Wissenschaftler der TU Chemnitz entwickeln Steuerung mit gestickten Sensoren

Verschleißfrei, kompakt und funktional sind die Steuerungen, die Wissenschaftler der TU Chemnitz entwickeln. „Wir beschreiten gegenwärtig vollkommen neue Wege zur Steuerung von komplexen Systemen“, berichtet Holg Elsner vom Kompetenzzentrum Strukturleichtbau an der TU Chemnitz.

Maschinenbauer von der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung sowie Elektrotechniker von der Professur Schaltkreis- und Systementwurf kooperieren dabei seit 2006 fakultätsübergreifend. Mit ihrer Steuerung können sie bereits einen Mehrachsroboter bewegen. Das Besondere: Wo bislang viele Einzelteile gebraucht wurden, reicht jetzt ein einziges Bauteil. „Aus einem Konstruktionswerkstoff wird ein Funktionswerkstoff“, erklärt Prof. Dr. Lothar Kroll, Inhaber der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung, den Trick dabei. Wo aus Bewegungen Signale abgeleitet werden sollen, kommen zurzeit häufig Dehnungsmessstreifen zum Einsatz.

Im Leichtbau müssen diese von Hand aufgetragen werden, Massenproduktion ist nicht möglich. Deshalb suchten die Chemnitzer Forscher eine Lösung, um die Sensorik direkt in ihre Grundmaterialien einzubringen – und entwickelten den weltweit ersten Sticksensor in Leichbauverbundstrukturen. Im Leichtbau werden Textilien, ob Vliese, Gewebe aus Glasfasern oder andere innovative Faserverbundwerkstoffe, als Verstärkungsmaterial eingesetzt. Direkt in dieses Textil sticken die Chemnitzer Wissenschaftler einen Draht ein, der als Sensor dient. Er besteht aus dem selben Material, aus dem auch die Dehnungsmessstreifen hergestellt werden – aus Konstantan, das eine Formänderung in eine elektrische Widerstandsänderung umsetzt, die als Signal verwertet werden kann.

Der Sticksensor kann beispielsweise in einem Joystick angewendet werden. Einen solchen haben die Wissenschaftler nun mit der nötigen Elektronik ausgestattet, sodass sich mit ihm ein kleiner Roboter in allen Achsen steuern lässt. „Unser Modell ist die Vorstufe für eine Großserienfertigung. Die Bauteile könnten zukünftig mit einer Spritzgussmaschine im Sekundentakt gefertigt werden“, so Kroll. „Die Steuerung funktioniert mit einem Mikrocontroller. Das Schaltungs- und Leiterplattenlayout ist komplett an der TU Chemnitz entwickelt worden. Es kann jederzeit neu programmiert werden und lässt sich so an jede Anwendung anpassen“, berichtet Peter Wolf, Mitarbeiter an der Professur Schaltkreis- und Systementwurf. Weitere Anwendungen für die so genannte Direct-Material-Control-Systemregelung könnten sich in der Sicherheitstechnik finden sowie in der Maschinensteuerung – etwa bei Baggern oder anderen Baumaschinen. „Auch explosionsgesicherte Schalter lassen sich mit Hilfe unserer Technik sehr preisgünstig realisieren“, schaut Kroll in die Zukunft. Vorteile der Direct-Material-Control-Systemregelungen gegenüber bisherigen, mechanischen Steuerungen: Sie können in Großserie gefertigt werden, was sie kostengünstig macht, außerdem sind sie verschleiß- und wartungsfrei, korrosionsbeständig und hochbelastbar.

„Diese Anlage ist weltweit einmalig“, bewertet Kroll die Steuerung des Mehrachsroboters. Prof. Dr. Göran Herrmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur Schaltkreis- und Systementwurf, ergänzt: „Das Forschungsgebiet und unsere fächerübergreifende Arbeit eröffnen eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten. Die Forschung mit aktiven Materialien steht weltweit noch ganz am Anfang.“ Bis Ende des Jahres wollen die Wissenschaftler der TU Chemnitz eine Funkübertragung realisieren, sodass Joystick und Roboter nicht mehr über Kabel verbunden werden müssen. Die Anwendung der Direct-Material-Control-Systemregelung zur Steuerung eines Roboters präsentieren die Wissenschaftler erstmals bei der Fachtagung „Technisches Sticken“ in Plauen am 29. Oktober 2008. Die fakultätsübergreifende Forschung der beiden Professuren wird auch einfließen in das gerade entstehende „Zentrum Integrative Leichtbautechnologien“, eine Kompetenzeinrichtung für kleinere und mittlere Kunststoff verarbeitende Unternehmen, die unterstützt vom Maschinenbauunternehmen Krauss Maffei auf dem Chemnitzer Uni-Campus entsteht. „Außerdem möchten wir ein Innovationszentrum mit interdisziplinärem Charakter auf dem Gebiet aktiver Leichtbau-Verbundstrukturen einrichten und dadurch die Zusammenarbeit mit Firmen – vor allem mit kleinen und mittleren Unternehmen in Sachsen – weiter ausbauen. Wir suchen jederzeit neue Kooperationspartner“, so Kroll.

Weitere Informationen erteilt Holg Elsner, Telefon 0371 531-38154, E-Mail holg.elsner@slb.tu-chemnitz.de