Kraftsensitive Führungssysteme auf Basis direktabgeschiedener bauteilindividueller Sensorik
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Mikrosysteme
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufbauend auf Forschungsarbeiten des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) wurde eine Methode zur automatisierten, simulationsbasierten Sensorpositionierung erforscht und an Bosch Rexroth transferiert. Eine dezentrale Datenvorverarbeitung mit einer modellbasierten Sensorfusion und Signalverarbeitung ermöglicht den Einsatz von vier sensorischen Führungswagen im Wagenverbund und resultiert in einer dynamischen Kraftauflösung von ±2.000 N. Um dieses zu erreichen wurde eine Prozesskette zur dünnfilmtechnischen Herstellung von direktabgeschiedenen DMS auf Führungswagen und potentiell weiteren Maschinenkomponenten entwickelt. Gemeinsam mit einer teilintegrierten Signalverarbeitung ermöglicht diese Technologie eine Kraftmessung in Führungssystemen. Durch bauteilindividuelle Sensorlayouts sowie den Verzicht auf herkömmliche Klebstoff- und Trägerfolienzwischenschichten konnte die Messgenauigkeit gesteigert werden. Zunächst wurden erfolgreich Polierverfahren zur Reduktion der Rauheit des Führungswagens (auf Ra = 29 nm und Rz = 265 nm) und eine Isolationsschicht (Al2O3) mit Isolationswiderständen von 350 GΩ entwickelt. Mithilfe von Beschichtungs- und Laserprozessen wurden Vollbrücken-DMS aus Chrom mit einem k-Faktor von 11 erforscht. Bei der Abscheidung wurden Schattenmasken sowie Laserablation zur Feineinstellung der Widerstandswerte der DMS eingesetzt. Die maximale Abweichung der Widerstandswerte einzelner DMS liegen damit bei 0,5 %. Durch die Kombination von direktabgeschiedener Dünnfilm-Temperatursensorik und Annealingverfahren konnte die Drift der Sensoren auf unter 0,1 mV/h (10-50 N/h) reduziert werden. Im statischen Zustand wurden mit den Chrom-DMS geringe Unsicherheiten von ±250 N (entspricht einer Dehnung von 20 nm/m) erreicht. Die neuesten Erkenntnisse über die hohe Dehnungssensitivität des DMS-Werkstoffs Chrom bietet hohes Verwertungspotential für Dehnungsmessung auf steifen Strukturkomponenten. Die vorteilhaften Eigenschaften sind hier wahrscheinlich auf eine schwache Sauerstoffdotierung zurückzuführen. Es hat sich gezeigt, dass mit den ursprünglich geplanten Sensormaterialien wie NiCr keine Kraftmessung am Führungswagen möglich war.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Werkzeugmaschinen werden intelligent, VDI-Z, 2021
M. Klaproth, B. Denkena, B. Bergmann, R. Ottermann, F. Dencker & M.C. Wurz
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In Situ Resistance Trimming of Directly Deposited Thin-Film Strain Gauges. 2022 IEEE Sensors, 1-4. IEEE.
Ottermann, Rico; Zhang, Shuowen; Denkena, Berend; Klemme, Heinrich; Kowalke, Dennis; Korbacher, Michael; Dencker, Folke & Wurz, Marc Christopher
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Force sensing linear rolling guides based on modified metal strain gauges, euspen’s 23rd International Conference & Exhibition, Copenhagen, Denmark, 2023, pp. 1-2
B. Denkena, H. Klemme, D. Kowalke, M. Korbacher, R. Ottermann, F. Dencker & M.C. Wurz
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Sensoren richtig positioniert, Konstruktion und Entwicklung (6/23, 30. Jahrgang)
B. Denkena, H. Klemme, D. Kowalke, M.C. Wurz, R. Ottermann, M. Korbacher & M. Müller
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Compensation of strain gauge signal changes due to position-based internal changes in sensory linear guides. 20th International Conference on Precision Engineering, Sendai, Japan, 2024
B. Denkena, H. Buhl, D. Kowalke, R. Ottermann & M. C. Wurz
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Directly Deposited Thin-Film Strain Gauges for Force Measurement at Guide Carriages. IEEE Sensors Journal, 24(24), 40471-40484.
Ottermann, Rico; Kowalke, Dennis; Denkena, Berend; Korbacher, Michael; Müller, Matthias & Christopher Wurz, Marc
