Multisensorsystem – universell und individuell

Schematische Darstellung des multifunktionalen Schichtsystems.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Schematische Darstellung des multifunktionalen Schichtsystems.

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 wurde daher ein multifunktionales Dünnschichtsystem für die lokale Messung der Druck- und Temperaturverteilung auf der Oberfläche von beispielsweise Werkzeugen entwickelt. Dabei handelt es sich um ein verschleißfestes Mehrschichtsystem, das neben einer lokalen Kraft- bzw. Druckmessung auf der komplex geformten Oberfläche auch eine lokale Temperatur- und Verschleißmessung in den Hauptbelastungszonen des Bauteils ermöglicht – ohne Integration von zusätzlichen Messgeräten. Die Sensormodule lassen sich individuell gestalten, in bestehende Maschinen integrieren oder direkt auf 2D- und komplex geformten 3D-Bauteilen abscheiden.

Das Schichtsystem

Das Dünnschichtsystem besteht aus folgenden Funktionsschichten, die auf einem Grundkörper aus Stahl abgeschieden werden (vgl. nebenstehende Abbildung):

  • einer piezoresistive Sensorschicht (Material: DiaForce®, d ~ 6 µm),
  • einer lithographisch strukturierten Metallschicht (Material: Chrom, d ~ 0,2 µm),
  • einer Isolations- und Verschleißschutzschicht (Material: SiCON®, d ~ 1 µm),
  • einer Temperaturmäanderstruktur (Material: Chrom, d ~ 0,2 µm) und
  • einer Isolations- und Verschleißschutzschicht (Material: SiCON®, d ~ 3 µm).

Das Herstellungsverfahren

Die zu behandelnden Oberflächen werden in einer plasma­unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PACVD) mit der piezoresistiven und tribologisch beständigen Kohlenwasserstoffschicht DiaForce® in einer Dicke von 6 µm beschichtet. Um lokal Belastungen messen zu können, werden einzelne kreisförmige Elektrodenfelder aus Chrom auf der Sensor­schicht mittels physikalischer Gasphasen­abscheidung (PVD) in Kombination mit Photolithographie und nasschemischer Ätzung gefertigt. Weiter wird eine 1 µm dicke elektrische Isolationsschicht aus der mit Silizium und Sauerstoff modifizierten Kohlenwasserstoffschicht SICON® abgeschieden. Auf diese Isolationsschicht wird in einem zweiten PVD-Prozess eine weitere 0,2 µm dicke Chromschicht aufgetragen, die im Anschluss so strukturiert wird, dass sie zum einen Mäanderstrukturen aufweist, die zur Temperaturmessung verwendet werden. Zum anderen sind Leiterbahnen von den zur Kraftmessung bereits gefertigten Elektrodenstrukturen hin zum Kontaktierungsbereich enthalten. Die Sensorstrukturen müssen vor Verschleiß geschützt werden, weshalb zusätzlich eine abschließende 3 µm dicke Deckschicht aus SICON® abgeschieden wird.

 

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Sensorik für den Kunststoffspritzguss

Verschleißbeständige Dünnschichtsensorsysteme spielen in den unterschiedlichsten Anwendungen gerade im Bereich von Echtzeiterfassung von Prozessdaten eine immer größere Rolle – so auch im Kunststoffspritzguss. Das innovative multifunktionale Dünnschichtsystem bietet die Möglichkeit, simultan während des Kunststoffspritzgussprozesses sowohl die Kraft- als auch die Temperaturverteilung auf der Spritzgusswerkzeugoberfläche in direktem Kontakt mit der Kunststoffschmelze zu erfassen.

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Sensorik für den Blechbiege- und den Tiefziehprozess

Bei der Herstellung von Blechbauteilen treten häufig Fertigungsfehler wie Falten, Risse und Einschnürungen am umgeformten Blech auf, die den Ausschuss erhöhen. Durch die Integration von Dünnschichtsensorik ist es möglich, Prozessführungen zu regeln, und so Schwankungen auszugleichen und die Zahl der Ausschussteile zu minimieren. Das am Fraunhofer IST entwickelte neuartige Dünnschichtsensorsystem steht in direktem Kontakt mit dem umzuformenden Werkstück und erlaubt die genaue Messung von Druck- und Temperaturverteilungen, sodass das Blechverhalten im Blechbiege- und Ziehprozess präzise bestimmt werden kann.

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Unterlegscheibensensorik

Unterlegscheiben mit einer integrierten Dünnschichtsensorik haben ein breites Anwendungspotenzial in ganz unterschiedlichen Bereichen vom Hochregal über Produktions- und Windkraftanlagen bis hin zum Hoch- und Brückenbau. Das Besondere der am Fraunhofer IST entwickelten Unterleg­scheibensensorik ist, dass die Messstellen für die lokale Bestimmung der Druck- und Temperaturverteilung kundenspezifisch auf dem Bauteil abgeschieden werden können. Dadurch kann die Sensorik individuell an die einzelnen Wünsche und Anforderungen der Kunden angepasst werden.

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Sensor­kontrollierte Momentenverbindungen

Ein weiteres Anwendungsbeispiel des multifunktionalen Schichtsystems ist im Bereich des Bauwerksmonitorings zu finden. Am Fraunhofer IST wurden unterschiedliche Module mit dem multifunktionalen Dünnschichtsensorsystemen aufgebaut, die innerhalb von neu entwickelten Momentenverbindungen die auftretenden Belastungen und Temperaturen im direkten Reibkontakt erfassen können. Gerade im Holzbau, also z.B. zur Überwachung von Holzhäusern in Erdbeben­regionen ist dies von großer Bedeutung.

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