Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts PreSens (IGF-Projekt 21173 N)
„Additive Fertigung für die Integration von Sensorik in mechatronische Systeme“
Im Forschungsprojekt “Additive Fertigung für die Integration von Sensorik in mechatronische Systeme (PrESens)” wurde die Machbarkeit der direkten Funktionalisierung mittels kontaktloser Druckverfahren untersucht. Der Fokus lag hierbei auf der Eignung unterschiedlicher Drucktechnologien, der Untersuchung verschiedener Materialkombinationen und den Applikationsmöglichkeiten auf 3D Oberflächen. Ziel war es Sensoren direkt auf der Messstelle einer Baugruppe zu fertigen, welche in ihren relevanten Eigenschaften, beispielsweise der Empfindlichkeit und der Langzeitstabilität sowie Zuverlässigkeit, zu resistiven nasschemisch geätzten-Sensoren, welche den Stand der Technik darstellen, vergleichbar oder besser sind (Sensorintegration). Ein weiteres Ziel bestand darin, die wesentlichen Nachteile bestehender Herstellungsverfahren für resistive Sensoren zu überwinden, insbesondere die bei der photolithografischen Herstellung starke räumliche Einschränkung, den hohen Materialverbrauch sowie den manuellen Applikationsarbeitsaufwand bei der Integration der Sensoren. Anhand von Technologiedemonstratoren sollte der finale Projektstand demonstriert werden. Es wurde mit verschiedenen Tinten sowie einer Vielzahl an Substrat- und Schutzmaterialien gearbeitet. Dabei hat sich das Materialportfolio im Projektverlauf reduziert. So hat sich bereits zu Beginn des Projektes gezeigt, dass über Siebdruck hergestellte Senosren einen viel zu geringen Widerstand aufweisen. Eine hybride Lösung mit Dispensen von einzelnen Carbonbereichen zwischen Silberlinien hat sich für Druck von Sensoren im Halbbrückenformat nicht als zielführend erwiesen. Aufgrund des erhöhten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, waren Messungen ohne Temperaturkompensation nur mit Viertelbrücken nicht ausreichend, sodass der Siebdruck verfworfen wurde. In abschließenden Untersuchungen wurden sensierende Strukturen auf Kupferbasis im Aerosljet-Druck mit Tinten DM-CUI-5010 der Fa. Dycotec und im Piezojet-Druck CI-006 der Fa. Novacentrix realisiert. Im NanoJet-Druck kam die silberbasierende Tinte Ag40TE der Fa. UT Dots zum Einsatz. Mittels Piezojet-System wurden zusätzlich sowohl dielektrische Schichten auf Aluminium mit einer UV härtenden Paste Protect S der Fa. GenesInk, als auch sensierende Strukturen auf Kohlenstoffbasis mit der Paste CM112-48 von Creative Materials gedruckt. Alle Proben wurden auf 2D-Prüfkörpern im Hinblick auf elektrische, sensierende Eigenschaften und Langzeitstabilität untersucht. Demonstratoren auf Kohlenstoff- und Silberbasis wurden weiterhin in Überdruckbelastungsversuchen charakterisiert.
Die im Rahmen des Forschungsprojekts PrESens erzielten Ergebnisse haben gezeigt, dass:
- die direkte Applikation von resistiven Sensoren mit digitalen Drucktechniken auf 2D- und
3D-Objekte am Messort ist möglich - Gedruckte Carbon-DMS: Sensoren auf Carbonbasis sollten aufgrund der Neigung zur Nachverdichtung nicht zur Temperaturmessung, sondern nur zur Dehnungsmessung bis
40 °C verwendet werden:
a. Hohe Sensitivität k ≈ 6 bis 9 bis 40 °C
b. Eingeschränkte Anwendungstemperatur durch Drift > 40 °C
c. Geringe Sensitivität < 0 °C
d. Schwankende und teilweise stark degenerierendes Langzeitverhalten - Gedruckte Silber-DMS: Sensoren auf Silberbasis sowohl zur Dehnungsmessung als auch zur Temperaturmessung geeignet.
a. Sensitivität entspricht kommerziellen Folien-DMS mit k ≈ 2
b. Sensorantwort innerhalb -40 °C / + 100 °C stabil und daher als Temperatursensor anwendbar
c. Gutes Langzeitverhalten bei geringer Feuchtigkeit
d. Bei erhöhter Feuchtigkeit und Temperatur halten die Kontaktierungen bis ca. 600 h. Für längere Lebensdaueransprüche müssen weitere Schutzmassen-, -Strategien sowie Lote erforscht werden - Herausforderung Druckprozessstabilität:
a. Stabilisierung von digitalen Druckprozessen notwendig da Materialaustrag instabil
b. Geringe Reproduzierbarkeit, da der Widerstandsunterschied ΔR für Halb-Vollbrücken-
Druck oft zu hoch, sodass keine Anwendung mit kommerziellen Messverstärkern möglich ist, sobald ΔR > 8 Ω beträgt. Dies würde den Ausschussanteil erhöhen, wenn Bauteile mit Sensoren bedruckt werden, die einen hohen Widerstandsunterschied aufweisen. - Individuelle Parametersuche erforderlich für Materialkombinationen
- Unklarer Einfluss der Schutzmaterialien
- Entwicklungspotential für legierte Metallsysteme, z.B. Nickel-Konstantan zeigt die finalen Layouts für NanoJet-gedruckte Sensoren auf Silberbasis an der TH-N.
Die ambitionierten Projektziele konnten dabei teilweise erreicht werden. Es wurden dreidimensionale Dehnungssensoren integriert (Sensorintegration) gefertigt, wobei nur die Kontaktierung mit dem Messaufnehmer manuell durchgeführt wurde. Damit kann der Aufklebeapplikationsschritt und der Materialverbrauch eingespart werden im Vergleich mit der nass-chemischen Herstellung. Die Ergebnisse zur Zuverlässigkeit und zur Reproduzierbarkeit der Herstellungsverfahren zeigen jedoch, dass die drucktechnische Herstellung noch nicht an die Stabilität und die Prozesssicherheit herankommt, wie sie in der nasschemischen Ätztechnik existiert. Die höchste Stabilität der Funktionsmaterialien Kupfer, Silber und Black Carbon lieferte die Silbertinte Ag40TE von UT Dots appliziert aus einem Aerosolgasstrom. Insgesamt sind die Ergebnisse vielversprechend, wobei insbesondere materialseitig noch Forschungsbedarfe offenbleiben, um kontaktlose Druckverfahren auf das Niveau der Dünnschichttechnik zu heben.
