Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Additive Fertigung für die Integration von Sensorik in mechatronische Systeme

Im Projekt PrESens werden Technologien und Prozessabläufe entwickelt, mit welchen Sensorstrukturen direkt in mechatronische Systeme mittels additiver Fertigungsverfahren integriert werden können. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Einsatz innovativer Druckverfahren zur Erzeugung funktionaler Strukturen auf den einzelnen Bauteilen der Systeme. Beispielsweise sollen Temperatur- und Dehnungssensoren direkt auf Wellen aufgebracht werden. Hierdurch entfallen einerseits komplizierte und fehleranfällige Montageprozesse und andererseits aufwändige und komplexe Fertigungsschritte für klassische Dehnungsmessstreifen (DMS).

Hierfür sollen zusammen mit den Industriepartnern geeignete Sensorkonzepte für unterschiedliche Anwendungsfälle definiert und daraus entsprechende Anforderungen an Funktionsstrukturen und Materialien abgeleitet werden. In praktischen Versuchen werden anschließend für die Verarbeitung der Materialien in den Druckverfahren Ink-Jet, Aerosol-Jet und Siebdruck, sowie für die entsprechende Materialvor- bzw. Nachbehandlung, entsprechende Prozessparameter entwickelt und Sensorelemente hergestellt. Diese werden hinsichtlich Ihrer Eigenschaften und der Zuverlässigkeit bei den Partnern aus Wissenschaft und Industrie analysiert und daraus entsprechende Anpassungen abgeleitet. Auf Basis der entwickelten Prozesse kann anschließend ein aussagekräftiger Demonstrator aufgebaut werden, der schließlich zur Verwertung der Ergebnisse bei den Industriepartnern eingesetzt werden soll.

Die Forschungsergebnisse sollen zur engeren Kopplung gedruckter Elektronik und der 3D-MID-Technologie beitragen. Die Ergebnisse können von KMU in Branchen mit hochintegrativen Anforderungen an die Sensorik, wie in der Automobilindustrie, oder als Möglichkeit zur Steigerung der Flexibilität der Integrationsdichte und der Miniaturisierung von Baugruppen genutzt werden. Gleichzeitig ermöglichen digitale Drucktechnologien eine wirtschaftliche Kleinserienherstellung und schnelle Layoutanpassungen.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Rahmen des Forschungsprojekts PrESens erzielten Ergebnisse haben gezeigt, dass: 

1. die direkte Applikation von resistiven Sensoren mit digitalen Drucktechniken auf 2D- und 3D-Objekte am Messort ist möglich  

2. Gedruckte Carbon-DMS: Sensoren auf Carbonbasis sollten aufgrund der Neigung zur Nachverdichtung nicht zur Temperaturmessung, sondern nur zur Dehnungsmessung bis 40 °C verwendet werden: 

-- Hohe Sensitivität k ≈ 6 bis 9 bis 40 °C 

-- Eingeschränkte Anwendungstemperatur durch Drift > 40 °C 

-- Geringe Sensitivität < 0 °C 

-- Schwankende und teilweise stark degenerierendes Langzeitverhalten 

3. Gedruckte Silber-DMS: Sensoren auf Silberbasis sowohl zur Dehnungsmessung als auch zur Temperaturmessung geeignet.  

- Sensitivität entspricht kommerziellen Folien-DMS mit k ≈ 2 

- Sensorantwort innerhalb -40 °C / + 100 °C stabil und daher als Temperatursensor anwendbar 

- Gutes Langzeitverhalten bei geringer Feuchtigkeit 

- Bei erhöhter Feuchtigkeit und Temperatur halten die Kontaktierungen bis ca. 600 h. Für längere Lebensdaueransprüche müssen weitere Schutzmassen-, -Strategien sowie Lote erforscht werden 

4. Herausforderung Druckprozessstabilität:  

- Stabilisierung von digitalen Druckprozessen notwendig da Materialaustrag instabil 

- Geringe Reproduzierbarkeit (∆R für Halb-Vollbrücken oft zu hoch), sodass keine Anwendung mit kommerziellen Messverstärkern möglich ist sobald ∆R > 8 Ω. 

5. Individuelle Parametersuche erforderlich für Materialkombinationen 

6. Unklarer Einfluss der Schutzmaterialien 

7. Entwicklungspotential für legierte Metallsysteme, z.B. Nickel-Konstantan zeigt die finalen Layouts für NanoJet-gedruckte Sensoren auf Silberbasis an der TH-N

Anwendungsmöglichkeiten bestehen in Bereichen in denen Zustandsänderungen detektiert werden sollen ohne höchste Anforderungen an Genauigkeit, z.B. bei Verformung eines Bauteils in einem kritischen Bereich.