Fühlende Werkzeugmaschine / Sensible Maschinenkomponenten dank Lasertechnik

Nach Beschichtung mit einer Isolations- und einer Sensorschicht, schreibt ein Ultrakurzpulslaser die Sensorstrukturen direkt auf das Bauteil. Übliche Maskenprozesse entfallen, was die Fertigung dieser robusten, hochwertigen Dünnschichtsensoren auch für kleine und mittlere Stückzahlen wirtschaftlich attraktiv macht.

Mit einem Trick machen Forscher kleinste Dehnungen in schwer verformbaren Teilen einer Werkzeugmaschine sichtbar. So können sie etwa die beim Zerspanen auftretenden Prozesskräfte direkt messen oder frühzeitig eine stumpfe Werkzeugschneide erkennen. Anhand eines Demonstrators zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) auf der diesjährigen Hannover Messe vom 08. bis 12. April, wie das geht.

Wie kann im laufenden Bearbeitungsprozess der Zustand einer Werkzeugmaschine überwacht, Prozesskräfte und Schwingungen gemessen und diese Informationen für Überwachungsaufgaben und zur Prozessoptimierung genutzt werden? Mit Sensormodulen ausgerüstete gentelligente (genetisch + intelligent) Bauteile sollen dieses Kunststück einer „fühlenden“ Maschine ermöglichen – das ist erklärtes Ziel des Sonderforschungsbereichs 653 unter Leitung des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover mit Beteiligung des LZH.

Doch der Einbau und die Funktion der Sensoren stellen hohe Anforderungen. Werkzeugmaschinen sind besonders steif ausgelegt, so dass die Prozesskräfte nur kleine Verformungen hervorrufen. Um dennoch präzise zu messen, bedienten sich die Ingenieure eines kleinen Tricks: Sie platzierten Dehnungssensoren in Kerben an den Maschinenkomponenten. In deren Spitze kommt es bei Belastung zu einer Dehnungsüberhöhung, wodurch der Dehnungssensor ein besonders großes Messsignal liefert.

Um die Sensoren in schwer zugängliche und komplexe Strukturen, wie diese Kerbenspitzen, einbringen zu können, stand bisher kein geeignetes Verfahren zur Verfügung. Alternativen, wie fotolithografisch hergestellte Sensoren sind nur auf planaren Flächen einsetzbar und aufgeklebte Folien-Dehnungsmessstreifen nicht für die rauen Einsatzbedingungen geeignet.

In der Gruppe Laser-Mikrobearbeitung am LZH hat man mit einem Laserstrukturierungsprozess eine neue, für komplexe dreidimensionale Bauteile konkurrenzlose Technik entwickelt. Nach Beschichtung mit einer Isolations- und einer Sensorschicht, schreibt ein Ultrakurzpulslaser die Sensorstrukturen mit lateralen Auflösungen von 10 bis 100 µm direkt auf das Bauteil. Ein Laserscanner sorgt dabei für einen sehr schnellen Strukturierungsprozess. Übliche Maskenprozesse entfallen, was die Fertigung dieser hochwertigen Dünnschichtsensoren auch für kleine und mittlere Stückzahlen wirtschaftlich attraktiv macht.

Erste Prototypen laserstrukturierter Sensoren wurden im Rahmen des SFB-Projekts bereits in den Z-Achsschlitten einer Werkzeugmaschine integriert. In Belastungsproben zeigten die Sensoren schon kleinste Verformungen von 0,001% an.

Am Stand des LZH (Halle 17, Stand E67) sind Besucher der diesjährigen Hannover Messe eingeladen, mithilfe eines kleinen Demonstrators die vom Laser in eine Kerbe eingearbeiteten Dehnungssensoren in ihrer Funktionsweise selbstständig zu testen.

Die Entwicklungen im Rahmen des SFB-Projekts „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“ werden seit 07/2005 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Kontakt:
Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Michael Botts
Hollerithallee 8
D-30419 Hannover
Tel.: +49 511 2788-151
Fax: +49 511 2788-100
E-Mail: m.botts@lzh.de

Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.