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Gedruckte und flexible Sensorik

Analysten erwarten massives Wachstum

23. April 2014, 11:20 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Dünnschichtsensorik für die Industrie 4.0

Eines der Schlagworte dieser Zeit ist »Industrie 4.0«. Grundlage für deren effiziente Umsetzung ist die kontinuierliche Überwachung der Fertigungsmaschinen und -anlagen im laufenden Betrieb. Dazu bieten sich spezielle Dünnschichtsensoren an, die – integriert in die Maschinen – jederzeit Aussagen über deren aktuellen Verschleißzustand liefern können. Bislang machten jedoch die rauen Umgebungsbedingungen und die elektromagnetischen Störfelder im Fertigungsumfeld vielen Sensoren zu schaffen.

Für Abhilfe soll künftig eine neue Beschichtung sorgen. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben piezoresistive Dünnschichtsensoren auf Basis der amorphen Kohlenwasserstoffschicht DiaForce entwickelt, die sowohl dynamische als auch statische Belastungen detektieren können, ohne hierfür selbst elastisch deformiert zu werden. Die Schichtdicke der Sensoren liegt bei nur 6 µm. Darauf wird mittels Fotolithografie und nasschemischer Ätzung eine dünne strukturierte Chromschicht aufgebracht. So kombiniert das Schichtsystem eine hohe Verschleißfestigkeit mit piezoresistivem Verhalten und ermöglicht somit Messungen beispielsweise der Kenngrößen Kraft, Druck, Temperatur und Verschleiß direkt in den Hauptbelastungszonen der Maschinen.

Mögliche Anwendungen für die Dünnschichtsensoren finden sich beispielsweise in der Einstellung und kontinuierlichen Überwachung der Vorspannung industrieller Schraubverbindungen über deren gesamte Lebensdauer hinweg. Dazu hat das IST eine intelligente Unterlegscheibe auf DiaForce-Basis entwickelt, die die Kräfte und Vorspannungen kontinuierlich im laufenden Betrieb überwacht – auch an bewegten Teilen. Neben der etablierten drahtgebundenen Datenerfassung gibt es diese Unterlegscheibe auch mit RFID-Übertragung.

Ein weiteres Anwendungsfeld für die integrierten Sensoren sind Tiefziehwerkzeuge, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Hier könnten die integrierten Dünnschichtsensoren dazu beitragen, Schwankungen der Prozessparameter auszugleichen und über geeignete Regelungsverfahren eine dynamische Prozessführung zu ermöglichen.

Ein relativ neues Anwendungsfeld für die Dünnschichtsensorik sind Windkraftanlagen, für die die Zustandsüberwachung essentiell ist. Durch neuartige Überwachungssysteme auf Basis der platzsparenden Sensoren könnten Schäden künftig sehr früh erkannt und behoben werden.