IGF-Projekt 21173 N: Additive Fertigung für die Integration von Sensorik in mechatronische Systeme [PrESens]
Obwohl sie selten ins Auge stechen, so sind resistive Sensoren, welche eine mechanische Belastung in ein elektrisch messbares Signal umwandeln, aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Sie kommen in der Wägetechnik, in der Spannungsanalyse, beispielsweise bei Bauwerken wie Brücken oder zur Drehmomentmessung in Maschinen zum Einsatz. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Temperaturmessung. Der Sensor liegt dabei als fertige Komponente vor, welche noch in das zu überwachende System integriert werden muss. Gängige Bauformen sind halbleiterbasierte Sensoren mit hoher Sensitivität für geringe Belastungen oder metallbasierte Widerstandssensoren, die über Laminier-, Lithografie- und Ätzverfahren zu Folien-Dehnungsmessstreifen verarbeitet werden. Nachteile der bestehenden Technologie ist eine eingeschränkte Gestaltungsfreiheit auf 3D Geometrien und die typischerweise erforderliche Applikation der Sensoren in das System in einem zusätzlichen (Klebe-)Montageschritt.
Ziel des Forschungsprojekts PrESens ist es diese Einschränkungen durch den Einsatz von Digitaldrucktechnologien für die Sensorfertigung, wie Aerosoljet-, Piezojet- und Inkjet-Druck, zu überwinden. Die Drucktechnologien ermöglichen einerseits die direkte Applikation der Sensoren auf unterschiedliche Trägersubstrate und Komponenten. Andererseits können die Sensoren in Multi-Achs-Drucksystemen direkt auf 3D Geometrien aufgebracht werden, wodurch auch komplexe Sensorkörpergeometrien abbildbar sind.
Um die Machbarkeit und Eignung des Digitaldrucks für die Herstellung resistiver Sensoren (Sensorfertigung) zu qualifizieren, werden hierzu umfassende Drucktests durchgeführt sowie verschiedene Medien, Substratmaterialsysteme und Prozesse zum Verdichten (Sintern) sensierender Strukturen sowie zum Aushärten von isolierenden bzw. schützenden Komponenten erforscht. Zum Vergleich werden etablierte Druckverfahren wie der Siebdruck sowie neuartige hybride Ansätze wie Siebdruck in Kombination mit Dispensverfahren untersucht. Die gefertigten Sensoren (Sensorfertigung) werden hinsichtlich ihrer Sensoreigenschaften, wie Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit charakterisiert, um geeignete Sensoranwendungen zu bestimmen. Als Sensoren werden Dehnungsmessstreifen und Temperatursensoren auf polymeren sowie metallischen Substraten untersucht.
Abbildung 1: Beispiel: Ergebnisse aus Zwischenbericht Projekt PrESens; Quelle: FAPS (FAU), TH Nürnberg
Die bisherigen Ergebnisse zeigen die Machbarkeit einer drucktechnischen Herstellung mittels unterschiedlicher funktioneller Medien, wobei die Prozessführung, sowie die Kontaktierung der gedruckten Sensoren ein hochwichtiger Faktor für präzise Ergebnisse darstellen. Die untersuchten Silber-, Kupfer- und Carbonfunktionsmaterialien weisen k-Faktoren, im identischen Bereich auf wie ihre chemisch gefertigten Pendants, wobei Strukturbreiten und Sensorgröße maßgeblich durch das Druckverfahren vorgegeben werden. Einfluss auf die Druckbarkeit haben Oberflächenrauheit und Oberflächenenergie. Sehr raue und inhomogene Oberflächen können meist mit Schichtdicken oberhalb 20 µm ausgeglichen werden (z.B. durch Piezojet-Druck). Eine Materialanpassung in Form einer Vorbehandlung (Polieren, Plasma) oder Beschichtung des Substrats wird vermutlich zielführend sein, da hier auch feine Strukturen über andere Druckverfahren appliziert werden könnten.
Das IGF-Vorhaben 21173 N der Forschungsvereinigung Räumliche elektronische Baugruppen wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Bearbeitung des Projekts erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Labor für Aufbau- und Verbindungstechnik der Technischen Hochschule Nürnberg. Begleitet wird das Vorhaben von einem umfangreichen Industrieausschuss, bestehend aus 14 Unternehmen mit Material- und Anlagenherstellern sowie Anwendern.
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