Im Zusammenhang mit Trends wie Industrie 4.0 und dem 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 Industrieanwendungen entwickelt und mithilfe
von additiven Fertigungsverfahren realisiert.
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 Industrieanwendungen entwickelt und mithilfe
von additiven Fertigungsverfahren realisiert.
Derzeit werden Sensoren in den meisten Anwendungen manuell auf die Oberflächen
von Bauteilen angebracht. Neben Sensoren auf der Bauteiloberfläche lassen sich durch
das neu entwickelte Verfahren auch Sensoren direkt in die Bauteile integrieren.
Dadurch können wichtige Kenndaten über die Belastung innerhalb des Bauteils
gesammelt werden.
Die manuelle Applikation von Sensoren ist oft nicht präzise genug, schließlich arbeiten
die Sensoren im µm-Bereich, um Vibrationen, Beschleunigungen oder kleinste
Verformungen zu registrieren. Samuel Moritz Fink, Gruppenleiter Dünnschichtverfahren
am Fraunhofer ILT: »Das manuelle Aufbringen von Sensoren ist in vielen Fällen zu
ungenau und nicht reproduzierbar. Zudem fordern die Anwender zunehmend
automatisierbare Prozesse.«
Aufgedruckte Sensoren für mehr Präzision
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zeigt auf dem Fraunhofer-
Gemeinschaftsstand (Halle 11, Stand D31) der formnext vom 7. bis zum 10. November
2023 in Frankfurt am Main einen PKW Querlenker mit additiv gefertigtem Sensor. »Der
Kraftsensor, den wir auf den Querlenker gedruckt haben, ist inklusive Isolations- und
Schutzschicht sowie Anschlüsse nicht einmal 200 µm dick«, erklärt Fink. »Damit lassen sich die wirkenden Kräfte im Einsatz zu jedem beliebigen Zeitpunkt bestimmen.«
Diesen Prototyp haben die Fraunhofer-Forschenden für den Rennsport entwickelt. Der
Sensor misst kontinuierlich die Kraftänderung etwa bei Kurvenfahrt und warnt vor
Defekten, bevor sie entstehen.
»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.
Mehrstufiges Verfahren zur Herstellung intelligenter Bauteile
Eine weitere bemerkenswerte Innovation, die das Fraunhofer ILT auf der formnext
präsentiert, ist die nahtlose Einbindung von Sensoren während des additiven
Herstellungsprozesses. Mithilfe von 3D-Strukturdruckverfahren wie dem Laser Powder
Bed Fusion (LPBF)-Verfahren können gedruckte Sensoren direkt in die Bauteile integriert
werden, während sie entstehen.
Diese Technologie demonstrieren die Fraunhofer-Forschenden am Beispiel eines additiv
gefertigten Fräskopfs. Der Strukturdruckprozess mittels LPBF wird unterbrochen, um
Dehnungsmessstreifen mithilfe eines digitalen Funktionsdruckverfahrens und
laserbasierter thermischer Nachbehandlung zu integrieren. Anschließend wird der
Strukturdruckprozess fortgesetzt, um das intelligente Bauteil fertigzustellen.
Durch die Kombination von Struktur- und Funktionsdruck sowie laserbasierter
Nachbehandlung lassen sich Bauteile mit integrierter Sensorik vollständig additiv
herstellen. 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.«
Kontakt:
