Teilprojekt A2: Modellierung von urgeformten Mikrobauteilen aus metallischen und keramischen Werkstoffen

Übersicht

Zielsetzung

Die Herstellung von Prototypen und die Durchführung von Prüfstandsversuchen gehen insbesondere im Mikrobereich mit hohen Kosten einher, da die auftretenden Schwankungen (z. B. Geometrieabweichungen) eine Vielzahl an Versuchen und damit Prüflingen erforderlich machen. Diese sind erforderlich, um statistische Aussagen beispielsweise über das Übertragungsverhalten eines Getriebes treffen zu können. Um möglichst frühzeitig eine Untersuchung und Bewertung des Bauteil- und Systemverhaltens vornehmen zu können, bietet sich eine simulationsgestützte Untersuchung von Mikrobauteilen und -systemen an.
Ziel des Teilprojekts A2 "Modellierung" ist die simulationsgestützte Durchdringung des Verhaltens urgeformter Mikrobauteile und -systeme sowie die Absicherung deren Funktion unter Berücksichtigung mikrospezifischer Aspekte. Dabei konzentrieren sich die Arbeiten, aufbauend auf den Ergebnissen der vorangegangenen Phasen, auf eine zuverlässige dreidimensionale Modellierung urgeformter Mikrobauteile und mikromechanischer Systeme aus metallischen und keramischen Werkstoffen. Es gilt, eine zuverlässige Abbildung urgeformter Mikrobauteile einschließlich der in Studien als relevant identifizierten Kornstruktur samt Defekten in der Simulation zu ermöglichen. Des Weiteren beinhalten die Arbeiten die Untersuchung des Demonstratorsystems "Planetengetriebe" sowie das Aufzeigen des Einflusses von Geometrieabweichungen auf das Systemverhalten anhand dieses Beispiels.

Aktuelle Arbeiten und Ergebnisse

Im Rahmen des Teilprojektes A2 werden Bauteile und daraus aufgebaute mikromechanische Systeme modelliert und untersucht. Entsprechend werden die Untersuchungen auf zwei verschiedenen Ebenen durchgeführt: bauteil- und systemspezifisch.

Abbildung 1: Bauteil- und Systemsimulation

So wurde unter anderem ein ein rechnergestütztes Simulationswerkzeug erarbeitet, welches auf Standard-Software basiert und von am Institut entwickelten Modulen ergänzt wird. Dieses ermöglicht es, mikrospezifische Eigenschaften bei der dreidimensionalen Gestaltung und Auslegung von Mikrobauteilen und mikromechanischen Systemen simulationstechnisch zu berücksichtigen.

Abbildung 2: Pilotapplikation

Mit der nachfolgenden Simulation der mechanischen Beanspruchungen gelingt es, Auswirkungen der Kornanisotropie bei metallischen Mikrobauteilen zu erfassen und diese bei der Dimensionierung der Mikrobauteile zu berücksichtigen. Beispielhaft sei der Zahn eines im Sonderforschungsbereich entwickelten Mikroplanetenzahnrades dargestellt. Hierzu wurde der Zahn einschließlich verschiedener Korngefüge modelliert und mit den im Sonderforschungsbereich verwendeten Materialien analysiert. Für die Untersuchungen wurden Modelle mit 30, 70, 150, 450 und 1.000 Körnern im dargestellten Modell generiert.

Ausgewertet wurde anschließend die Schwankung der Spannungen im Zahnfuß auf der Zugseite des Mikrozahnes. Im interessierenden oberflächennahen Bereich der Kerbe lagen dabei 7, 9, 20, 40 bzw. 61 Körner vor. Nachfolgend sind exemplarisch die Spannungen in der auf Zug beanspruchten Seite im Kerbgrund für den mit einer Kraft auf der Flanke beanspruchten und mit verschiedenen anisotropen Materialorientierungen berechneten Mikrozahn eines Planetenrades dargestellt.

Abbildung 3: Beanspruchungen eines Mikroplanetenradzahns aus 17-4 PH mit unterschiedlichen Kornanzahlen (von links nach rechts: 30, 70, 150, 450 und 1.000 Körner pro Modell)

Bei der Systemsimulation werden die Einflüsse von Geometrieabweichungen auf das Systemverhalten untersucht. Einerseits können so Lasten für die Mikrobauteilauslegung ermittelt werden, andererseits wird ein Konzept zur Auslegung des mikromechanischen Systems erstellt. Auf diese Weise wurden aus der Systemsimulation des Demonstrators beispielsweise Beanspruchungen der Demonstratorkomponenten ermittelt.

Ziele dieser Antragsphase sind die Erweiterung der Pilotapplikation bezüglich der Modellierung komplexer dreidimensionaler Mikrobauteile und der Berücksichtigung versagensauslösender Fehlstellen im Bereich des Korngefüges wie Kantendefekte und Poren. Bei der Systemsimulation werden die Einflüsse der Geometrieabweichungen auf das Systemverhalten untersucht. Einerseits können so Lasten für die Mikrobauteilauslegung ermittelt werden, andererseits wird ein Konzept zur Auslegung des mikromechanischen Systems erstellt. Ziel ist es dabei, in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt A1 ein optimiertes Design für Mikrobauteile und mikromechanische Systeme zu entwickeln, das es erlaubt, trotz der im Mikrobereich großen Toleranzen hohe Zuverlässigkeiten zu erreichen.

Abbildung 4: links: Demonstratorgetriebe, rechts: Verteilung der gemittelten Kontaktkräfte in Abhängigkeit eines variierten Planetenraddurchmessers

Zur Validierung der Simulationsergebnisse steht der in Teilprojekt A1 entwickelte Mikrozahnradprüfstand zur Verfügung. In enger Zusammenarbeit mit Teilprojekt A1 kann so die Güte des Simulationsmodells ermittelt werden und die gemessenen bzw. simulierten Zahnräder gemeinsam etwa im Hinblick auf deren Übertragungsverhalten bewertet werden. Ziel ist es dabei, in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt A1 ein optimiertes Design für Mikrobauteile und mikromechanische Systeme zu entwickeln, das es erlaubt, trotz der im Mikrobereich großen Toleranzen hohe Zuverlässigkeiten zu erreichen.

Abbildung 5: Vergleich der Messergebnisse einer Zweiflankenwälzprüfung mit den aus der Simulation gewonnenen Ergebnissen