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Methodik zur Auslegung und Herstellung von aktiven SMA-FKV-Hybridverbunden

  • Der Anteil von Komponenten aus Faserkunststoffverbunden (FKV) ist in den vergangenen Jahren speziell in den leichtbaugetriebenen Branchen stetig gestiegen, da der Einsatz von FKV die Möglichkeit bietet, eine Gewichtsreduktion gegenüber Ausführungen mit klassischen Metallwerkstoffen zu erzielen. Eine optimale Ausnutzung der Vorteile von FKV kann jedoch nur durch faserkunststoffgerechte konstruktive Lösungen, für die bisherige Ausführungen in Frage gestellt werden müssen, erreicht werden. Nicht nur Materialien und Bauweisen für lasttragende Strukturen sind zu überdenken, auch bisherige Lösungsansätze zur Realisierung aktorischer Funktionen, die einen wesentlichen Teil vieler Produkte ausmachen, müssen hinterfragt werden. Klassische diskret angeschlossene Aktoren können in diesem Zuge durch neuartige Festkörperaktoren wie z.B. Formgedächtnislegierungen oder Piezokeramiken substituiert werden. Durch den differenziellen Aufbau der FKV ist die direkte Integration aktiver Formgedächtnislegierungen (engl. Shape Memory Alloys (SMA)) möglich und es ergibt sich ein neues FKV-gerechtes Aktorikprinzip, welches eine material- und flächenintegrierte Aktorik bietet. Wesentliche, bisher ungelöste Fragestellungen aktiver SMA-FKV-Hybridverbunde werden in der vorliegenden Arbeit detailliert beleuchtet und neue Lösungsansätze ausgearbeitet, um für einen zukünftigen industriellen Einsatz die grundlegenden Voraussetzungen zu schaffen. Um ein ganzheitliches Vorgehen zu gewährleisten, müssen offene Fragestellungen im Bereich der Herstellung und simulativen Auslegung beantwortet werden. Die zentralen Fragen sind: - Herstellung: Wie können zuverlässige aktive SMA-FKV-Hybridverbunde reproduzierbar hergestellt werden? - Simulation: Wie können aktive Komponenten aus SMA-FKV-Hybridverbund auf Bauteilebene effizient ausgelegt werden? Die Integrationsmethode des Herstellungsprozesses muss möglichst effizient die Aufgaben Kraftübertragung zwischen SMA und FKV, elektronische Kontaktierung und Handling erfüllen. Dies wird mit einem innovativen Konzept, welches bei der Kraftübertragung auf mechanische Verankerungen zwischen SMA-Elementen und umgebendem FKV setzt, erreicht. Durch den Einsatz eines geschweißten SMAGitters und lokal faserverstärkter Bereiche können die erforderlichen Aktorspannungen übertragen werden. Weiterhin gewährleistet ein vorgefertigte SMA-Gitter einen flexiblen Herstellungsprozess und ein reproduzierbares Herstellungsergebnis. Zur Konzipierung einer optimalen Prozesstemperaturführung sind komplexe Randbedingungen und auf den ersten Blick widersprüchliche Anforderungen aus den etablierten Herstellungsprozessen von FKV-Materialien und dem thermisch sensiblen SMA-Materialverhalten zu berücksichtigen. Eine Kalthärtung im ersten Schritt der Hybridverbundherstellung aus duromerem FKV und SMA-Gitter erlaubt einen Verzicht auf aufwendige Vorrichtungen zur Unterdrückung einer vorzeitigen Verformung der SMA-Elemente. Eine weitere angepasste Temperung zur Erhöhung der Vernetzungsdichte des duromeren Polymers verbessert die Leistungsfähigkeit zusätzlich, wodurch die maximale Spitzenauslenkung (ohne äußere Last) bezogen auf die aktive Länge einer Hybridstruktur von anfänglich 17 % auf mehr als 60 % gesteigert werden kann. Um eine simulative Abbildung dieser SMA-FKV-Hybridverbunde zur Auslegung aktiver Komponenten einsetzen zu können, muss die Modellierung die notwendige Genauigkeit liefern und effizient auf Bauteilskala einsetzbar sein. Das entwickelte Zustandslinien- Modell des SMA-Materials wird diesen Anforderungen durch die Fokussierung auf den Aktorikeffekt gerecht. Vorhergesagt werden kann damit der „aufgeheizte“ und „abgekühlte“ Zustand von Ein- und Zwei-Weg-Effekt-Materialien. Der Einfluss der Steifigkeit der zu verformenden FKV-Komponente wird durch eine anwendungsnahe Charakterisierung erfasst und fließt durch die analytische Beschreibung der Zusammenhänge in das Modell ein. Konkrete Kennwerte stehen für ein Zwei- Weg-Effekt-Material und zwei Ein-Weg-Effekt-Materialien mit unterschiedlicher Umwandlungstemperatur und individueller Vordehnung (1,8 bis 6,3 %) zur Verfügung. Durch die Beschreibung der gesamten Hybridverbunde mittels homogenisierter Schalen in der Finiten-Elemente-Methode (FEM) kann auf die Abbildung der realen mikroskopischen Geometrie verzichtet werden und die Auslegung ganzer Komponenten aus aktivem SMA-FKV-Hybridverbund wird ermöglicht. Im Zuge der Validierung wird das experimentell bestimmte Aktorikverhalten mit der simulativen Vorhersage abgeglichen. Da dieser Validierung die entwickelten Lösungen in den Bereichen Herstellung und Simulation zugrunde liegen, verifiziert die erfolgreiche Validierung die Anwendbarkeit der entwickelten Gesamtmethodik. Eine gute Übereinstimmung kann bei Coupontests für Vordehnungen von bis zu 3 % sowie für teilaktivierte Zustände der SMA-Elemente festgestellt werden. Um zu verdeutlichen, wieso und unter welchen Randbindungen der Einsatz aktiver SMA-FKV-Hybridverbunde technisch sinnvoll sein kann, werden verschiedene neuartige Anwendungskonzepte beschrieben. Die wesentlichen Vorteile eines aktiven Hybridverbundes gegenüber klassischer Aktorik-Struktur-Kombinationen werden durch die abschließende Entwicklung eines aerodynamischen Profils als Demonstrator hervorgehoben. Die wichtigsten Vorteile sind: - Stark reduzierte Bauraumanforderungen - Geringes Systemgewicht - Große Designfreiheit - Geschlossene kontinuierliche Oberfläche - Geringer Montageaufwand Der Demonstrator verdeutlicht außerdem, wie es mit den Ergebnissen dieser Arbeit möglich ist, aktive Bauteile aus SMA-FKV-Hybridverbund im Hinblick auf eine konkrete Anwendung systematisch und rechnergestützt auszulegen. Durch die entwickelte Herstellungsmethodik können diese Hybridverbunde mit hoher Leistungsfähigkeit bei minimalem Bauraum und geringer zusätzlicher Masse in reproduzierbarer Qualität gefertigt werden. Neue innovative Funktionen, die sich nicht im Rahmen klassischer Aktorikprinzipien realisieren lassen, werden umsetzbar und ermöglichen signifikante Wertsteigerungen diverser Produkte.

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Metadaten
Author:Moritz Hübler
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47252
ISBN:978-3-944440-14-9
Serie (Series number):IVW-Schriftenreihe (118)
Publisher:Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Place of publication:Kaiserslautern
Advisor:Ulf Breuer
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2017/08/09
Year of Publication:2016
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2015/10/19
Date of the Publication (Server):2017/08/09
Number of page:XIV, 144
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)