darin, sowohl den Werkstoff als auch entscheidende Befähigungstechnologien (Simulationstechnik, Automatisierungstechnik, Ansteuerelektronik, Ventiltechnik) weiter zu entwickeln, um schnellschaltende Pneumatikventile mit Antrieben auf Basis magnetischer Formgedächtnistechnologien zu realisieren. sms2.0 ist als Leitprojekt prädestiniert durch die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten derartiger Ventile in der Nahrungsmittelindustrie, im Wertstoffrecycling oder in der Automatisierungstechnik. Weiterhin werden entscheidende Fragen zu den Werkstoffen selbst adressiert, die für smart³ insgesamt von großem Wert sind: Die Lebensdauer soll weiter gesteigert und die Einsatztemperaturgrenze auf über 80°C erhöht werden.

Die Besonderheit des Projekts besteht im Zusammenwirken von insgesamt acht Partnern aus Industrie und Wissenschaft verteilt über praktisch alle Schritte der Wertschöpfungskette.

SensoTool

Werkzeugintegrierte Prozessüberwachung in der Zerspanung

Die steigende Komplexität von Fertigungsaufgaben erfordert eine immer exaktere Einstellung von Prozessparametern. Schon geringe Abweichungen führen zum Verlassen des stabilen Prozessfensters. Die Produktivität und die Qualität sinken. Gleichzeitig steigt der Einfahraufwand bis zum Erreichen einer stabilen Fertigung.

Am Beispiel der spanenden Fertigung erarbeitet dieses Projekt eine aktive Regelung von Prozessparametern. Auf Schwankungen im Prozess kann so sehr schnell reagiert werden. Prozessparameter, wie z.B. Vorschub oder Schnittgeschwindigkeit, können in Echtzeit nachgeführt werden. Der Prozess befindet sich dadurch immer im optimalen Betriebsbereich. Produktivität und Qualität werden gesteigert, Ausschuss wird reduziert. Wesentliche Größen zur Beurteilung des Prozesses sind Schnittkräfte und Werkzeugtemperatur. Diese sollen direkt am Werkzeug gemessen und an die Maschinensteuerung übergeben werden. Diese wiederum realisiert den Prozesseingriff.

 

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SmartSensiAct

Sensible selbstregelnde MSM-Antriebe für flexible Produktionssysteme

Ziel des Vorhabens Sensible selbstregelnde MSM-Antriebe für flexible Produktionssysteme – Smart SensiAct ist die Entwicklung von strukturell einfachen, intelligenten und miniaturisierten Antrieben mit magnetischen Formgedächtniswerkstoffen (MSM-Werkstoffen) für Anwendungen in der flexiblen Produktion. Neben den bekannten aktorischen Eigenschaften der MSM-Werkstoffe werden Prinzipien zur Erfassung des aktuellen Zustandes des Aktorelementes durch Eigenschaftsänderungen im MSM-Werkstoff selbst erarbeitet. Somit wird die Integration von aktorischer und sensorischer Funktion erreicht. Das so entstehende innovative Aktorsystem mit sensiblem Aktorelement befähigt zu weiteren Automatisierungsschritten in der Produktion. Mit einer geeigneten Steuerung entsteht eine sich an die Aktoraufgabe selbst adaptierende Komponente. Beispielhaft in den Fokus genommen werden Anwendungen aus der Automatisierungstechnologie in Form der Greiftechnik zur effektiven und sicheren Handhabung von in Form und Haptik individuell verschiedenen Bauteilen sowie kraft- und geschwindigkeitsgesteuerte Antriebe für Mikroschneidwerkzeuge.

 

Es werden prototypische Demonstratoren geschaffen, die den komplexen Zusammenhang zwischen magnetischem Feld, mechanischen Lastgrößen sowie magnetischen Eigenschaften zur Verwirklichung von Kraftsteuerung in offener Kette, Positionserkennung sowie Eigenüberwachung heranziehen. Die Integration der sensorischen und aktorischen Funktionen im MSM-Werkstoff eines einzigen Bauteils sorgt für minimale Teileanzahl, hohen Integrationsgrad, kleine Abmessungen des Systems sowie hohe Zuverlässigkeit.

 

Das Vorhaben zielt neben Demonstratoren in den genannten Leitanwendungen auf die Entwicklung der notwendigen Befähigungstechnologien für die Verwertung der Projektinhalte in breiter aufgefassten Anwendungen. Hierzu zählen insbesondere Modellierungs- und Simulationstechniken, Komponentenentwicklung, Strukturintegration der MSM-Elemente, Magnetkreisentwurf sowie Leistungs- und Sensorelektronikentwicklung.

Rheoform

Verbesserte Formgebung in Extrusions- und Spritzgussmaschinen durch Schmelzevibrationsanregung

Das Ziel des Projektes ist die Steigerung der Produktivität bei der Herstellung von urgeformten thermoplastischen Kunststoffformteilen und -halbzeugen. Die Innovation des Vorhabens besteht dabei in der Nutzung der sog. Rheofluidisierung, die eine nachhaltige Senkung der Viskosität der Kunststoffschmelze ermöglicht, ohne den Kunststoff zu schädigen. Dieses Phänomen benötigt eine oszillierende Dehn- bzw. Scherbelastung der Schmelze, die in diesem Vorhaben über den Einsatz von Funktionswerkstoffen (Piezokeramiken) eingebracht werden soll. Daraus entstehen völlig neuartige Innovationspotentiale, die vorhandene und aufwendige Produktionen verschlanken oder generell ermöglichen können.

Die Funktionswerkstoffe sollen in bestehende kunststoffverarbeitende Anlagen integriert werden. Dazu sollen im Rahmen des Projektes Spritzgieß- und die Extrusionsanlagen ausgerüstet werden, um den Effekt der Rheofluidisierung produktionssteigernd zu nutzen. Darüber hinaus können weitere Vorteile aus einer rheofluidisierenden Schwingungsanregung generiert werden.

Diese Verbesserungen ermöglichen eine allgemeingültige Erhöhung der Produktivität bei Spritzgieß- und Extrusionsverfahren. Es werden neue Freiheitsgrade in der Form- und Werkzeuggestaltung bereitgestellt, die Herstellprozesse stabilisieren oder ermöglichen können. Darüber hinaus erschließen sich neue Materialkombinationen bei Mehrkomponentenverfahren, insbesondere bei
der Extrusion.

SmartTiltingSystems

Intelligentes Ausrichten in Finish-Einheiten

Das neue Industriezeitalter 4.0 wird geprägt von Konzepten der selbstlernenden Fertigung mit hochdynamischen Bearbeitungsverfahren und vollvernetzten Maschinen. Im Hinblick auf die Umsetzung von Visionen hat sich das Projektkonsortium das Ziel gesetzt, ein intelligentes Werkzeug und die neuartige Technologie des Kurzhub-Formhonens zu entwickeln.

Mit Hilfe der Interaktion von piezokeramischer Sensorik und Aktorik in unmittelbarer Nähe der Finish-Werkzeuge soll erstmals eine definierte Herstellung von Mikro-Geometrien und tribologischoptimalen Oberflächen an Wälzlagerbauteilen durch das Kurzhub-Formhonen erfolgen. Die technischen Ziele sind eine selbstadaptierende Feinausrichtung des Honwerkzeugs in einer direktangetrieben, adaptiven Finish-Einheit umzusetzen sowie eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Sensorik, Aktorik und der übergeordneten Achssteuerung der Werkzeugmaschine zu entwickeln. Mit Hilfe von standardisierten Schnittstellen soll das Gesamtsystem kompatibel für ein breites Maschinenspektrum sein und nach dem „plug and play“-Konzept ausgelegt werden. Das technologische Ziel verbirgt sich hinter der Regelung der Bearbeitungsparameter hinsichtlich der Online-Einstellung des optimalen Prozessfensters der Werkzeuge, um eine hohe Prozesskontrolle und Qualitäten mit 0%-Ausschuss zu erreichen. Die prozessnahe Sensor-Aktor-Anordnung mit innovativen Regelstrategien lässt einen reaktiven Prozess entstehen. Somit sind produktivitätssteigernd höchste Abträge mit geringstem Werkzeugverschleiß zu erwarten. Mit Hilfe einer sensitiven Prozesskrafterfassung sollen die Aktoren in der Lage sein, auf einer vorgefertigten mikroballigen Werkstückform eine konstante Flächenpressung zwischen dem Werkzeug und Werkstück zu erzeugen und ein selbstschärfendes Werkzeug einstellen. Dies erfordert eine dynamische, dreidimensionale Werkzeugpositionierung vor und während der Bearbeitung im Mikrometerbereich. Neben der gezielten Formgebung von komplexen Werkstückkonturen mit starren Systemen soll das Gesamtsystem auf kleinste Prozessabweichungen reagieren.

Mit der Umsetzung der Projektidee wird erstmal technisches und technologisches Neuland hinsichtlich des Kurzhub-Formhonens betreten sowie ein Beitrag zur neuen industriellen Revolution geleistet.

SmaRT-MSM

Serienfähige modular automatisierte Röntgenographie und Trennverfahren für MSM

Das Projekt SmaRT-MSM ("Serienfähige modular automatisierte Röntgenographie und Trennverfahren für MSM") hat zum Ziel, wesentliche Teile der Prozesskette zur Herstellung von einkristallinen magnetischen Formgedächtnislegierungen für Aktor- und Sensoranwendungen auf einen Serieneinsatz vorzubereiten. Der heutige Stand sind mehr oder weniger weit fortgeschrittene Laborstadien der betreffenden Prozesse. Bei dem wichtigen Schritt der Vereinzelung eines Magnetic-Shape-Memory-Kristalls (MSM-Kristall) in Elemente steht eine - nach Voruntersuchungen eingeschränkte und konkretisierte - Auswahl an Verfahren teilweise konkurrierend im Raum, so dass es weiteren Klärungsbedarf über die technisch-wirtschaftlich besten Verfahren gibt.

 

Konkret adressiert werden im Projekt die Prozessschritte Orientierungsmessung, Trennverfahren, die anschließende Oberflächenbehandlung sowie Training und Qualitätsprüfung. Im Bereich der Trennverfahren werden Diamantdrahtsägen und elektrochemisches (EC) Drahtschneiden sowie Dicing und EC-Senken bearbeitet. Besonderer Fokus wird dabei auf drei den Verfahren gemeinsamen Schlüsselthemen gelegt: Hochtemperatur-Trennen in der austenitischen Phase des Materials, Parallelisierung zur Effizienzsteigerung und Optimierung jeweiliger Schlüsselparameter. Zu Oberflächenbehandlung werden das Elektropolieren sowie EC-Senken untersucht. Alle diese Arbeiten bilden die Basis für eine rollierend zu verfeinernde technische und wirtschaftliche Bewertung.

 

Im Ergebnis des Vorhabens wird dieser entscheidende Teil der Prozesskette reif für einen Serieneinsatz der MSM-Technologie bei zunehmenden Stückzahlen sein. Verschiedene KMU aus den Neuen Ländern sind an Schlüsselstellen der Wertschöpfungskette von Beginn an eingebunden.

PISTOL³

Piezogetriebene Strahlformung zur hochdynamischen Lasermaterialbearbeitung um 3D-Raum

Anspruchsvolle Lasermaterialbearbeitungsprozesse rücken immer mehr in den Fokus der wirtschaftlichen Fertigung. Insbesondere Schweiß- und Schneidapplikationen sowie das Mikrostrukturieren komplexer räumlicher Konturen oder sehr großer Flächen werden für zahlreiche Anwender interessant. Gefordert werden dazu brillante Laserstrahlquellen und angepasste Bearbeitungsoptiksysteme. Brillante Laserquellen mit hohen Leistungen, sehr guter Strahlqualität und sehr hohen Pulswiederholraten stehen industriell zur Verfügung. Bisher gelingt es allerdings nur unzureichend, diese Potenziale in die Fertigung zu transferieren. Ursache ist die begrenzte Performance der Strahlführungs- und -ablenksysteme für Großflächen- und 3D-Applikationen. Hier sind für 3D-Bearbeitungen mit Standardoptiken bzw. für große Strahlauslenkungen bei der Remote-Bearbeitung Korrekturen der Fokuslage in Richtung der Strahlachse erforderlich. Darüber hinaus sind für Hochleistungsschweiß- bzw. Schneidprozesse hochdynamische Modulationen der Fokuslage wünschenswert, um Prozessstabilität und Bearbei-tungsergebnis positiv zu beeinflussen.

 

Gegenstand des Vorhabens ist die Entwicklung eines piezogetriebenen Optikmoduls zur hochdynamischen Brennfleckmodulation für die Lasermaterialbearbeitung. Dieses HiDyn-Piezomodul soll in Laser-Bearbeitungssysteme integriert werden, um die herkömmliche 2D-Strahlmanipulation in der Bearbeitungsebene (X-, Y-Achse) durch eine hochdynamische Bewegung in Richtung der Strahlachse (Z-Achse) zu erweitern. Ziel ist es, anwendungsbereite Optik-Systemtechnik zu entwickeln, um die aktuellen Grenzen der Lasermaterialbearbeitung in den Bereichen Strukturieren, Schneiden und Schweißen signifikant zu erweitern.

 

Die Integration piezogetriebener hochdynamischer Z-Achs-Module in Bearbeitungsoptiken oder 2D-Scanner basiert auf einer zu entwickelnden einheitlichen Hardware- und Softwareplattform die es erlaubt, unterschiedliche Applikationen der Lasermakro- und Mikromaterialbearbeitung zu adressieren:

  1. Vergrößerung des Scanbereiches für das Großflächenmikrostrukturieren für organische Photovoltaik durch integrierte Fokuslagennachführung bei starker Strahlauslenkung
  2. Beeinflussung der Schmelzbaddynamik durch hochdynamische Oszillation der Fokuslage (axiales Wobbeln) zur Effizienzsteigerung und Prozesserweiterung beim Laserstrahlschneiden und –schweißen
  3. Hocheffiziente 3D-Bearbeitung (Schneiden und Schweißen) komplexer Geometrien durch Kombination von schneller Fokuslagennachführung und axialem Wobbeln.

 

Leistungsfähige Systeme der Lasermaterialbearbeitung sind gekennzeichnet durch effiziente Werkzeuge (Laserquellen und Optiken). Die aktuelle Marktentwicklung ist getrieben durch immer leistungsfähigere, brillantere und kostengünstigere Laserstrahlquellen. Auch für die Zukunft ist mit einem starken Marktwachstum zu rechnen. Eine wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Nutzung dieser Strahlquellen sind Optiksysteme zur dynamischen und flexiblen Strahlablenkung. Für die Bewegung des Laserstrahls stehen bereits aktorische Teillösung wie Linearantriebe und X-Y-Scannersysteme zur Verfügung, die jedoch entweder in der erzielbaren Dynamik (Lineardirektantriebe) oder den adressierbaren Freiheitsgraden (X-Y-Scanner) beschränkt sind. Für eine hochdynamische Bewegung des Laserstrahls in allen Raumrichtungen ist die Erschließung der dritten Dimension (Z) mit hoher Dynamik zwingend erforderlich. Diese überlegene Anlagentechnik wäre Grundlage für eine Steigerung der Produktivität und Qualität in der Lasermaterialbearbeitung sowie für eine Erweiterung des Anwendungsspektrums, z. B. durch:

Basierend auf einem piezoaktorisch angetriebenen deformierbaren Spiegel (HiDyn-Piezomodul) erfolgt eine Änderung der Ausbreitungscharakteristik des Laserstrahls, um sowohl nominelle Brennweite als auch Brennfleckform gezielt, hochdynamisch zu verändern. Die angestrebten Zielparameter der zu entwickelnden hochdynamischen Bearbeitungsoptiken orientieren sich an den typischen Anwendungsszenarien für Laserstrahlschweißen, -schneiden sowie -strukturieren.

  • Die Korrektur der optische Verzerrungen infolge großer Strahlauslenkungen in der X-Y-Ebene mittels hochdynamischer Fokuslagenanpassung und Strahlformung sowie
  • hochdynamische axiale Oszillation, zur Stabilisierung von Keyhole und Schnittfront, zur Erweiterung der Prozessgrenzen (höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und Wandstärken)

AdapStiff

FGL-Integration in Umformwerkzeugen

Die Produktion von Blechteilen in der Automobilindustrie durch Umformprozesse folgt zunehmend dem Trend der Herstellung hochkomplexer Bauteile. Diese Komplexität geht in der Regel mit einer Verkleinerung des Prozessfensters einher. Dies bedeutet, dass der Bereich, in dem mit Schwankungen aller Eingangsgrößen noch Gutteile entstehen, kleiner wird. Dieser Umstand begrenzt die Fertigbarkeit und Fertigungsgüte von Bauteilen einerseits, andererseits werden Ausschusskosten auf die Teilekosten umgelegt, was zu einer signifikanten Kostensteigerung in der Produktion und damit für den Endanwender führt. Darüber hinaus trägt auch der Mehraufwand an Werkzeugeinarbeit dazu bei, dass zum einen deutlich mehr Zeit für den Werkzeugbau eingeplant werden muss. Zum anderen müssen zusätzliche Rüstzeiten im Serienbetrieb berücksichtigt werden, da die Unterschiede von Einarbeits- und Serienpresse nur unzureichend berücksichtigt werden können. Die Kompensation der einzelnen Pressenunterschiede erfolgt damit primär durch die Einstellung von Antriebs- und Ziehkissenparametern.

Eine Einflussgröße, die den Prozess direkt beeinflusst, stellt die Kraftverteilung in der Werkstückebene dar, da diese direkt auf das Einlaufverhalten einwirkt. Eine ungewollt inhomogene Kraftverteilung, etwa durch sich ändernde Maschineneinlüsse oder Temperaturrandbedingungen führt so z.B. zu einem ungleichmäßigen Einlaufverhalten, was im schlimmsten Fall zu einer gleichzeitigen Riss- und Faltenbildung führt. Die Anpassung der Antriebsparameter bei einachsigen Umformmaschinen (ein Stößelantrieb, ggfs. Ein-Punkt-Ziehkissen) ist daher nicht ausreichend, den Prozess in den Gutteil-Bereich zu überführen. Hier ist die manuelle Nacharbeit des Werkzeugs oft die einzig sinnvolle Alternative.

Ziel von AdapStiff ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die eine geregelte Anpassung der Kraftverteilung ohne manuellen Eingriff im eingebauten Zustand des Umformwerkzeugs erlaubt. Auf diese Weise soll eine direkte Prozessbeeinflussung beispielsweise zur Kompensation von Stoßgrößen realisiert werden. Damit kann der Ausschuss von Bauteilen infolge schwankender Umgebungs- und Betriebsbedingungen gesenkt und so Prozesssicherheit und -fähigkeit gesteigert werden.

FGL-Risssensor

Rissortung und Rissweitenbestimmung an Betonstrukturen mittels Sensoren aus Formgedächtnislegierungen

Beton ist der meistverwendete Baustoff unserer Zeit. Im Zusammenspiel mit Bewehrungselementen wird dieser kostengünstige, dauerhafte und nachhaltige Baustoff, trotz seiner strukturbedingten Sprö-digkeit, zur Herstellung von hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffen mit duktilem Materialverhalten eingesetzt. Die Duktilität auf der Makroebene resultiert aus der verformungsbedingten Ausbildung von zahlreichen feinen Rissen in der spröden Betonmatrix, die aber durch eine Bewehrung überbrückt wer-den. Die Geometrie der Risse hängt von der Belastung, der Bewehrungskonfiguration und den Betonei-genschaften ab. Mikrorisse weisen Rissweiten von wenigen Mikrometern auf. Die Rissweiten von Mak-rorissen können im Extremfall mehr als 1 mm betragen. Die Risskonfiguration eines Betonbauwerkes bestimmt maßgeblich dessen Dauerhaftigkeit unter Umwelteinwirkungen und ist ein wichtiger Indikator für den vorliegenden Belastungs- und Schädigungszustand. Darüber hinaus können Risse zu Schäden und zum Versagen von Betonstrukturen wie z.B. Tunneln, Talsperren oder Brücken führen (Abbildung 1). Bei zu später Risserkennung entstehen hohe Kosten für Instandsetzung oder Abriss und Neubau geschädigter Betonstrukturen. Außerdem ist die Gewährleistung der Sicherheit von Bauwerken von höchster Wichtigkeit, um die Gefährdung der Nutzer auf ein gesellschaftlich akzeptiertes Minimum zu reduzieren.

Die Ortung von Rissen in einem Betonbauwerk und deren Überwachung sind zudem sehr komplex und kostenintensiv. Ferner bietet der Markt bisher keine robuste und dauerhafte Methode zur kontinuierli-chen Rissfrüherkennung, Risslokalisierung sowie Rissbreitenmessung.

Ziel des Vorhabens ist es, Methoden und Technologien für eine robuste, dauerhafte Risserkennung in Betonstrukturen zu entwickeln, die zugleich auch eine Rissortung sowie Rissweitenbestimmung ermög-lichen. Als Sensormaterial sollen Formgedächtnislegierungen (FGL) auf Nickel-Titan-Basis zum Ein-satz kommen. Damit können z.B. an kritischen Infrastrukturelementen der Schädigungszustand konti-nuierlich überwacht und gezielt Sicherheitsvorkehrungen getroffen bzw. Instandsetzungsmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden. Des Weiteren ist eine breite Anwendung in allen kritischen Strukturele-menten des Betonbaus hinsichtlich der Steigerung der Dauerhaftigkeit sowie der Überwachung der Be-lastung denkbar.

Im beantragten Vorhaben sollen verschiedene Ansätze zur Rissortung und Rissbreitenbestimmung mit Formgedächtnislegierungen auf Nickel-Titan-Basis optimal zusammengeführt und so ein robustes und zuverlässiges Sensorsystem entwickelt werden. Dabei sollen eine Low-budget und High-budget-Aus-führung marktverfügbar gemacht werden.

Die im Beton stets vorhandenen Mikrorisse sind gleichmäßig über das Bindemittelvolumen verteilt und stochastisch orientiert. Kommt es bei Laststeigerung in einem räumlich begrenzten Bereich, der sog. „Rissprozesszone“, zu einer fortschreitenden Vereinigung der Mikrorisse, entsteht am Ende der Riss-entwicklung ein durchgehender, mit bloßem Auge sichtbarer Makroriss, der zum Bruch des Körpers und einem Abfall der Spannungen bei weiterer Steigerung der Dehnung bzw. Rissöffnung führt.

Eine makroskopisch schädigungsfreie Belastung von Beton unter Zugbeanspruchung ist bis zum Last-punkt 2 möglich (siehe Abbildung 2). Bei darüber hinausgehender Dehnung findet eine irreversible Strukturschädigung im Betongefüge statt, die auf Bauteilebene zu einem Strukturversagen führt. Dem-entsprechend ist eine Früherkennung von Rissprozesszonen und sich dort ausformenden Makrorissen sehr wichtig. Sind im Betonkörper Makrorisse vorhanden, sind die Lokalisierung des Rissortes sowie die Ermittlung der Rissweite von hoher Bedeutung. Mittels einer Zustandsüberwachung und -bewertung könnten notwendige und richtige Maßnahmen ergriffen werden.

Damit ergeben sich folgende Anforderungen an das Sensorsystem:

  • Dehnungs-Monitoring / Früherkennung und Überwachung von Rissprozesszonen und entste-henden Makrorissen,
  • Riss-Monitoring / Überwachung zur genaueren Ortung von Rissen und deren Weitenbestim-mung
  • Um diesen Anforderungen zu entsprechen, soll das Sensorsystem auf zwei Messprinzipien ge-stützt werden:
  • DC-Widerstandsmessverfahren (Low-Budget): über das ohmsche Gesetz soll die Widerstand-sänderung der FGL-Leiter bestimmt und darüber der integrale Dehnungszustand am Bauteil ermittelt werden.
  • AC-Widerstandsmessverfahren (High-Budget): mit Hilfe der Netzwerkanalyse wird ein zeitlicher bzw. frequenzabhängiger Verlauf des emittierten und reflektierten Amplituden- und Phasenganges im kompletten System bestimmt, bestehend aus elektri-schen Leitern (FGL) und Dielektrikum (Beton). Durch Verlaufsänderungen soll der Risszustand ortsabhängig detailliert charakterisiert werden.

Die zu entwickelnden Ausführungen hängen von der Ortsauflösung der Netzwerkanalyse ab, die we-sentlich von zwei Faktoren bestimmt wird: Bandbreite des Messsignals und Sensitivität. Für 0,3 m Auf-lösung wird beispielsweise eine Bandbreite von 1 GHz benötigt. Sowohl die Bandbreite als auch die Sensitivität sind Kostentreiber. Für eine reine Bauwerksüberwachung ist es daher nicht sinnvoll, perma-nent kostenintensives Equipment vorzuhalten. Daher bietet sich eine Low-Budget-Variante an, die mit nur MHz Bandbreite (oder im Extremfall als reine DC-Messung) mögliche Schäden identifiziert. Bei einer derart ausgelösten Warnung kann dann mit einem extern angeschlossenen teureren High-End-Equipment die Schadensstelle genauer lokalisiert werden. Dies ermöglicht dann eine gezielte Sichtun-tersuchung am betroffenen Ort und ggf. Reparaturmaßnahmen.

Die Neuheit dieses Sensorsystem besteht in der kompletten Charakterisierung des Strukturzustandes einer Betonkomponente über einen superelastischen FGL-Draht unter Verwendung von zwei Messver-fahren. Somit können Verformungen sowie Rissentstehungen und Risswachstum im Beton ortsaufgelöst registriert werden. Zudem zeigt ein solches Sensorsystem übergreifende Integrations- und An-wendungspotenziale auf, welche nicht nur im Baubereich ein hohes Applikationspotenzial mit sich brin-gen, sondern auch in anderen vielfältigen Bereichen genutzt werden können.

 

PiezoPeening

Piezo-Festhämmerwerkzeug

Das  maschinelle  Oberflächenhämmern  befindet  sich  seit  etwa  2010  als  anwendungsspezifische Sonderlösung im industriellen Einsatz zur Glättung und Verfestigung von Oberflächen im Werkzeug- und  Formenbau.  Die  Optimierung  der  Prozessparameter  durch  eine  Ablösung  konventioneller elektromagnetischer bzw. pneumatischer Aktoren  als Antriebseinheit entsprechender Werkzeuge verspricht  sowohl eine wachsende Anwendungsvielfalt  als auch eine deutliche Effizienzsteigerung des  Verfahrens.  Ziel  des  Projekts  ist  daher  die  simulationsgestützte  Entwicklung  eines Demonstrators  zum  Nachweis  der  industriellen  Tauglichkeit  und  Vorteilhaftigkeit  des  Einsatzes einer piezobasierten Antriebsstrategie beim maschinellen Oberflächenhämmern. Insbesondere die somit  mögliche  Erhöhung  der  Hämmerfrequenz  von  bislang  200  Hz  bis  500  Hz  auf  600  Hz  bis 1000 Hz führt zu einer Steigerung der Produktivität gegenüber bekannter Hämmerverfahren bei der maschinellen  Finish-Bearbeitung  im  Werkzeug-  und  Formenbau  um  mindestens  50%.  Das elektromechanisch geschlossene Antriebskonzept bietet  zudem das Potential der  automatisierten Identifikation  und  Überwachung  prozessbestimmender  Parameter  zur  Erhöhung  der Verfahrensrobustheit  und  Wirtschaftlichkeit.  Die  Kombination  des  piezoelektrischen Werkzeugsystems mit den dafür prädestinierten Einsatzmöglichkeiten von  Industrierobotern  lässt überdies einen wirtschaftlichen Vorteil von etwa dem Faktor 2 erwarten,  insbesondere bei einem Vergleich  mit  dem  Einsatz  klassischer  Großbearbeitungszentren  beim  Schlichtprozess,  dessen Zeitbedarf durch das Verfahren signifikant reduziert wird.

Hierfür adressiert das Projekt die wesentlichen Schwerpunkte:

  • Entwicklung eines mit piezokeramischen Antriebskomponenten versehenen Festhämmerwerkzeugs  
  • Realisierung eines Systemmodells Maschine - Werkzeug - Steuerung - Prozess
  • Entwicklung einer integrierten Leistungselektronik- und Ansteuerungseinheit
  • Entwicklung einer flexiblen CAM-Strategie zur steuerungsseitigen Integration der Bearbeitungstechnologie und optimalen Bahnplanung
  • Realisierung und Erprobung des Demonstratorsystems

Somit  findet  durch  die  Implementierung  von  Smart  Materials  in  das  Werkzeugsystem  eine Befähigung des Verfahrens  zum breiten und hocheffizienten  industriellen Einsatz  im Produktions- und Dienstleistungssektor statt und ein entscheidender Beitrag  zur Weiterentwicklung des neuen Verfahrens wird geleistet.

PROWIPUSAL

Prozesssicheres Widerstandspunktschweißen von Al-Legierungen mit Piezounterstützung

Das Widerstandspunktschweißen (WPS) ist seit Jahrzehnten ein etabliertes, vielseitiges und robustes thermisches Fügeverfahren im Automobil- und Karosseriebau. Die größten Herausforderungen im Automobilbau liegen heute in der Erhöhung des Fahrzeuginsassenschutzes und der Reduzierung umweltschädlicher Abgase. Gegenstand aktueller Forschungen ist u. a. die Reduzierung der Gesamtfahrzeugmasse durch konsequenten Leichtbau. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 1 kg verringert den CO2-Ausstoß um bis zu 8,5 g/km. Daher fokussiert man sich zunehmend auf den Multi-Material-Leichtbau. Das bedeutet, dass neben konventionellen Stahlwerkstoffen auch zunehmend Aluminiumlegierungen eingesetzt werden. Das WPS von Stahlwerkstoffen ist weitestgehend unproblematisch. Das Schweißen von Aluminiumlegierungen hingegen ist prinzipiell zwar durchführbar, allerdings mit sehr hohem Aufwand verbunden, welcher bisher nur in der Kleinserienfertigung gerechtfertigt werden konnte. Problematisch ist hier unter anderem die hohe Anlegierungsneigung an die Elektrodenkappen der Schweißanlage und die starke Heiß- und Kaltrissanfälligkeit der geschweißten Aluminiumlegierungen. Nach nur wenigen Schweißzyklen müssen die Elektrodenkappen mechanisch nachbearbeitet werden, was zu einer deutlichen Verkürzung der Standzeit führt und dadurch häufige Wechselintervalle entstehen. Des Weiteren verändern sich die Kontaktbedingungen in der Fügezone, sodass bereits nach wenigen Schweißungen keine qualitätsgerechte Verbindung mehr erzeugt werden kann.

Mit Piezoaktoren ist es möglich hohe Kräfte bei sehr kleinen Wegen in Bruchteilen von Sekunden zu erzeugen. Durch eine Überlagerung der Elektrodenkraft mit einem hochdynamischen, piezoaktorisch erzeugten Kraftimpuls in Richtung Schweißpunkt ist es möglich eine Kornverfeinerung während des Erstarrungsvorgangs in der Schweißlinse zu erreichen. Des Weiteren können mit Piezoaktoren Schwingungen auf der Oberfläche der zu verschweißenden Bleche erzeugt werden. Hierdurch kann die auf den Aluminiumblechen befindliche Oxidschicht aufgebrochen, der Übergangswiderstand reduziert und damit ein gleichmäßiger, reproduzierbarer Schweißprozess ermöglicht werden. Die Erfassung der Prozessparameter Widerstand, Kraft und Schweißstrom erlaubt zudem Aussagen zur Qualität der Fügeverbindung.

Das Projekt verfolgt drei Hauptziele. Das erste Ziel besteht darin, die Oxidschicht der Aluminiumbleche mit Piezoaktorisch erzeugten Schwingungen aufzureißen. Somit können die Anfangskontaktbedingungen beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen über eine Vielzahl von Schweißungen konstant gehalten werden. Weiterhin wird durch die eingebrachten Schwingungen eine Anlegierung des Werkstoffs an die Elektroden vermieden. Das zweite Hauptziel verfolgt den Ansatz der Kornverfeinerung während des Schweißvorgangs bzw. während des Erstarrungsprozesses der schmelzflüssigen Schweißlinse durch das Einleiten von zusätzlichen Kraftimpulsen mittels piezoaktorischen Komponenten. Beide Effekte sollen als drittes Ziel in einer neuartigen Schweißanlage mit strukturintegrierter Piezoaktorik kombiniert umgesetzt werden um das WPS von Aluminium für den Serieneinsatz zu ertüchtigen.
Mit der Umsetzung des Projektes wird erstmal technisches und technologisches Neuland hinsichtlich des prozesssicheren WPS von Aluminium betreten. Mit erfolgreichem Abschluss der Arbeiten werden insbesondere kleine und mittelständige Unternehmen befähigt kostengünstig gefügte Aluminiumkomponenten anzubieten, ohne sich komplexes und kostspieliges Prozess Know-how aneignen zu müssen.

SmartStack

Entwicklung und Fertigung Dielektrischer Elastomer-Stapelaktoren

Dielektrische Elastomer-Aktoren (DE-Aktoren) repräsentieren eine neue Klasse elektromechanischer Aktoren, die beim Anlegen elektrischer Felder als Folienaktoren vergleichsweise große Deformationen erfahren. In der Multilayer-Bauweise als Stapel- oder Rollenaktoren können Auslenkungen von bis zu 10% ihrer Bauhöhe erzielt werden. Insbesondere DE-Stapelaktoren sind für viele Anwendungen interessant, die Stellwege im Bereich einiger hundert Mikrometer bis hin zu einigen Millimetern erfordern.

So stellen DE-Stapelaktoren z. B. in Ventilen für die Automatisierung und zur Aktuierung elektrischer Schalter in Relais und Schützen eine vielversprechende Alternative zu elektromagnetischen Aktoren dar. Auf Grund des bereits nachgewiesenen deutlich geringeren Energieverbrauchs von DE-Stapelaktoren im Vergleich zu elektromagnetischen Aktoren sowie der Möglichkeit einer Proportionalverstellung stellen DE-Stapelaktoren in diesen Anwendungen nicht nur einen Ersatz für herkömmliche Aktoren dar, sondern können einen deutlichen technologischen Mehrwert liefern. Als DE-Stapelaktoren versteht man Schichtsysteme, die aus einer Vielzahl übereinanderliegender, dünner geeigneter Dielektrikaschichten und dazwischenliegenden dehnbaren Elektroden bestehen.

Dem starken Interesse der Elektroindustrie an dem Einsatz dieser neuen Technologie steht gegenwärtig eine wenig automatisierte, vorwiegend händische Fertigung gegenüber. Mit der fehlenden industrietauglichen Fertigungstechnologie ergibt sich nicht nur ein Mangel an prototypischen DE-Stapelaktoren zur Bewertung ihrer Zuverlässigkeit und Einsatzgrenzen aus Sicht der Anwendung, sondern vor allem ein erhebliches Hemmnis für ihre industrielle Verwertung. Weiterhin begrenzt die bisher benötigte Betriebsspannung der DE-Stapelaktoren von ggw. bis 2,5 kV ihre Einsatzchancen, da dies zu einer deutlichen Verteuerung der notwendigen Ansteuerelektronik führt. Vor allem wegen der leistungselektronischen Komponenten sind Betriebsspannungen von <1.000 V erforderlich, um wettbewerbsfähige Produkte zu etablieren. Diesen technischen Herausforderungen – Entwicklung einer industrietauglichen Fertigungstechnologie für DE-Stapelaktoren, der Evaluierung ihrer Einsatzmöglichkeiten, ihres Leistungsvermögen, ihrer Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität, sowie der deutlichen Absenkung ihrer Betriebsspannung durch die Prozessierung dünnerer Dielektrikaschichten – stellen die Hauptentwicklungsziele im hier vorgeschlagenen Vorhaben dar.

In den bisherigen Arbeiten zur Thematik der DE-Stapelaktoren, insbesondere auch in den Projekten SmartProcesses und Dielastar zeichnet sich ab, dass es prozesstechnisch von Vorteil ist, erst Aktorsubmodule zu erstellen und daraus komplette Stapelaktoren in der Höhe der Anwendungsanforderung aufzubauen. Um diesen Weg konsequent zu entwickeln, schlägt das Konsortium zwei, sich gegenseitig ergänzende und damit das Risiko minimierende Fertigungsverfahren für Aktorsubmodule vor. Verfahren 1 (Stapel aus 10…30 Einzelschichten) geht von vorgefertigten Dielektrikafolien aus, was eine kostengünstige Fertigung der Submodule erlaubt, aber bestimmte Limitationen im Handling ultradünner Filme (≤15 μm) beinhaltet. Verfahren 2 (Stapel aus 5…10 Einzelschichten)geht von einer nasschemischen in situ-Verfilmung der Dielektrikaschichten aus, was eine aufwendigere Fertigung der Submodule bedeutet, jedoch auch ultradünne Einzelschichten (≤ 15 μm) erlaubt. Für beide Verfahren zur Submodulfertigung werden im Projekt die Grenzen für die minimal erzielbare Einzelschichtdicke unter Berücksichtigung der Produktionskosten und der ansteuernden Elektronik untersucht und gesamtheitlich optimiert. Die nach beiden Verfahren in vergleichbarer Baugröße hergestellten Aktorsubmodule werden dann beim Hersteller der finalen Aktoren (Kern Technik)in Kleinserie mechanisch aufgestapelt, kontaktiert und passiviert. Begleitet wird die Fertigung der Aktorsubmodule und der finalen Aktoren durch die maschinenbau-seitige Entwicklung und Demonstration von Kleinserien-tauglicher Anlagentechnik.

Anschließend werden die Aktoren charakterisiert und bewertet sowie von externen Anwendern hinsichtlich ihrer Eignung, Zuverlässigkeit und Einsatzgrenzen untersucht. Final soll ein Verwertungs- und Fertigungskonzept für DE-Stapelaktoren, das durch ostdeutsche KMU getragen wird,vorliegen.

Beteiligte Mitglieder

A&E Applikation und Entwicklung Produktionstechnik GmbH

www.a-e-produktionstechnik.de

AGOR GmbH

www.agor.de

Allresist GmbH

www.allresist.de
Logo BURG Halle

BURG Giebichenstein Kunsthochschule Halle

www.burg-halle.de
Logo DEVAD

DEVAD GmbH

www.devad.biz
Logo Digalog

DIGALOG GmbH

www.digalog.de
Logo EAAT

Elektrische Automatisierungs- & Antriebstechnik GmbH

www.eaat.de
Logo ESI ITI GmbH

ESI ITI GmbH

www.itisim.com
Logo ETO Magnetic GmbH

ETO Magnetic GmbH

www.etogroup.com
Logo FiberCheck

FiberCheck GmbH

www.fibercheck.de
Logo Fraunhofer IAP

Fraunhofer IAP

www.iap.fraunhofer.de
Logo IKTS

Fraunhofer IKTS

www.ikts.fraunhofer.de
Logo Fraunhofer IWU

Fraunhofer IWU

www.iwu.fraunhofer.de
Logo Freiberg Instruments GmbH

Freiberg Instruments GmbH

www.freiberginstruments.com
Logo Harms & Wende

Harms und Wende QST GmbH

www.hwh-qst.de
Logo Härtwig Maschinenbau

Härtwig Maschinenbau GmbH & Co. KG

www.maschinenbau-haertwig.de
Logo Horn GmbH

Horn - Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

www.phorn.de
Logo Ingpuls

Ingpuls GmbH

www.ingpuls.de
Logo KE Steuerungstechnik

Klaus Eichhorn Steuerungstechnik

www.ke-steuerungstechnik.de
Logo KW Abrichttec

KW-Abrichttec GmbH

www.kw-a.de
Logo LTI GmbH

LTI Motion GmbH

www.lt-i.com
Logo MAPAL GmbH

MAPAL - Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress GmbH

www.mapal.com
Logo Meleghy GmbH

Meleghy Automotive Bernsbach GmbH

www.meleghyautomotive.de
Logo Metrom GmbH

Metrom Mechatronische Maschinen GmbH

www.metrom.com
Logo millfax GmbH

millfax GmbH

www.millfax.de
Logo Microsensys

Mirco-Sensys GmbH

www.microsensys.de
Logo Parker

Parker Hannifin Manufacturing Germany GmbH

www.parker.com
Logo RMW

RMW Rathenower Mechanik- und Werkzeugfertigung GmbH

www.rmw-brandenburg.de
Logo robotized

robotized rm systems GmbH

www.robotized.de
Logo Schicktanz

Schicktanz GmbH Sohland/Spree

www.schicktanz-gmbh.de
Logo SITEC

SITEC Industrietechnologie GmbH

www.sitec-technology.de
Logo TU Berlin

Technische Universität Berlin

www.tu-berlin.de
Logo TU Chemnitz

Technische Universität Chemnitz - Professur für Adaptronik und Funktionsleichtbau

www.tu-chemnitz.de
Logo TU Dresden

Technische Universität Dresden - Institut für Baustoffe

tu-dresden.de/bu/ bauingenieurwesen/ifb
Logo smart³

Technische Universität Dresden - Institut für Fluidtechnik

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_maschinenwesen/ifd/
Logo smart³

Technische Universität Dresden - Professur Hochfrequenztechnik

www.tu-dresden.de/ing/ elektrotechnik/ifn/hf
Logo TU Ilmenau

Technische Universität Ilmenau

www.tu-ilmenau.de
Logo Tixbo

Tixbo Automotive GmbH

www.tixbo-automotive.de
Logo Wacker

Wacker Chemie AG

www.wacker.com
Logo WEGA

WEGA-Konstruktion

www.wega-konstruktion.de
Logo XENON

XENON Automatisierungstechnik GmbH

www.xenon-automation.de