Der PKW Querlenker mit aufgedrucktem Kraftsensor liefert zu jedem beliebigen Zeitpunkt die im Einsatz wirkenden Kräfte und registriert kleinste Risse, die auftreten, bevor ein Defekt entsteht. (Bild: Fraunhofer ILT, Aachen)
Im Zuge von Trends wie Industrie 4.0 und Internet of Things gewinnt die exakte Zustandserfassung von Maschinen und Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Um ausreichend Daten zu sammeln, hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT eine Sensorinfrastruktur für intelligente industrielle Anwendungen entwickelt und mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren realisiert.
Derzeit werden Sensoren in den meisten Anwendungen manuell auf Bauteiloberflächen aufgebracht. Neben Sensoren auf der Bauteiloberfläche können mit dem neu entwickelten Verfahren auch Sensoren direkt in das Bauteil integriert werden. Dadurch können wichtige Kenndaten über die Beanspruchung innerhalb des Bauteils erfasst werden.
Die manuelle Applikation von Sensoren ist oft nicht präzise genug, schließlich arbeiten die Sensoren im Mikrometerbereich, um Vibrationen, Beschleunigungen oder kleinste Verformungen zu registrieren. Samuel Moritz Fink, Gruppenleiter Dünnschichttechnik am Fraunhofer ILT: "Die manuelle Applikation von Sensoren ist in vielen Fällen zu ungenau und nicht reproduzierbar. Zudem fordern Anwender zunehmend automatisierbare Prozesse."
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Warum gedruckte Sensoren mehr Präzision bringen
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zeigt auf der formnext (7. bis 10. November 2023 in Frankfurt am Main) am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle 11, Stand D31) einen PKW-Querlenker mit additiv gefertigtem Sensor. "Der Kraftsensor, den wir auf den Querlenker gedruckt haben, ist inklusive Isolations- und Schutzschicht sowie Anschlüssen nicht einmal 200 Mikrometer dick", erklärt Fink. Der Clou: "Damit lassen sich die im Fahrbetrieb auftretenden Kräfte jederzeit ermitteln." Diesen Prototyp haben die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher für den Rennsport entwickelt. Der Sensor misst kontinuierlich den Kraftverlauf, etwa bei Kurvenfahrten, und warnt vor Defekten, bevor sie auftreten.
Echtzeitdaten für Predictive Maintenance
"Der Kraftsensor registriert kleinste Risse, die auftreten, bevor sie zum Versagen des Bauteils führen", so der Gruppenleiter. Neben einem Kraftsensor lassen sich auch andere Sensoren aufbringen - etwa zum Erfassen von Temperatur, Vibrationen oder Schall, Druck oder Beschleunigung, Licht, Spannung, aber auch für die Bestimmung unterschiedlicher Gase und Flüssigkeiten. Spezielle Kunststoffe für die Isolations- und Schutzschichten ertragen Temperaturen von bis zu 300 °C.
Das Anwendungsspektrum dieses Verfahrens ist immens, vor allem, weil es geeignete Echtzeitdaten für Predictive Maintenance liefert: "Damit lassen sich beispielsweise Batteriezellen einzeln überwachen, Wartungsintervalle bei Offshore Windkraftanlagen optimieren oder Prozesse im Maschinen- und Anlagenbau verbessern", so Fink weiter.
Nahtlose Einbindung der Sensoren beim Bauteil-Druck
Eine weitere herausragende Innovation, die das Fraunhofer ILT auf der formnext präsentiert, ist die nahtlose Integration von Sensoren während des additiven Fertigungsprozesses. Mit Hilfe von 3D-Strukturdruckverfahren wie dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF) können gedruckte Sensoren direkt während der Bauteilherstellung in das Bauteil integriert werden. Die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher demonstrieren diese Technologie am Beispiel eines additiv gefertigten Fräskopfes. Der Strukturdruckprozess mittels LPBF wird unterbrochen, um Dehnungsmessstreifen mit Hilfe eines digitalen Funktionsdruckverfahrens und einer laserbasierten thermischen Nachbehandlung zu integrieren. Anschließend wird der Strukturdruckprozess fortgesetzt, um das intelligente Bauteil fertigzustellen.
Individuelle Anpassung der Sensor-Geometrie
Durch die Kombination von Struktur- und Funktionsdruck sowie laserbasierter Nachbearbeitung können Bauteile mit integrierter Sensorik vollständig additiv hergestellt werden. Dies ermöglicht nicht nur die präzise Platzierung von Sensoren für anspruchsvolle Zustandsanalysen, sondern auch den Schutz dieser Sensoren vor mechanischen Umwelteinflüssen.
"Die Geometrie der Sensoren kann je nach Bauteil individuell angepasst werden, und zukünftig sind sogar weitere Funktionselemente wie integrierte Heizer denkbar", sagt Samuel Fink. "Diese Technologie eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, von der Fertigung in den Bereichen Werkzeug- und Maschinenbau bis hin zur Automobilindustrie und darüber hinaus in den Sektoren Energie, Luft- und Raumfahrttechnik."
