Dünnschichtsensorsystem

Dünnschichtsensorsystem für den Tiefziehprozess

Schematische Darstellung des multifunktionalen Schichtsystems.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg
Schematische Darstellung des multifunktionalen Schichtsystems.
Exemplarisches Messergebnis eines Tiefziehprozesses.
© Fraunhofer IST
Exemplarisches Messergebnis eines Tiefziehprozesses.

Die vierte industrielle Revolution – Industrie 4.0 – kann nur gelingen, wenn neben der Datenverarbeitung auch die für die Messdaten verantwortliche Sensorik weiterentwickelt wird. In den letzten Jahren wünscht sich die Industrie verstärkt eine Sensorik, die direkt auf Bauteiloberflächen in Kontakt mit dem Werkstück eingesetzt wird, um lokal Messdaten auch während des Prozesses erfassen zu können. Am Fraunhofer IST wird daher ein multifunktionales Dünnschichtsystem für die lokale Messung der Druck- und Temperaturverteilung auf der Oberfläche von Tiefziehwerkzeugen entwickelt. Dabei handelt es sich um ein Mehrschichtsystem, das neben einer lokalen Kraft- bzw. Druckmessung auf der komplex geformten Oberfläche auch eine lokale Temperaturmessung an unterschiedlichen Bereichen des Bauteils ermöglicht und darüber hinaus eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

Herstellungsverfahren

Das am Fraunhofer IST entwickelte multifunktionale Dünnschichtsystem besteht aus den folgenden Schichten, die nach­einander auf der Werkzeugoberfläche abgeschieden werden:

  • Eine 6 µm dicke piezoresistive Sensorschicht (DiaForce®)
  • Einzelne im Lift-Off-Prozess hergestellte Kraft-Messbereiche aus Chrom-Elektrodenstrukturen; d= 200 nm
  • Eine 1 µm dicke elektrische Isolations- und Verschleißschutz-Zwischenschicht aus SICON®
  • Photolithographisch erzeugte Chrommäanderstrukturen zur lokalen Temperaturmessung; d= 200 nm
  • Eine weitere abschließende elektrische Isolations- und Verschleißschicht aus SiCON® in einer Dicke von 3 µm

Versuchsdurchführung

Die Leistungsfähigkeit des Sensorwerkzeugs mit dem multifunktionalen Dünnschichtsystem wurde in einer Tiefziehanlage des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU untersucht. Ein exemplarisches Messergebnis des Umformprozesses ist im nebenstehenden Diagramm dargestellt. Während des Tiefziehprozesses erfolgt durch die Druckbelastung, die das umzuformende Aluminiumblech auf die piezoresistive Dünnschichtsensorik ausübt, ein deutlicher Widerstandsabfall. Die lokale Oberflächenerwärmung liegt bei diesem Prozess nur bei 1 K. Die maximal erlaubte Belastung während des Blechtiefziehprozesses kann daher direkt aus der Vorcharakterisierung abgeleitet werden und liegt bei 430 MPa.

Vorteile der multifunktionalen Dünnschichtsensorik

Die am Fraunhofer IST entwickelten multifunktionalen Dünnschichtsensorsysteme bieten gegenüber herkömmlichen Messsystemen eine Reihe von Vorteilen. Beispiele sind:

  • Optimierung von Simulationen
  • Optimierung und Überwachung von Produktionsprozessen
  • Erhöhung des Verständnisses von Betriebszuständen
  • Optimierung von Wartungsintervallen
  • Reduzierung von Ausschuss

Das Projekt

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb des Projekts SensoFut (Sensorized Future – Sensing of temperature and pressure in harsh environments) erzielt, an dem das Fraunhofer IST gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und der belgischen Forschungsvereinigung Sirris arbeitete. SensoFut wurde im 13. Cornet Call (Collective Research Networking) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert und hatte eine Laufzeit von 1. Januar 2014 bis zum 30. Juni 2015.

 

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