Strukturintegration von Kraftsensorik mittels selektiven Laserschmelzens (AddKraft)

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Kupnik; Professor Dr.-Ing. Matthias Weigold, seit 10/2019
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418628981

Die Nutzung von additiven Fertigungsverfahren wie das selektive Laserschmelzen (SLM) bietet Vorteile bei der Herstellung von funktionsintegrierten Sensoren in unterschiedlichen Anwendungen wie dem Leichtbau, der Prozessüberwachung und der Medizintechnik. Durch die geometrischen Freiheiten in der Formgebung gegenüber anderen Herstellungsverfahren lassen sich komplexe und individualisierte Verformungskörper aus Metall auch in kleine Stückzahlen wirtschaftlich fertigen. Weiterhin ist es möglich die Sensoren hermetisch zu kapseln und so vor äußeren Einflüssen zu schützen. Während erste Realisierungen der Kapselung von Aktoren bereits bekannt sind, gibt es noch keine tragfähigen Ansätze für additiv gefertigte Kraftsensoren. Im Rahmen des Projektes soll die Eignung des selektiven Laserschmelzens als additives Fertigungsverfahren zum Aufbau von Kraftsensoren untersucht werden. Das Ziel des beantragten Forschungsprojekts besteht in der Erarbeitung von reproduzierbaren Verfahren zur Strukturintegration von Dehnungsmesselementen in durch additive gefertigte komplexe Bauteile mit Kraftmessfunktion. Die Fertigung erfolgt dabei in drei Schritten: Zunächst wird ein Teil des Verformungskörpers aufgebaut, anschließend wird ein Messelementträger mit appliziertem Kraftsensor in den Verformungskörper eingelegt und der Bauprozess wird fortgesetzt. Folgende wesentlichen Forschungsfragen sollen im Projekt beantwortet werden: Kann eine ausreichende Oberflächengüte und Abbildegenauigkeit für die Applikation der Sensorelemente mit dem SLM Prozess erreicht werden? Kann eine reproduzierbare Dehnungsübertragung zwischen den additiven hergestellten Verformungskörpern und den Sensorelemente sichergestellt werden? Können die prozessbedingten thermisch induzierten Eigenspannungen in Verformungskörper und Sensorelement beherrscht werden? Als Basis dient eine angepasste SLM Prozessführung mit der gezielt das Verformungsverhalten des Grundkörpers bestimmt und eingestellt werden kann. Mit Hilfe von Prozessüberwachungssystemen soll die thermische Historie beim Aufbau ermittelt werden um Rückschlüsse auf die Eigenspannungen und somit auf das Verformungsverhalten zu ziehen. Für die Schweißverbindung zwischen Sensorträger und Verformungskörper werden neue Prozessparameter und Verbindungsgeometrien entwickelt. Um die Vorteile des additiven Fertigungsverfahrens ausnutzen zu können müssen neue Verformungsgeometrien entwickelt werden. Ausgehend von klassischen Verformungsgeometrien werden neue Konzepte unter der Berücksichtigung der neuen Möglichkeiten und der Einschränkungen des SLM Prozesses. Nach den Grundlagenuntersuchungen sollen ein- und mehrdimensionale Sensoren komplett aufgebaut werden und deren Eigenschaften und Funktionalität in Langzeittests untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eberhard Abele, bis 9/2019