Fraunhofer IST Sensoren überwachen Produktionsprozess in situ

Erfolgreich ist, wer effizient produziert. Die Produktionsprozesse müssen daher immer genauer überwacht werden. Neue Sensoren der Fraunhofer-Allianz Adaptronik sind nun in der Lage, wichtige Kenndaten bereits während des Fertigungsprozesses zu erfassen. Dazu müssen die Sensoren vor allem eines können: Sie müssen möglichst nahe am Ort des Geschehens sein. Multifunktionale Dünnschichtsysteme ermöglichen langzeitstabile Sensoren im Mikrometerbereich und bieten damit ideale Voraussetzungen.

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Direkte Informationen aus den Hauptbelastungszonen eines Fertigungsschrittes sind Gold wert. Ortsaufgelöste Daten zu Drücken und Temperaturen ermöglichen eine kontinuierliche Anpassung der Produktionsprozesse. Dazu müssen die Sensoren im direkten Kontakt zu den Werkstücken stehen. Der Logenplatz für den Sensor ist daher das Werkzeug. Doch genau hier ist in der Regel kein Platz für entsprechende Sensoren. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST geht daher neue Wege und beschichtet die Werkzeuge mit verschleißbeständiger Dünnschichtsensorik.

Um den Reibungskräften in den Hauptbelastungszonen zu widerstehen, werden die piezo- und thermosensitiven Dünnschichtsensoren in robuste Kohlenwasserstoffschichten eingebettet. So ist es möglich, diese Sensoren direkt in Werkzeuge für den Kunststoffspritzguss, für das Blechziehen oder für das Stanzen zu integrieren. Die Basis dieser sensorischen Schichtsysteme bildet die multifunktionale Kohlenwasserstoffschicht Diaforce. Diese vereinigt Reibungs- und Verschleißbeständigkeit mit piezoresistivem Verhalten.

Sensorschichten im Mikrometerbereich

Um ortsaufgelöste Messungen durchführen zu können, werden Elektrodenstrukturen aus Chrom darauf abgeschieden. Diese werden vor Verschleiß mit einer elektrischen Isolationsschicht Sicon bedeckt, bestehend aus mit Silizium und Sauerstoff modifiziertem Kohlenwasserstoff. Optional kann eine zusätzliche Mäanderstrukturierung auf dieser Sicon-Schicht durchgeführt werden, die zu lokalen Temperaturmesseinheiten führt. Auch diese werden mit einer abschließenden Deckschicht aus Sicon geschützt.Diese sensorischen Schichtsysteme weisen Gesamtdicken im Bereich von 9-12 Mikrometern auf.

Sensoren steuern Regelungseinheiten

Die Schichtsysteme werden auf, für den jeweiligen Anwendungsfall entsprechend, geformten Stahlgrundkörpern appliziert und anschließend in die Anlagen integriert. Dort messen sie im Prozess relevante Größen, die direkt an eine Steuer- und Regelungseinheit weitergeleitet werden. Dadurch liefern sie einen wichtigen Beitrag zum Prozessverständnis sowie zur Prozessüberwachung. Auf diese Weise können die Produktionsprozesse optimiert werden. Nummerische Simulationen erhalten reale Betriebswerte als Basis.

Seine Funktionstüchtigkeit bewies das Dünnschichtsystem in einer Spritzgussanlage für Kunststoffe am Kunststoff-Institut in Lüdenscheid (KIMW) beispielhaft an ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Dafür wurde das Sensormodul in das Werkzeug eingebaut und auf 80°C vorgeheizt. Im Anschluss erfolgten die Spritzgussprozesse bei 450 bar. Durch den Kontakt der Schmelze mit zwei Temperatursensoren wurde ein schneller Temperaturanstieg verursacht. In der anschließenden Abkühlphase erstarrt der Kunststoff. Es konnte gezeigt werden, dass dank der niedrigen Oberflächenenergie der Deckschicht Sicon keine Anhaftungen an dem sensorischen Schichtsystem stattfanden. Auf den Einsatz von Trennmitteln kann daher verzichtet werden. Das Sensormodul für den Kunststoffspritzguss ist das Resultat des Projektes „Wechselwirkungen“, das innerhalb des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM)“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert wurde.

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