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Smarte Umformteile

Umgeformte Bauteile für die digitale Welt

| Autor / Redakteur: Annemie Kleemann / Stéphane Itasse

Ring mit aufgedruckten Sensoren in einer Prüfanlage: Die Sensoren lassen sich leicht aufbringen, um eine Verformung festzustellen.
Ring mit aufgedruckten Sensoren in einer Prüfanlage: Die Sensoren lassen sich leicht aufbringen, um eine Verformung festzustellen. (Bild: PtU)

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Umformtechnisch hergestellte Bauteile sind in fast allen Branchen vertreten und sind zum Großteil auf ihre Funktion als Strukturbauteil ausgelegt. Bekannte Beispiele hierfür sind Profile in Fensterrahmen, Karosserieblechteile und Gehäuse für Motoren. Über kurz oder lang wird auch hier die Digitalisierung Einzug halten.

Die Integration der Digitalisierung kann zu multifunktionalen Bauteilen führen. Viele Szenarien und ihre Vorteile können hier erdacht werden. Beispielsweise die Vorteile, die ein Einbruch meldender Fensterrahmen im Smart Home hätte, der per App einen Alarm anzeigt. Auch die Anbieter von Carsharing könnten Nutzen für ihre Branche ziehen und durch Crash- oder Verformungssensoren in Karosserieblechteilen Schädigungen an den Fahrzeugen nachweisen. Durch in Gehäusen implementierte Sensoren könnten kritische Temperaturen dort abgegriffen werden, wo sie von größtem Interesse sind.

Umformteile erhalten zusätzlich messtechnische Funktion

Diese Bauteile haben alle eins gemein: eine zusätzliche messtechnische Funktion. Der Trend zu solchen smarten Bauteilen steigt immer weiter. Die Nachfrage nach kostengünstigen Sensoren, um funktionsintegrierte Strukturbauteile herstellen zu können, ist daher groß und wird in Zukunft weiter zunehmen. Bereits die heutigen Funktionserweiterungen stehen zum Großteil in Verbindung mit der Anschaffung von teuren Sensoren. Dabei fällt nicht nur der Kauf der Sensoren selber finanziell ins Gewicht, sondern auch die richtige Anbringung am fertigen Bauteil. Da zusätzlich aufgebrachte Sensoren Mehrkosten verursachen, hat das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) einen Innovationsbedarf erkannt und untersucht neue Möglichkeiten der Funktionserweiterung durch Sensorintegration.

Eine am PtU entwickelte Technik ermöglicht das Aufbringen umformbarer Dehnungs- und Temperatursensoren. Dafür wird im Siebdruckverfahren sowohl eine isolierende als auch eine leitfähige Schicht auf ein Stahl- oder Aluminiumblech aufgedruckt. Der schematische Schichtaufbau eines gedruckten Dehnungsmessstreifens ist in Bild 2 zu sehen. Das Design des Sensors ist je nach Anwendung durch die Nutzung des Siebdrucks anpassbar. Infolge der Robustheit des Prozesses ist außer einer Reinigung keine Vorbehandlung der zu bedruckenden Fläche nötig. Eine Haftung der Farbe auf den Metallwerkstoffen Aluminium und Stahl wurde im Zugversuch bis zu einer plastischen Deformation von 20 % experimentell bestätigt.

Simulation zeigt, wo Sensoren angebracht werden können

Die Bestimmung der Umformbarkeit der gedruckten Sensoren ist mit einer Charakterisierung der maximal ertragbaren einachsigen Dehnungen nicht getan. Weitere Parameter wurden untersucht, die in einem Umformprozess eine Rolle spielen. Dazu gehört die Abhängigkeit des Sensors von der Temperatur, vom Dehnungszustand und von der Reibung. Mit den festgestellten Zusammenhängen lässt sich in Verbindung mit einer vorhergehenden Simulation des Strukturbauteils ablesen, an welchen Stellen eine Anbringung der gedruckten Sensoren möglich ist.

Beispielsweise wurde im Zuge einer experimentellen Untersuchung die Abhängigkeit der relativen Widerstandsänderung (Änderung des elektrischen Widerstands bezogen auf den Initialwiderstand) von der Kontaktnormalspannung, wie sie beim Kontakt zwischen Bauteil und Umformwerkzeug entsteht, untersucht. In Bild 3 sind die Ergebnisse dieser Untersuchung anhand einer Messreihe an gedruckten Dehnungsmessstreifen zu sehen. Die nachweislich ertragbaren Kontaktnormalspannungen übersteigen diejenigen bei hochbeanspruchenden Umformverfahren wie dem Tiefziehen. Zusätzlich sieht man mittels mikroskopischer Aufnahmen die Höhenprofile der Sensoren nach dem Reibversuch. Die Einebnung der Sensoren und die damit verbundene bessere Leitfähigkeit, auch noch bei sehr hohen vorangegangenen Kontaktnormalspannungen, erklärt die Ergebnisse. Die so charakterisierten gedruckten Sensoren können innerhalb des versagensfreien Parameterbereichs risikofrei genutzt werden.

Intuitiv bedienbares Produkt enthält die komplette Messkette

Der nächste Schritt dieser Entwicklung geht von der einfachen Signalübertragung zu einer Verarbeitung des Signals, um an die gewünschten Informationen zu kommen. Dazu gehört beispielsweise das Erkennen eines vorher festgelegten Maximalwerts, der Anzahl von Wiederholungen oder die Steigung des Messwerts über die Zeit. Ein intuitiv bedienbares Produkt enthält die komplette Messkette, von der Signalaufnahme über die Signalverarbeitung bis zur Ausgabe über eine Schnittstelle zum Nutzer. Als Anwendungen eignen sich beispielsweise Strukturbauteile, welche während der Herstellung bei falschem Handling in der Nutzungsphase versagen können oder zu einer Überwachung des Bauteils in der Nutzungsphase selber.

Das Feststellen einer Überlast bei der Dehnungsmessung ist der Grundgedanke hinter einem am PtU umgesetzten Demonstrator, dem „einbruchsicheren Spind“. Im beschriebenen Fall handelt es sich um einen Demonstrator, der funktional bedruckt und im Anschluss an der Abkantbank in die gewünschte Form gebracht wurde. Durch eine Software, welche durch einen Peak im Signal des elektrischen Widerstands des gedruckten Sensors eine aufgebrachte Dehnung detektiert, wird der Einbruchversuch festgestellt. Dies wird durch eine rote Warnleuchte signalisiert. Außer der Detektion der Dehnung ist auch eine Überschreitung einer vorher festgelegten Temperatur durch einen weiteren gedruckten Sensortyp möglich.

In Zukunft soll diese Technologie verbessert werden. Zum einen wird der Herstellungsprozess vereinfacht und verkürzt. Die aktuell genutzten manuellen bis halbautomatischen Prozesse werden durch kontinuierliche Prozesse ersetzt, beispielsweise könnte bei dem einbruchsicheren Spind das Biegen durch Walzprofilieren ersetzt werden.

Hierfür suchen wir industrielle Anwendungspartner, die Interesse an dieser Technologie haben und mit uns ein neues Produkt entwickeln wollen.

* Annemie Kleemann ist wissenschaftliche Mitarbeiterin der Abteilung Walz- und Spaltprofilieren am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der Technischen Universität Darmstadt in 64287 Darmstadt

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