Integrierte Sensortechnologie: Der nächste Schritt in der Additiven Fertigung

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT präsentiert auf dem
Fraunhofer-Gemeinschaftsstand der formnext vom 7. bis zum 10. November
2023 in Frankfurt am Main neueste Forschungsergebnisse der Additiven
Fertigungstechnologie. Unter anderem zeigen die Aachener additiv
gefertigte Sensoren, die direkt auf Bauteile gedruckt werden und
Echtzeitdaten unter anderem für Predictive Maintenance liefern. Ein neues
Verfahren ermöglicht das nahtlose Einbringen von Sensoren während des
additiven Herstellungsprozesses von Bauteilen in der Laser Powder Bed
Fusion.

Im Zusammenhang mit Trends wie Industrie 4.0 und dem Internet of Things
gewinnt die exakte Zustandserfassung von Maschinen und Bauteilen zunehmend
an Bedeutung. Um ausreichend Daten zu sammeln, hat das Fraunhofer-Institut
für Lasertechnik ILT eine Sensorinfrastruktur für intelligente
Industrieanwendungen entwickelt und mithilfe von additiven
Fertigungsverfahren realisiert.

Derzeit werden Sensoren in den meisten Anwendungen manuell auf die
Oberflächen von Bauteilen angebracht. Neben Sensoren auf der
Bauteiloberfläche lassen sich durch das neu entwickelte Verfahren auch
Sensoren direkt in die Bauteile integrieren. Dadurch können wichtige
Kenndaten über die Belastung innerhalb des Bauteils gesammelt werden.

Die manuelle Applikation von Sensoren ist oft nicht präzise genug,
schließlich arbeiten die Sensoren im µm-Bereich, um Vibrationen,
Beschleunigungen oder kleinste Verformungen zu registrieren. Samuel Moritz
Fink, Gruppenleiter Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT: »Das manuelle
Aufbringen von Sensoren ist in vielen Fällen zu ungenau und nicht
reproduzierbar. Zudem fordern die Anwender zunehmend automatisierbare
Prozesse.«

Aufgedruckte Sensoren für mehr Präzision

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zeigt auf dem Fraunhofer-
Gemeinschaftsstand (Halle 11, Stand D31) der formnext vom 7. bis zum 10.
November 2023 in Frankfurt am Main einen PKW Querlenker mit additiv
gefertigtem Sensor. »Der Kraftsensor, den wir auf den Querlenker gedruckt
haben, ist inklusive Isolations- und Schutzschicht sowie Anschlüsse nicht
einmal 200 µm dick«, erklärt Fink. »Damit lassen sich die wirkenden Kräfte
im Einsatz zu jedem beliebigen Zeitpunkt bestimmen.« Diesen Prototyp haben
die Fraunhofer-Forschenden für den Rennsport entwickelt. Der Sensor misst
kontinuierlich die Kraftänderung etwa bei Kurvenfahrt und warnt vor
Defekten, bevor sie entstehen.

»Der Kraftsensor registriert kleinste Risse, die auftreten, bevor sie zum
Versagen des Bauteils führen«, so der Gruppenleiter. Neben einem
Kraftsensor lassen sich auch andere Sensoren aufbringen etwa zum Erfassen
von Temperatur, Vibrationen oder Schall, Druck oder Beschleunigung, Licht,
Spannung, aber auch für die Bestimmung unterschiedlicher Gase und
Flüssigkeiten. Spezielle Kunststoffe für die Isolations- und
Schutzschichten ertragen Temperaturen von bis zu 300 °C.

Das Anwendungsspektrum dieses Verfahrens ist immens, vor allem, weil es
geeignete Echtzeitdaten für Predictive Maintenance liefert: »Damit lassen
sich beispielsweise Batteriezellen einzeln überwachen, Wartungsintervalle
bei Offshore Windkraftanlagen optimieren oder Prozesse im Maschinen- und
Anlagenbau verbessern«, so Fink weiter.

Mehrstufiges Verfahren zur Herstellung intelligenter Bauteile

Eine weitere bemerkenswerte Innovation, die das Fraunhofer ILT auf der
formnext präsentiert, ist die nahtlose Einbindung von Sensoren während des
additiven Herstellungsprozesses. Mithilfe von 3D-Strukturdruckverfahren
wie dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren können gedruckte Sensoren
direkt in die Bauteile integriert werden, während sie entstehen.

Diese Technologie demonstrieren die Fraunhofer-Forschenden am Beispiel
eines additiv gefertigten Fräskopfs. Der Strukturdruckprozess mittels LPBF
wird unterbrochen, um Dehnungsmessstreifen mithilfe eines digitalen
Funktionsdruckverfahrens und laserbasierter thermischer Nachbehandlung zu
integrieren. Anschließend wird der Strukturdruckprozess fortgesetzt, um
das intelligente Bauteil fertigzustellen.
Durch die Kombination von Struktur- und Funktionsdruck sowie
laserbasierter Nachbehandlung lassen sich Bauteile mit integrierter
Sensorik vollständig additiv herstellen. Dies ermöglicht nicht nur die
präzise Platzierung von Sensoren für anspruchsvolle Zustandsanalysen,
sondern auch den Schutz dieser Sensoren vor mechanischen Umwelteinflüssen.

»Die Geometrie der Sensoren kann je nach Bauteil individuell angepasst
werden, und zukünftig sind sogar weitere Funktionselemente wie integrierte
Heizer denkbar«, sagt Samuel Fink. »Diese Technologie eröffnet vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten, von der Fertigung in den Bereichen Werkzeug- und
Maschinenbau bis hin zur Automobilindustrie und darüber hinaus in den
Sektoren Energie, Luft- und Raumfahrttechnik.«