SINA - Sensorintegration in Aluminiumguss

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Busse; Professor Dr.-Ing. Walter Lang
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284368226

SINA - Sensorintegration in AluminiumgussDie bedeutendste Fertigungstechnologie zur direkten Herstellung endformnaher Bauteile aus Metall ist die Gießereitechnik. Metallbauteile haben oft sicherheitsrelevante und tragende Funktion und sind gleichzeitig starken thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Ihr Ausfall bedeutet ein großes Risikopotential. Daher erscheint es sinnvoll, sicherheitsrelevante, tragende Metallteile sensorisch zu überwachen - idealerweise durch Sensoren, die direkt in das Metall eingebettet werden. Der aktuelle Stand der Forschung zeigt die hohe Relevanz der sogenannten Funktionsintegration von Sensoren und Elektronik in Metallbauteile auf. Bisherige Arbeiten zur Integration der thermisch und mechanisch sensiblen Sensorelemente in Metalle scheiterten jedoch vorwiegend aufgrund der widrigen Bedingungen hinsichtlich hoher Gießtemperaturen oder kritischer mechanischer Spannungen aufgrund des Erstarrungsschrumpfs. Die Sensorsysteme wurden bei der Integration beschädigt oder zerstört.Das beantragte Projekt untersucht erstmals fachübergreifend eine speziell für diese Fragestellung angepasste, neuartige Technologiekombination aus Sensortechnologie und Gießereitechnik. Das Ziel ist, im Metallguss gefertigte Bauteile bereits bei ihrer Herstellung mit sensorischen Fähigkeiten auszustatten. Speziell wird die Integration von piezoresistiven Sensoren in Aluminiumdruckguss untersucht. Verschiedene Materialkombinationen und technologische Prozessabläufe werden untersucht, um die Randbedingungen sehr hoher Temperatur (mehrere hundert °C) und hohen Drucks zu erfüllen. Dazu werden Modellrechnungen durchgeführt sowie Labormuster für Sensorelemente hergestellt, eingegossen und analysiert. Die Schadensmechanismen werden charakterisiert. Um den eingegossenen Sensor elektrisch zu kontaktieren werden neue Methoden der Aufbau- und Verbindungstechnik erarbeitet. Der Einfluss, den der integrierte Sensor als Fremdkörper auf das Material hat wird durch Modellrechnungen und Experimente untersucht und minimiert. Zur experimentellen Untersuchung werden Mikroskopie, Schliffbilder, Zug- und Biegeversuche sowie Dauerschwingversuche eingesetzt.Für die fertigungstechnische Integration des Sensorsystems werden Positionierungskonzepte entwickelt. Zusätzlich werden aus FEM-Simulationen mechanische und thermische Belastungsprofile erstellt, die für die Dimensionierung von Sensoren benötigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen