Competence in Mobility:

Wie wäre es, wenn man auch im Mittelklassewagen nicht spürt, dass man über Kopfsteinpflaster fährt, weil das Fahrwerk des PKW die Erschütterung komplett abfängt? Der Lehrstuhl Mikrosystemtechnik an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg hilft dieses möglich zu machen. Am genannten Lehrstuhl werden neue innovative Technologien zur Fertigung von mikrotechnologischen Systemen entwickelt und optimiert. Zum Einsatz kommt dabei unter anderem SolidWorks Premium mit Simulation Professional.

Im Verbundprojekt COMO (COmpetence in MObility), integriert in den Forschungs-schwerpunkt Automotive, wird im Institut für Mikro- und Sensorsysteme (IMOS) die Entwicklung integrierter Piezostrukturen vorangetrieben. Ziel ist die Optimierung von Fahrsicherheit und Fahrkomfort im PKW. In der ersten Projektphase soll durch die Integration von Piezoaktoren* mit Wegvergrößerungssystemen, Drossel- und Sensorelementen sowie mikroelektronischen Steuerkomponenten ein neuartiger Gasfederdämpfer realisiert werden. In der zweiten Projektphase wird auf dieser Basis ein adaptives Fahrwerk mit 4 Gasfederdämpfern entwickelt, welches alle Freiheitsgrade eines Fahrzeuges berücksichtigt und damit Fahrkomfort und -sicherheit permanent an die jeweiligen Fahranforderungen anpasst.


Gasfederdämpfer als Originalbauteil

Für den erwähnten Gasfederdämpfer kommt ein neuartiges, in Mikrospritzgusstechnik hergestelltes Drosselelement zum Einsatz. Es besteht im Prinzip aus einem mit einer speziellen Oberflächenstruktur ausgestattetem ringförmigen Piezoaktor und einem mit einer ausgeklügelten Speichenstruktur versehenen Polymer als Einsatzformteil.



Prinzip des Gasfederdämpfers. Die neu entwickelte Drossel ist innerhalb einer Gasdruck- feder für die Steuerung des Druckausgleichs zwischen den Kammern zuständig.

COMO sorgt für Fahrkomfort
Fahrkomfort soll bezahlbar sein, das ist die Prämisse der Forscher. "Bisher waren adaptive Dämpfer aus Kostengründen nur bei Oberklassefahrzeugen bekannt", erläutert Dipl.-Ing. Matthias Hartmann, der am Projekt COMO arbeitet. "Unsere Idee ist die Integration eines piezoelektrisch regelbaren Drosselventils zusammen mit allen für den Betrieb erforderlichen Sensor-, Regel- und Steuerelementen direkt in eine Luftfeder. Das ermöglicht schließlich eine preiswerte Serienproduktion und ergibt eine leistungsfähige Lösung auch für den Mittel- und Unterklassemarkt."

Eine besondere Herausforderung im Projekt COMO, das seit 2007 läuft und bis 2011 vorläufig abgeschlossen sein soll, ist die spritzgusstechnische Formgebung des besagten Drosselelementes, welches für eine zukünftige Großserienfertigung ausgelegt wird. Eine der Innovationen im Projekt ist das Ceramic Insert Molding Verfahren. Hierbei werden piezokeramische Aktorelemente als Einlegeteile in das Spritzgusswerkzeug gelegt und mit einer Wegvergrößerungsstruktur aus glasfaserverstärktem Kunststoff umspritzt.



Original und CAD Darstellung der "Drossel". Das zu fertigendes Bauteil besteht aus den beiden Komponenten Polymer und Piezokeramik.

"Diese Drossel unmittelbar und mit höchster Präzision verstellen zu können, wird neben der grundsätzlichen Verbesserung der Dämpfung zusätzlich die absolut zeitnahe Reaktion auf Änderungen des Fahrbahnzustands oder plötzliche Fahrmanöver möglich machen", ist Hartmann überzeugt. Das neue Verfahren ermöglicht die Verbindung zwischen dem Polymer und dem Piezoaktor und, auf Grund spezieller Geometrie, bisher unerreichte Stellwege, welche sich, so der Projektingenieur, als zukunftweisend herausgestellt haben. Das zu fertigendes Bauteil besteht aus den beiden Komponenten Polymer und Piezokeramik. Bei den für die Produktion benötigten Spritzgusswerkzeugen, die hier am Fachbereich gebaut werden, handelt es sich um Baugruppen mit ca. 25 Teilen.



Spritzgusswerkzeuge in SolidWorks konstruiert



Werkzeuge innerhalb der Baugruppe der Spritzgussmaschine. Strichdarstellung in Solidworks.

Keramikspritzguss und Zuverlässigkeitsanalyse
Natürlich ist eine der Kompetenzen des Lehrstuhls der Keramikspritzguss, bei dem hier Verfahren entwickelt werden, um Piezo- und Oxidkeramiken für Sensoranwendungen in nahezu beliebiger dreidimensionaler Struktur herstellen zu können.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Zuverlässigkeitsanalyse. Prüfmethoden, wie Temperatur-schockverfahren, Klimalagerungen, Korrosions- und Delaminations- sowie Vibrationstest gehören dazu. So lassen sich nahezu alle Umweltbedingungen effektiv nachbilden und ihre Einflüsse auf eine Baugruppe untersuchen.

Für die Simulation des piezoelektrischen Aktorelementes setzt Dipl.-Ing. Hartmann auf das FE-Programm Ansys, wobei die CAD-Daten von SolidWorks direkt in Ansys importiert werden. Die Konstruktion des Piezoaktors und der Polymerspeichen erfolgte zunächst mit dem damals vorhandenen CAD-System ProEngineer.  "Hierbei zeigten sich allerdings Probleme beim Datenaustausch mit anderen CAD-Systemen, welche von den beteiligten Projektpartnern verwendet wurden", verrät Hartmann.

Anforderungen an ein neues System
Es sollte daher ein neues CAD-System angeschafft werden, welches eine hohe Kompatibilität zu anderen CAD-Systemen und einfache Weiterbearbeitung fremder CAD-Daten garantiert, das darüber hinaus das unkomplizierte Erstellen von CAM-Daten auf Basis der CAD-Files, die schnelle und unkomplizierte Simulation von Belastungsfällen der konstruierten Bauteile ermöglicht. Dazu sollte es übersichtlich im Programmaufbau und in der Anwenderfreundlichkeit sein sowie das Erstellen von professionell gerenderten Bildern und Bewegungssimulationen für Projektpräsentationen optimal unterstützen. Erste Kontakte mit SolidWorks gab es bereits 2007. Nachdem verschiedene CAD Systeme verglichen wurden, entschied man sich bald für den Einsatz von SolidWorks. Seit 2009 kommen im IMOS fünf SolidWorks Premium Lizenzen mit Simulation Professional zum Einsatz.

"Wir haben keine andere Lösung gesehen, welche FE- und Spritzgusssimulation, CAM-Datenerstellung, photorealistisches Rendern von Bewegungsstudien und CAD-System in einer Oberfläche so übersichtlich und effizient kombiniert. Das Preis-Leistungsverhältnis des gesamten Softwarepaketes von SPI war von anderen CAD-Systemen nicht zu übertreffen", schwärmt Matthias Hartmann. "Mit SolidWorks lassen sich Bauteile und Baugruppen mit geringerem Aufwand zeiteffizienter erstellen.
Die Datenschnittstellenkompatibilität zu anderen CAD-Systemen wird mit SolidWorks auf eine neue qualitative Ebene gebracht. Bisher war es in mehreren Forschungsprojekten üblich, dass der Datenaustausch nur mit erheblichem Aufwand über STL und STEP-Daten erfolgen konnte. Ein schnelles Nachbearbeiten der Bauteile im CAD-System war nicht mehr möglich und gegebenenfalls mussten einige Bauteile sogar neu erstellt werden. Dank der Umstellung auf SolidWorks mit der automatischen Featureerkennung kann ich heute die Änderungswünsche der Projektpartner von deren CAD-Dateisystemen schnell vornehmen und anschließend fertigungstechnisch mit SolidCAM umsetzen", berichtet Matthias Hartmann.

Spritzgusssimulation mit SIMPOEMold
"Als geeignetes Tool für die Spritzgusssimulation erwies sich dann SIMPOEMold", führt der Diplom-Ingenieur aus. "So ließen sich die keramischen Bauelemente als Einlegeteile problemlos simulieren. Die Aussagekräftigkeit der Ergebnisse im Bereich Bauteilfüllung, Temperaturverteilung innerhalb der Kavitäten und Materialschwindung deckten sich mit den späteren Füllstudien an der Spritzgussmaschine."  Hierbei konnten nahezu alle Prozessparameter 1:1 übernommen und die Zeit für das Einfahren des Spritzgusswerkzeuges signifikant verkürzt werden.



Simulation mit SIMPOEMold

Mit SolidWorks schneller von der Idee zum Produkt
Hartmann weiter: "Nach einigen konstruktiven Optimierungen am Drosselelement und Verifikationen mit SIMPOEMold wurden die benötigten Prototypenspritzgusswerkzeuge innerhalb kürzester Zeit in SolidWorks erstellt. Im Vergleich zum zuvor verwendeten CAD-System konnten die Werkzeuge in fast der Hälfte der Zeit konstruiert werden, obwohl ich erst einige Wochen mit SolidWorks gearbeitet hatte." Den Ingenieur überzeugte im Anschluss an die Konstruktion auch die einfache und schnelle Erstellung der CAM-Daten mit SolidCAM (im Einsatz sind 3 Lizenzen) für die hauseigene CNC-Fräse.



Matthias Hartmann an der Spritzgussmaschine des Lehrstuhls, für welche die auf der hauseigenen CNC-Fräse gefertigten Werkzeuge von ihm mit SolidWorks konstruiert wurden.

Matthias Hartmann ist von seiner Entscheidung für die jetzige Systemumgebung absolut überzeugt: "Die Softwareumstellung in unserem Lehrstuhl lief reibungslos. Bei kleineren Problemen konnte die Hotline von SPI sofort und sehr kompetent helfen. Bereits nach einigen Tagen Arbeiten mit SolidWorks war ich mit der Softwareumgebung so vertraut, als würde ich sie seit Jahren verwenden."

In absehbarer Zeit sollen 15 weitere Lizenzen für den Einsatz in Lehrveranstaltungen angeschafft werden.



In einer Studie konstruierte der Ingenieur die Arburg Spritzgussmaschine in SolidWorks nach. Dies ermöglicht dem begeisterten Anwender z.B. Bewegungsstudien für Präsentationen zu erstellen.





* Stichwort Piezoaktor: In der Steuer- und Regelungstechnik bezeichnen Aktoren das wandlerbezogene Gegenstück zu Sensoren und bilden die Stellglieder in einem Regelkreis. Sie setzen Signale einer Regelung in (meist) mechanische Arbeit um. Ein Beispiel ist das Öffnen und Schließen eines Ventils. Integrierte Piezostrukturen sind innovative, komplexe Funktionskomponenten, in denen durch eine gezielte Kombination von Materialien und Funktionen neuartige Leistungsmerkmale implementiert und deren Eigenschaften dadurch deutlich optimiert werden. Integration bedeutet hierbei einerseits die prozesstechnische Verbindung von spezifischen piezoelektrischen Materialien mit passiven Materialien durch Spritzgussverfahren und andererseits die mechanische und elektrische Verbindung verschiedener Funktionseinheiten durch Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik.
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Der Autor dieses Artikels ist Christian Burdorf. Herzlichen Dank an Dipl.-Ing. Matthias Hartmann, der für den Text umfangreiche Vorarbeiten leistete. Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des Lehrstuhls Mikrosystemtechnik der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg.

Zu den Internetseiten des Lehrstuhls: IMOS
Zu den Internetseiten des Projektes: COMO



Dipl.-Ing. M. Hartmann, Arbeitsgruppenleiter Packaging,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Institut für Mikro- und Sensorsysteme (IMOS)
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg