Smarte Schichten

Innovative Werkzeuge wissen, worauf es ankommt: Sie messen die Spannkraft einer Verbindung. <br>© Fraunhofer IST <br> <br>

Innovative Schichten machen Maschinen und Werkzeuge nicht nur verschleißfester, sondern auch smart. Auf der Hannover Messe (15. – 20. April) stellen Fraunhofer-Forscher unter anderem eine »intelligente« Unterlegscheibe vor. Damit kann man jederzeit kontrollieren, ob Schrauben richtig angezogen sind.

Wer schon einmal aus Versehen ein heißes Backblech angefasst hat oder einer Kerzenflamme zu nah gekommen ist, kennt den Reflex genau. In Bruchteilen einer Sekunde zieht man die Hand zurück und verhindert damit schwere Verbrennungen. »Maschinen verfügen bisher nicht über solche Möglichkeiten. Treten während des Betriebs zum Beispiel extrem hohe Temperaturen auf, reagiert die Maschine nicht, sondern läuft weiter«, sagt Holger Lüthje vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST. Die Folge können schwere Maschinenschäden sein. Um dies verhindern, werden Werkzeuge meist frühzeitig ausgewechselt. Das verursacht aber Maschinenstillstandzeiten und zusätzliche Kosten. Damit Werkzeuge wirklich erst dann ausgetauscht werden, wenn sie verschlissen sind, haben IST-Forscher smarte Schichten entwickelt. Sie enthalten Sensoren, die vor Verschleiß oder hohen Temperaturen warnen.

Beispiel: Zerspanwerkzeug mit sensorintegrierten Verschleißschutzschichten. Beim Zerspanen wirken auf die Arbeitsschneide extreme mechanische und thermische Belastungen ein. Die Schneide nutzt ab und fehlerhafte Teile mit unsauberen Schnittkanten laufen vom Band. Bei »intelligenten« Werkzeugen erfasst die integrierte Mikrosensorik kontinuierlich den Verschleiß und die Temperatur und meldet sie an die Maschinensteuerung weiter. Übersteigt zum Beispiel die Temperatur einen kritischen Wert, kann die Maschine reagieren und etwa die Schnittgeschwindigkeit senken. Das »intelligente« Werkzeug ist eine gemeinsame Entwicklung der Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT, Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und dem Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen und des IST sowie mehrerer Firmen.

Um das »intelligente« Zerspanwerkzeug herzustellen, haben die Forscher mit Dünnschichttechniken auf handelsübliche Wendeschneidplatten Temperatur- und Verschleißsensoren appliziert. Die nur 100-500 nm dicke Sesnorschicht ist in zwei Isolatoren-Schichten eingebettet. Alle Ebenen bestehen aus verschleißfesten Hartstoff. Den Abschluß bildet eine Verschleißschutzschicht. Eine Signalverarbeitungs- und Übertragungsschaltung steuert die Sensoren an und leitet die Signale telemetrisch an die Maschinensteuerung weiter. »Auf diese Weise lassen sich neuartige diagnostische Werkzeuge schaffen, die den aktuellen Zustand in den Hauptbelastungszonen erfassen und online reagieren können«, beschreibt der Holger Lüthje, Leiter der Gruppe »Mikro- und Sensortechnologie«, die Einsatzmöglichkeiten.

Aber nicht nur in der Produktion, sondern auch im Alltag helfen smarte Schichten, Schäden und Unfälle zu vermeiden. So zeigt zum Beispiel eine »intelligente« Unterlegscheibe lose Schraubverbindungen an. Dazu wird die Unterlegscheibe einfach mit einer neuartigen drucksensitiven Schicht überzogen, die auf diamantartigem Kohlenstoff basiert und kleinste Nanopartikel enthält. Über eine einfache Widerstandsmessung wird dann online die Spannkraft überwacht. Löst sich die Schraube, ändert sich der Widerstand. »So können sicherheitsrelevante Schraubverbindungen kostengünstig und zuverläsig überwacht werden«, sagt Lüthje. Auch die Montage macht die »intelligenten« Unterlegscheiben sicherer: Mit ihr wird die tatsächliche Schraubkraft ermittelt und nicht die Gleiteigenschaft des Gewindes.

»Die potenzielle Anwendungsbreite dieser neuen Schicht ist jedoch wesentlich größer», betont Lütjje. So läßt sich die aktuelle Belastung von Gleit- und Wälzlager messen. Bei Montageautomaten kann die Greifkraft kontinuierlich erfasst und eingestellt werden. Auch futurische Anwendungen sind möglich: So können etwa die Fußsohlen und Hände von Robotern mit Schichten versehen werden, die dann zum Beispiel messen, ob der Fuß auf einem spitzen Stein steht oder auf einer geraden Fläche.

Auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand »Oberflächen: Innovation durch Funktion« in Halle 27, Stand B14, zeigen die Forscher erste Demonstratoren der »intelligenten« Unterlegscheibe und des »intelligenten« Werkzeugs. Weitere neue Entwicklungen aus der Oberflächentechnik stellen die Fraunhofer-Institute für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut WKI , Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Silicatforschung ISC und Solare Energietechnik ISE aus.

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