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Der Pkw-Querlenker mit aufgedrucktem Kraftsensor liefert zu jedem beliebigen Zeitpunkt die im Einsatz wirkenden Kräfte und registriert kleinste Risse, die auftreten, bevor ein Defekt entsteht.
Foto: © Fraunhofer ILT, Aachen
Der Pkw-Querlenker mit aufgedrucktem Kraftsensor liefert zu jedem beliebigen Zeitpunkt die im Einsatz wirkenden Kräfte und registriert kleinste Risse, die auftreten, bevor ein Defekt entsteht.

Inhaltsverzeichnis

Formnext 2023

Aufgedruckte Sensoren für mehr Präzision

Das Fraunhofer ILT zeigt auf der Formnext 2023 additiv gefertigte Sensoren, die direkt auf Bauteile gedruckt werden sowie eine neue Möglichkeit, Sensoren während des additiven Herstellungsprozesses in der Laser Powder Bed Fusion direkt einzubringen.

Derzeit werden Sensoren in den meisten Anwendungen manuell auf die Oberflächen von Bauteilen angebracht. Doch die manuelle Applikation von Sensoren ist oft nicht präzise genug, schließlich arbeiten die Sensoren im µm-Bereich, um Vibrationen, Beschleunigungen oder kleinste Verformungen zu registrieren. Samuel Moritz Fink, Gruppenleiter Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT: „Das manuelle Aufbringen von Sensoren ist in vielen Fällen zu ungenau und nicht reproduzierbar. Zudem fordern die Anwender zunehmend automatisierbare Prozesse.“

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Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zeigt auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle 11, Stand D31) der Formnext vom 7. bis zum 10. November 2023 in Frankfurt am Main einen Pkw-Querlenker mit additiv gefertigtem Sensor. „Der Kraftsensor, den wir auf den Querlenker gedruckt haben, ist inklusive Isolations- und Schutzschicht sowie Anschlüsse nicht einmal 200 µm dick“, sagt Fink. „Damit lassen sich die wirkenden Kräfte im Einsatz zu jedem beliebigen Zeitpunkt bestimmen.“ Diesen Prototyp haben die Fraunhofer-Forschenden für den Rennsport entwickelt. Der Sensor misst kontinuierlich die Kraftänderung etwa bei Kurvenfahrt und warnt vor Defekten, bevor sie entstehen. „Der Kraftsensor registriert kleinste Risse, die auftreten, bevor sie zum Versagen des Bauteils führen“, so der Gruppenleiter.

Es muss kein Kraftsensor sein. Auch andere Sensoren aufdrucken, etwa zum Erfassen von Temperatur, Vibrationen oder Schall, Druck oder Beschleunigung, Licht, Spannung, aber auch für die Bestimmung unterschiedlicher Gase und Flüssigkeiten. Spezielle Kunststoffe für die Isolations- und Schutzschichten halten Temperaturen bis 300 °C aus. Das Anwendungsspektrum ist groß: „Damit lassen sich beispielsweise Batteriezellen einzeln überwachen, Wartungsintervalle bei Offshore Windkraftanlagen optimieren oder Prozesse im Maschinen- und Anlagenbau verbessern“, so Fink weiter. 

Mehrstufiges Verfahren zur Herstellung intelligenter Bauteile

Eine weitere Innovation, die das Fraunhofer ILT auf der Formnext präsentiert, ist die nahtlose Einbindung von Sensoren während des additiven Herstellungsprozesses. Mit dem Laser-Powder-Bed-Fusion-(LPBF-)Verfahren beispielsweise können gedruckte Sensoren direkt in die Bauteile integriert werden, während sie entstehen. Das demonstrieren die Forschenden am Beispiel eines additiv gefertigten Fräskopfs. Der Strukturdruckprozess mittels LPBF wird unterbrochen, um Dehnungsmessstreifen mithilfe eines digitalen Funktionsdruckverfahrens und laserbasierter thermischer Nachbehandlung zu integrieren. Anschließend wird der Baujob fortgesetzt, um das intelligente Bauteil fertigzustellen.

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Durch die Kombination von Struktur- und Funktionsdruck sowie laserbasierter Nachbehandlung lassen sich Bauteile mit integrierter Sensorik vollständig additiv herstellen. Dies ermöglicht nicht nur die präzise Platzierung von Sensoren für anspruchsvolle Zustandsanalysen, sondern auch den Schutz dieser Sensoren vor mechanischen Umwelteinflüssen. „Die Geometrie der Sensoren kann je nach Bauteil individuell angepasst werden, und zukünftig sind sogar weitere Funktionselemente wie integrierte Heizer denkbar“, sagt Samuel Fink. „Diese Technologie eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, von der Fertigung in den Bereichen Werkzeug- und Maschinenbau bis hin zur Automobilindustrie und darüber hinaus in den Sektoren Energie, Luft- und Raumfahrttechnik.“

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