Neuartige Oberflächensensoren trotzen rauer Umgebung

Laserstrukturierte Dehnungsmesssensoren ermöglichen eine exakte Kräfteermittlung auch an kritischen Messorten, wie hochbelasteten Werkzeugmaschinen oder komplexen 3D- Bauteilen. Die Herstellung der Sensorstrukturen mittels ultrakurzer Laserpulse wird aktuell am Laser Zentrum in Hannover (LZH e.V.) entwickelt und soll die Fertigung von hochwertigen Dünnschichtsensoren auch für kleine und mittlere Stückzahlen wirtschaftlich attraktiv machen.

Die Fertigung in Werkzeugmaschinen überwachen, Überbelastungen und damit Ausfallzeiten verhindern, oder den Kraftstoff-Einspritzprozess im Dieselmotor regeln: Dies sind Beispiele für wichtige Einsatzbereiche so genannter Dehnungsmesssensoren (DMS). Sie sollen die in Maschinen, Lagern oder Motoren auftretenden Kräfte exakt und zeitnah messen, und das möglichst dicht an der Belastungsstelle. Doch die dort herrschenden Bedingungen fordern sehr robuste Sensoren, die hohen Temperaturschwankungen sowie mechanischen und chemischen Belastungen widerstehen.

Bisherige Sensor-Lösungen zeigen deutliche Schwachstellen: So werden häufig geklebte Folien-DMS verwendet, bei denen u. a. der Kleber kriechen oder quellen und so die Messergebnisse verfälschen kann. Gerade in rauen Umgebungen beeinträchtigt dies die Langzeitstabilität der Sensoren erheblich. Für Anwendungen mit besonderen Anforderungen kommen daher bevorzugt Dehnungssensoren zum Einsatz, die auf Dünnschichttechnologien basieren. Das dabei eingesetzte photolithographische Strukturieren der Sensoren ist sehr aufwändig und gerade bei kleinen und mittleren Stückzahlen meist nicht kosteneffizient. Zudem eignet sich die ursprünglich in der Elektronikfertigung angewandte Maskentechnik nicht für die Bearbeitung komplexer Bauteile mit zylindrischen, sphärischen oder Freiformflächen, beschränkt somit den Einsatz der Dehnungssensoren auf ebene Bauteile.

Abhilfe könnte hier die Abteilung Produktions- und Systemtechnik am LZH schaffen. In der Gruppe Mikrotechnik werden derzeit laserstrukturierte DMS entwickelt. Nach der vollflächigen Beschichtung des Bauteils mit einer Isolations- und einer Sensorschicht, arbeitet ein Ultrakurzpulslaser Sensorstrukturen mit lateralen Auflösungen von 10 bis 100 µm heraus, ohne die empfindliche Schicht durch Wärmeeintrag zu beschädigen. Vorteile dieses Verfahrens: Aufwändige Maskenprozesse entfallen und die Sensoren können direkt auf komplexe, dreidimensionale Geometrien appliziert werden.

Die Entwicklung ist Teil des Sonderforschungsbereiches „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“, der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziert wird. Übergeordnetes Ziel ist ein multisensorielles Netzwerk für die Prozess-, Maschinen- und Bauteilüberwachung, das Informationen sammelt und aus Erfahrungen Vorhersagen trifft. In Kürze sollen erste Prototypen laserstrukturierter DMS in den Z-Achsschlitten einer Werkzeugmaschine integriert werden. Außer im Maschinenbau, liegen weitere mögliche Anwendungen des neuartigen Oberflächensensors in der Fahrzeugtechnik, Lagertechnologie, Robotik oder auch in der Medizintechnik (s. Prothetik).

Ein zweites Projekt der Gruppe Mikrotechnik befasst sich neben der Laserstrukturierung der Dehnungssensoren mit einem Verfahren zur besseren Beschichtung komplexer Oberflächen. In Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) werden die Möglichkeiten des Hochleistungs-Puls-Magnetronsputtern (HPPMS) sowie ein Verfahren der modulierten Puls Plasmen (MPP) untersucht.

Beide Methoden können sowohl die Oberflächenrauheit der abgeschiedenen Schicht, als auch das Beschichten von Hinterschneidungen deutlich verbessern. Das MPP-Verfahren hat zudem den Vorteil, dass sich zusätzlich zu den verbesserten Schichteigenschaften auch deutlich höhere Abscheideraten als mit konventionellen Sputtermethoden erzielen lassen. Ergebnisse des Vorhabens „Direkt applizierte Dünnschicht-DMS auf 3D-Bauteilen“ sollen in eine erste industrielle Anwendung im Bereich der Präzisions-Wägetechnik einfließen.

Kontakt:
Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Michael Botts
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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.