Methoden zur Auslegung von Umformteilen mit aufgedruckten Sensoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die neue Siebdruckanlage wurde erfolgreich in Betrieb genommen. Durch die Auswahl neuer Gewebe mit anderer Maschenweite für das Sieb und daraus resultierenden höheren Schichtdicken, konnte der Druckprozess um einen Druckvorgang reduziert werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die gedruckten Sensoren den untersuchten abrasiven Beanspruchungen eines Umformprozesses standhalten können. Eine Ausnahme bildet die Kratzfestigkeit, hier sollte in weiteren Untersuchungen eine geeignete Schutzschicht bestimmt werden, die gegen Kratzen und gegen Oxidation der gedruckten Schichten schützt. Die Reproduzierbarkeit des Druckprozesses ist eine Herausforderung, da sie unter den vorherrschenden Umständen nicht gegeben ist. Dies gilt für die Reproduzierbarkeit der Initialwiderstände ebenso wie für die k-Faktoren (Quotient zwischen relativer Widerstandsänderung und Dehnung). Um diese Situation zu verbessern, wurden verschiedene mechanische und physikalische Oberflächenvorbehandlungen und sowohl thermische als auch mechanische Nachbehandlungen getestet. Durch die Untersuchung der Vorbehandlungen konnte der Prozess um einen Schritt verkürzt werden, da bei den verwendeten lösemittelbasierten Farben keine Verbesserung der gedruckten Schichten durch eine Vorbehandlung eintrat. Mit der mechanischen Nachbehandlung durch maschinelles Oberflächenhämmern ist ein Potential zur Angleichung der Initialwiderstände festgestellt worden. Durch die thermische Nachbehandlung wurden die Initialwiderstände homogenisiert. Dies galt jedoch nicht gleichzeitig für die k-Faktoren der gedruckten DMS. Zukünftige Untersuchungen sollten darauf abzielen, eine geeignete Analyse des Ausgangszustandes festzulegen, auf deren Grundlage dann eine geeignete Nachbehandlung angewandt werden kann, um die k- Faktoren der DMS zu homogenisieren. Dies ist von besonderer Bedeutung, da nur so eine Nutzung der DMS in einer Wheatstone’schen Brücke möglich ist. Der Temperaturkoeffizient eines einzeln betrachteten gedruckten DMS ist im Bereich zwischen 20 und 80 °C konstant, unterscheidet sich jedoch von Sensor zu Sensor. Die Homogenisierung der Temperaturkoeffizienten muss ebenfalls gelöst werden, wenn die gedruckten DMS in einer Brückenschaltung verwendet werden sollen. Voneinander abweichende Temperaturkoeffizienten innerhalb einer Messbrücke würden zu einem verfälschten Messergebnis führen. Die Untersuchungen lassen vermuten, dass die Temperaturkoeffizienten bei einem idealen Druckbild alle gleich wären. Die Untersuchung zum Einfluss der Umformgeschwindigkeit auf das DMS-Verhalten ergab, dass diese bei einer mehrachsigen Umformung keinen Einfluss hat. Durch die starken Schwankungen der relativen Widerstandsänderung der untersuchten Sensoren, konnte ein qualitativer, aber kein quantitativer Einfluss der Längs- und Querdehnungen im gekerbten Zugversuch festgestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass sich eine Umformung positiv auf das Messsignal auswirkt. Es unterliegt nicht mehr so starken Schwankungen wie bei Messungen, die vom nicht umgeformten Zustand ausgehen. Dies bestätigt den Aufbau der Prozesskette mit dem Druckverfahren vor dem Umformprozess. Es bedeutet aber gleichzeitig, dass eine Prozessüberwachung mithilfe der DMS erst erfolgen kann, wenn diese bereits umgeformt wurden. Die schlechte Reproduzierbarkeit liegt am vorgegebenen Herstellungsprozess. Hier muss ein reproduzierbarer Ausgangszustand des Druckbildes der DMS geschaffen werden. Dies kann durch die Auswahl eines anderen Druckverfahrens erfüllt werden. Hier wären beispielsweise das Tampondruckverfahren oder der Inkjetdruck denkbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018) Surface pre-treatment and its influence on electric functionality and the formability of screen printed steel sheet. Prod. Eng. Res. Devel. (Production Engineering) 12 (6) 789–795
Groche, Peter; Kleemann, Annemie; Köhler, Stefan
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Tiefziehen von Blechen mit integrierter Sensorik, Bänder, Bleche, Rohre, 2015, 7, 185
Groche, P.; Köhler, S. & Kessler, T.
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Umgeformte Bauteile für die digitale Welt. Maschinenmarkt Ausgabe 46, S. 62-63, 2017
Kleemann, A.
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Homogenization of Printed Strain Gauge Resistance by Using Machine Hammer Peening and Laser Heat Treatment. In: Schmitt R., Schuh G. (eds) Advances in Production Research. WGP 2018. Springer, Cham. S. 487-499
Kleemann, A.; Sticht, P.; Groche, P.
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Industrial Working Environments 2025, in: International Conferences on “New Developments in Sheet Metal Forming” and “New Developments in Hydroforming”, 2018 (Editor: M. Liewald)
Groche, P. Hoppe, F., Kessler, T., Kleemann, A.
