Sensorintegration in gießtechnische Erzeugnisse

Werkstoffe, Bauteile und Strukturen mit einem gewissen Maß an inhärenter „Intelligenz“ sind ein zentrales Forschungsthema am Fraunhofer IFAM. Ein typisches Anwendungsfeld ist die Überwachung mechanisch belasteter Bauteile im Betrieb in all ihren Abstufungen: von der einfachen Lastüberwachung über die Schadenserkennung und Lokalisierung bis hin zur Prognose der verbleibenden Bauteillebensdauer. Die Grundlage derartiger Fähigkeiten ist ein technisches Nervensystem, das Belastungen erkennt und damit eine Basis für ihre Bewertung liefert: Sensoren.

Herausforderungen für die Integration von Sensoren in der Gießereitechnologie

Die Integration von elektronischen Komponenten wie Sensoren in Faserverbundwerkstoffe ist heute weitestgehend Stand der Technik. Eine weit größere Herausforderung stellt die Übertragung auf gießtechnische Erzeugnisse dar. Grund hierfür sind die deutlich höheren Anforderungen, die an die betreffenden elektronischen Komponenten zu stellen sind und die sich aus den Randbedingungen gießtechnischer Prozesse ergeben: Je nach verarbeiteter Legierung reicht das Spektrum der Gießtemperaturen von 420-580°C im Falle von Zinklegierungen bis 1500-1700°C für Stahlguss. Geht es um Druckguss, kommen Nachverdichtungsdrücken von teils deutlich über 1000 bar hinzu, sowie Fließgeschwindigkeiten der Schmelze von 40 m/s und mehr. Andere Gießverfahren sind in dieser Hinsicht sanfter, dafür aber durch geringere Abkühlgeschwindigkeiten gekennzeichnet, gleichbedeutend mit einer entsprechend verlängerten Hochtemperaturexposition der integrierten Komponente.

Aktuelles Interesse an diesen Technologien speist sich insbesondere aus Entwicklungen im Personentransport: Sowohl im Bereich der Pkws, als auch im UAV/Flugtaxi-Sektor zeichnen sich klare Tendenzen in Richtung autonomes Fahren bzw. Fliegen ab. In beiden Fällen muss die Überwachung von Fahrzeugzustand und –sicherheit verstärkt durch das Fahrzeug selbst übernommen werden. Für Automobile ergibt sich bei geteiltem Eigentum (car sharing) eine ähnliche Situation. Für UAVs/Flugtaxis kommt mangelnde Kenntnis kritischer Lastfälle hinzu: Hier kann Sensorik zusätzlich helfen, verbesserte Grundlagen für die Strukturauslegung zu ermitteln.

Lösungen für den Einsatz in Druckguss- und Niederdruckgusskomponenten

Das Fraunhofer IFAM entwickelt unter dem Namen CAST^TRONICS® gemeinsam mit Partnern aus dem Bereich der Mikrosystemtechnik Lösungen auf Basis von Dünnschicht- und Dickschicht-Technologien speziell für den Einsatz in Druckguss- und Niederdruckguss-Komponenten. Dabei werden je nach Anwendungsfall unterschiedliche Strategien genutzt, die die Funktionalität des jeweiligen Systems nach dem Gießprozess gewährleisten:

• Einsatz hochtemperaturbeständiger Materialien („harden“),
• Verteilung des Gesamtsystems und Eingießen ausschließlich der robustesten Komponenten („distribute“),
• Abschirmen der Komponenten gegen die Einflüsse des Gießprozesses („protect“)
• und vereinfachen des Sensors mit dem Ziel erhöhter Robustheit („simplify“).

Hinsichtlich der bisher realisierten Sensorprinzipien sind neben einfachen Ausfallsensoren (Prinzip Reißdraht) vor allem piezoresistive und piezoelektrische Systeme zu nennen.