Integration von Funktionswerkstoffen in metallische Tragstrukturen mittels inkrementeller Umformverfahren

Smarte Strukturen finden in technischen Anwendungen immer größere Verbreitung. Die Einbettung von Funktionswerkstoffen in metallische Tragstrukturen gestaltet sich hierbei heutzutage als sehr komplex und erfordert mindestens einen zusätzlichen Fügeprozess. Eine integrierte Einformung der Komponenten während des eigentlichen Herstellprozesses der Tragstruktur stellt ein erhebliches Potential zur Vereinfachung des Aufbaus sowie zur Kostenreduktion dar. Die Herausforderungen bei der umformtechnischen Integration bestehen im Wesentlichen in der mechanischen Empfindlichkeit und den hohen Montageanforderungen der Funktionswerkstoffe. Inkrementelle Umformverfahren erscheinen hier besonders geeignet, da durch deren Flexibilität die Einformung und die lokale Belastung in weiten Bereichen beeinflussbar sind. Zur Klärung der generellen Machbarkeit erfolgten numerische Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen zur Einformung anhand der beiden Umformverfahren Drücken und Rundkneten. Zunächst wurden die Geometrien der Fügepartner im Hinblick auf die sich einstellenden Kontaktflächen optimiert. Zusätzlich erfolgten die Auswertung der auftretenden Belastungen im numerischen Modell sowie die experimentelle Aufnahme der resultierenden Kontaktspannungen mittels Druckmessfolien. Am Beispiel zweier Demonstratoren konnten schließlich die in den Grundlagenuntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zum Fügen funktionaler Werkstoffe erfolgreich umgesetzt werden. Anhand des Drückprozesses konnten zerstörungsfrei Magnetringe in eine Aluminiumhülse eingeformt werden. Diese dienen als Demonstrator in einem Fahrradtretlager als Sensorik für die Aufnahme der Trittfrequenz sowie der aufgebrachten Leistung. Mit Hilfe des Rundknetprozesses erfolgte die Einbettung von Piezoaktoren in Aluminiumohre. Durch eingehende Untersuchungen des sich einstellenden Spannungszustandes konnte zudem eine gezielte Vorspannung der Fügekomponente erzielt werden. Die wesentlichen Parameter zur Beeinflussung der Vorspannkraft stellen die Ringkonturgeometrie sowie die Umformtemperatur dar. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vorspannung der Fügekomponente durch die beiden Parameter Flankenwinkel ß und Vorwärmtemperatur des Rohres in einem sehr weiten Bereich einstellbar ist.