Beschreibung
Ausgangssituation
Die Anzahl der in Produkten integrierten Sensoren steigt zunehmend, was einen erhöhten Verkabelungs- und Montage- und Integrationsaufwand erzeugt. Besonders problematisch ist dies bei Sensoren in bewegten Bauteilen, bei schwer zugänglichen Bauteilen sowie bei der Integration von Sensoren z.B. in additiv gefertigten oder laminierten Bauteilen. Bisherige kontaktlose Sensoren basieren auf einer Wandler-Chip-Kombination, welche eine Energieversorgung, z.B. in Form von Batterien oder Energy-Harvesting benötigt. Die Datenübertragung erfolgt mittels Funk oder magnetischer Kopplung (RFID). Dies erzeugt Wartungsaufwand und ein komplexes Systemdesign was Integrationsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit einschränkt. Eine vollständig autarke, chiplose, langlebige und wartungsfreie Sensorik wird durch die Nutzung eines passiven Schwingkreises (Multimaterial-Schwingkreise) möglich. Durch die Änderung der elektrischen Eigenschaften (z.B. Widerstand) in Abhängigkeit der zu messenden Größe (z.B. Temperatur) ändern sich die Schwingkreiseigenschaften (z.B. Resonanzfrequenz). Über eine Empfangsspule kann diese Änderung kontaktlos erfasst werden. Derartige Sensoren sind bisher für die Messung von Temperatur, Druck, Dehnung oder Feuchtigkeit sowie Sensoren für Rissdetektion bekannt. Bei bisherigen Lösungen bestehen sowohl der Sensor- und der Antennenteil des Schwingkreises aus dem gleichen Werkstoff. Dies limitiert die Leistungsfähigkeit, da beide Schwingkreisteile unterschiedliche Anforderungen stellen.
Handlungsbedarf und Arbeitsschritte
Durch Einsatz von DOD-Druckverfahren soll die Fertigung von Multimaterial-Schwingkreisen (Multimaterial-Schwingkreise) auf 3D-Bauteilen ermöglicht werden. Dies erlaubt den Einsatz optimierter Funktionswerkstoffe für Antenne (permeabler Werkstoff) und Sensor. Im Vergleich zum SdT ergibt sich dadurch sowohl in der Sensitivität als auch in der Übertragungsgüte der passiven Sensoren eine deutlich erhöhte Leistungsfähigkeit. Zum Nachweis der Funktion der werden Produktdemonstratoren für die Erfassung der Temperatur und der Dehnung aufgebaut.
Forschungsziel
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung passiver Temperatur- und Dehnungssensoren mit hoher Sensitivität und Übertragungsgüte durch gedruckte Multimaterial-Schwingkreise.
angestrebte Forschungsergebnisse
- HZDR: optimierte Funktionswerkstoffe und Geometrien für Sensor- und Antennenteil des Schwingkreises
- IWU: gedruckte Schwingkreise mit hohem Q-Faktor und Resonanzfrequenzabweichung von <±5 % innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse
- Passive drahtlose und additiv gedruckte Sensorik für schwer kontaktierbare (z.B. bewegte) Komponenten
- Technologie zur Fertigung derartiger passiver Multimaterial-Sensoren auf 3D-Bauteilen
Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
- Simulation und Optimierung der Funktionswerkstoffe (Antenne, Sensor) für die Schwingreise (HZDR)
- Technologieentwicklung und Bewertung der Herstellbarkeit der Multimaterial-Schwingkreisen mittels Piezo-Jet (z.B. Druckqualität, Haftfestigkeit, Dauerfestigkeit) (HZDR + IWU)
- Modellentwicklung zur Beschreibung von Sensorwirkung und elektromagnetischer Kopplung (HZDR, IWU)
- Auslegung, Herstellung und Validierung der Sensorik für Temperatur und Dehnung (IWU)
- Aufbau von Funktionsmustern zur Verifizierung der Leistungsfähigkeit (IWU)
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
voraussichtliche Nutzung angestrebten Forschungsergebnisse in KMU
Mit den Forschungsergebnissen können passiven draht- und chiplosen gedruckten Sensoren durch KMU hergestellt und umgesetzt werden. Für die KMU entlang der Wertschöpfungskette ergeben sich neue Ansatzmöglichkeiten. Exemplarisch ist die Wertschöpfungskette dargestellt:
voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
- Erweiterung der Einsatzfelder und Leistungsfähigkeit von MID-Baugruppen
- Neue Produkte und Märkte für Pastenhersteller, Anlagenhersteller und deren Zulieferer (z.B. DOD Druck-, Sinterverfahren, Sensorik für Produktionsprozessüberwachung)
- Senkung der Produktionskosten für Anwendende durch Reduzierung der Zeit- (Montageaufwand) und Materialkosten (wie z.B. Chip, Batterie)
- Erweiterung des Produktportfolios von Herstellern gedruckter Elektronik
voraussichtliche industrielle Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach Projektende
- Automatisierte Fertigung von passiven, chiplosen und drahtlosen Sensorik für die Zustandsüberwachung (z.B. Temperatur, Dehnung) für z.B. Automobilbau, Medizintechnik, Energiesektor, Bausektor mittels additiven Druckverfahren.
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. E-Mail an Geschäftsstelle
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Projektbegleitende Unternehmen
Die Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. sucht weiterhin nach projekt-begleitenden Unternehmen. Bei Interesse, melden Sie sich gerne telefonisch (+49 911 5302-9101) bei der Geschäftsstelle oder via E-Mail (info@3dmid.de). E-Mail an Geschäftsstelle
Hier finden Sie weitere Projektskizzen.
