Sensorsysteme für die Produktionsüberwachung

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für Industrie 4.0 ist neben der Weiterentwicklung der Datenverarbeitung auch eine leistungsfähige Sensorik für die Produktionsüberwachung. Am Fraunhofer IST werden verschiedene anwendungsspezifische Sensorsysteme auf Bauteilen entwickelt.

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Anwendungsspezifische Fertigung von Sensorsystemen

Das Fraunhofer IST entwickelt piezoresistive und thermoresisitive Sensorstrukturen, die anforderungsspezifisch realisiert werden.

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Titanlegierungen effizient umformen

Am Fraunhofer IST werden antiadhäsive Werkzeugbeschichtungen für die Hochtemperatur-Titanumformung entwickelt, mit denen zukünftig effizientere Umformprozesse und eine verbesserte Bauteilqualität erreicht werden sollen.

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Strukturierte CVD-Diamant-Honleisten

Am Fraunhofer IST wurden in Kooperation mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der Technischen Universität Braunschweig neuartige CVD-Diamant-Honleisten entwickelt und erfolgreich getestet, die mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen Honleisten aufweisen.

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Gasborieren von hochlegierten Werkzeugstählen

Zur Verbesserung des Reibungs- und Verschleißverhaltens können jetzt auch hochlegierte Werkzeugstähle durch eine neue am Fraunhofer IST entwickelte Prozessführung mit dem Verfahren des Gasborierens erfolgreich behandelt werden.

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Thermoschocktester für Leichtmetallguss- und Schmiedewerkzeuge

Zur Bewertung von Randschichten hinsichtlich ihrer Thermoschockbeständigkeit ist eine geeignete Prüftechnik unerlässlich. Am Fraunhofer IST wurde daher ein innovativer Thermoschockprüfstand entwickelt.

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Prozesskette zur Vorbehandlung von Werkzeugen

Um die Umweltverträglichkeit einer Reinigungsprozesskette aus Behandlungsschritten an der Atmosphäre mit einer nachfolgenden Plasmafeinreinigung direkt vor der Beschichtung zu steigern, wird am Fraunhofer IST eine neue Prozesskette zur Vorbehandlung von zu beschichtenden Werkzeugen entwickelt.

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HIPIMS-Arc-Abscheidung von ta-C-Schichten

Wasserstofffreie harte DLC-Schichten werden nahezu ausschließlich mittels Arc-Verfahren hergestellt. Das Fraunhofer IST arbeitet an einer alternativen Herstellungsmethode: der kombinierten HIPIMS-Arc-Abscheidung.

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DLC-Beschichtungen für die Umformung

Am Fraunhofer IST wird eine Kombination aus Nitrierung und DLC-Beschichtung angewendet, um die Widerstandsfähigkeit von DLC-Beschichtungen vor allem auf Werkzeugen zu erhöhen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei in der Anpassung des Verfahrens auf komplex geformte Werkzeuge.

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Neuartige Sensorsysteme für die Produktionsüberwachung

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die vierte industrielle Revolution – Industrie 4.0 – ist neben der Weiterentwicklung der Datenverarbeitung auch eine leistungsfähige Sensorik zur Messdatenerfassung. Eine besondere Herausforderung besteht dabei oft in der Integration der kommerziellen Sensorsysteme in die Hauptbelastungszonen der Bauteile oder Werkzeuge. Eine Alternative bieten hier sensorische Dünnschichtsysteme, die direkt auf den Oberflächen von Bauteilen oder Werkzeugen aufgebracht werden können, und so eine Erfassung von Kenndaten wie Belastungs- und Temperaturverteilungen in direktem Kontakt mit dem Werkstück erlauben, ohne dass bauliche Veränderungen notwendig sind. Am Fraunhofer IST werden im Rahmen mehrerer öffentlich geförderter Projekte verschiedene anwendungsspezifische Sensorsysteme auf Bauteilen entwickelt.

Tiefziehwerkzeug mit vollständigem Sensoraufbau.
© Fraunhofer WKI, Manuela Lingnau

Tiefziehwerkzeug mit vollständigem Sensoraufbau.

Schematische Darstellung des sensorischen Dünnschichtaufbaus.
© Fraunhofer IST

Schematische Darstellung des sensorischen Dünnschichtaufbaus.

Holzfaserverstärktes Spritzgussteil in Kontakt mit Sensormodul.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Holzfaserverstärktes Spritzgussteil in Kontakt mit Sensormodul.

Multifunktionale Dünnschichtsensorik auf Biege- und Tiefziehwerkzeugen

Im Rahmen des Cornet-Projekts »SensorFut« wurde ein multifunktionales Dünnschichtsensorsystem auf Biege- und Tiefziehwerkzeugen entwickelt. Die besondere Herausforderung bestand darin, ein verschleißbeständiges Dünnschichtsensorsystem auf einer mehrfach gekrümmten Werkzeugoberfläche so zu fertigen, dass – wie in dem Bild links oben – in den gekrümmten Bereichen piezoresistive Sensorstrukturen mit thermoresistiven kombiniert werden konnten. Gelungen ist dies mit einem multifunktionalen Schichtsystem, das schematisch in der nebenstehenden Abbildung dargestellt ist. Es basiert auf der vom Fraunhofer IST entwickelten DiaForce®-Schicht, einer amorphen Kohlenwasserstoffschicht, die mit 24 GPa sehr hart und gleichzeitig piezoresistiv ist. Mit komplexen Strukturierungsmethoden werden auf dem beschichteten Werkzeug Messstellen aus Chromstrukturen erzeugt, welche über dünne Leiterbahnen mit Kontaktierungspads verbunden werden. Gleichzeitig werden zwischen zwei elektrischen Isolationsschichten einzelne Mäanderstrukturen zur Temperaturmessung in das Schichtsystem integriert.

Dünnschichtsensorik in Spritzgießmaschinen

Das oben beschriebene multifunktionale Dünnschichtsensorsystem wird auch innerhalb des Cornet-Projekts »SmartNFR« eingesetzt. Ziel ist es, durch den Einsatz von verschleißbeständiger Dünnschichtsensorik in Spritzgießmaschinen, eine effizientere Fertigung von Bauteilen aus naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) zu ermöglichen. Diese innovativen Materialverbunde weisen nicht nur neue Funktionen im Hinblick auf Farbe, Festigkeit und Gewicht auf, sondern sind auch recycelbar. Sie haben ein breites Anwendungsspektrum vom Leichtbau, der Autombilindustrie bis hin zu Standardgütern des Alltags wie Bodenbeläge.

Im Rahmen des Projekts wurden Grundkörper aus Stahl mit dem oben beschriebenen multifunktionalen Dünnschichtsensorsystem zur Messung der Temperaturverteilung und zur Bestimmung des Fließverhaltens in der Form während des Spritzgussprozesses gefertigt. Drei dieser verscheißbeständigen Sensormodule wurden in eine Spritzgussanlage der Tomas Bata Universität in Zlin integriert, die zur Fertigung von Bodenplatten eingesetzt wird. Die erste erfolgreiche Erprobung der Sensorik erfolgte in direktem Kontakt mit einer 30 Prozent Holzfasern enthaltenden Polypropylenschmelze (siehe Bild links unten).

Die Projekte

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb zweier Cornet-Projekte erarbeitet.

Im Projekt »SensoFut« (Sensorized Future – Sensing of temperature and pressure in harsh environments) arbeitet das Fraunhofer IST gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und der belgischen Forschungsvereinigung Sirris. Das Projekt mit der Laufzeit vom 01.01.2013 bis zum 30.06.2015 wurde im Rahmen des 13. Cornet Programms (Collective Research Networking) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

Projekt »Smart NFR« (Smart coating systems for process control and increased wear resistance in processing of natural fibre reinforced polymers), an dem das Fraunhofer IST gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und der tschechischen Universität Tomas Bata in Zlin arbeitet, wird im 19. Cornet Call (Collective Research Networking) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert und hat eine Laufzeit vom 01.06.2016 bis zum 30.11.2018.

 

Weitere Beiträge aus dem Bereich Maschinenbau, Werkzeuge und Fahrzeugtechnik finden Sie hier