KMU-innovativ Dehnungssensoren aus laserbasierter additiver digitaler Produktion (STRAIN)

Problemstellung
Dehnungsmesstreifen (DMS) sind nach vielen Jahrzehnten in der Anwendung als Sensorelement für Verformungsmessungen, beispielsweise bei Kraftaufnehmern oder bei Wiegezellen, zu einer Selbstverständlichkeit geworden. Die DMS bestehen aus einer Trägerfolie mit einem ausgeätzten Widerstandsdraht-Gitter, das bei Dehnung seinen Widerstand ändert. Zu deren Aufbringung ist die Bauteiloberfläche vorzubehandeln, im Anschluss werden die DMS von Hand positioniert und verklebt. Bei diesem manuellen Klebeprozess entstehen hohe Abweichungen bei der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Um die steigenden Qualitätsansprüche zu erfüllen, sollen die DMS zukünftig durch eine automatisierte additive Fertigungstechnik direkt auf den Bauteilen Schicht für Schicht im 3D-Druck aufgedruckt werden.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projektes STRAIN ist die Entwicklung eines neuartigen digitalen Verfahrens für die additive Produktion von Dehnungs-Sensoren auf metallischen Bauteilen. Durch die Abbildung der gesamten Prozesskette – von der Materialentwicklung über die Prozessentwicklung für Digitaldruck und Nachbehandlung bis hin zur Anbindung der Messelektronik – kann die gesamte Wertschöpfung dargestellt werden. Die Erfahrungen aus der Herstellung von Zieldemonstratoren, wie einem Zweipunktlenker und einer Antriebswelle, münden dabei in ein Maschinenintegrationskonzept. Hierdurch soll die kostengünstige Herstellung in großer Stückzahl von bauteilverbundenen DMS mit intelligenter Sensorik in Endprodukten ermöglicht werden.

Vorgehensweise
Dazu soll ein neuartiges Isolationsmaterial entwickelt werden, sodass bei den additiv gefertigten DMS nur eine Materialschicht die Funktionen der Anhaftung, Kräfteübertragung und elektrischen Isolation übernimmt, für die bislang zwei Schichten erforderlich sind. Durch die Optimierung der Prozessparameter können so der Materialdruck, die Nachbehandlung und die elektrische Kontaktierung auf eine für die Produktion geeignete Qualität gehoben werden. Dazu wird ein Maschinenintegrationskonzept für eine wirtschaftliche Fertigung erarbeitet. Die prototypische Umsetzung erfolgt durch die Herstellung von Beispielteilen auf einer vorhandenen Laboranlage.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die im Vorhaben anvisierte Innovation setzt auf eine kosten-, energie- und ressourcensparende skalierbare Kombination aus leistungsfähigen Materialien sowie Fertigungstechnologien für additiv hergestellte DMS und bildet die Basis neuer Marktstrategien und Geschäftsmodelle. Neben der Erschließung innovativer Produktfunktionen ergibt sich der Zugang zu umfassenden Datenerhebungsmöglichkeiten für mechanisch beanspruchte Bauteile in der Automobilindustrie, beim Maschinen- und Anlagenbau und bei Windenergieanlagen.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• micro resist technology Gesellschaft für chemische Materialien spezieller Photoresistsysteme mbH
• Notion Systems GmbH
• VELOMAT Messelektronik GmbH