Trends zoals Industrie 4.0 en het Internet of Things maken het nauwkeurig registreren van de conditie van machines en componenten steeds belangrijker. Om de uitdagingen bij het verzamelen van voldoende gegevens het hoofd te bieden, heeft het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT een sensorinfrastructuur voor slimme industriële toepassingen ontwikkeld en geïmplementeerd met behulp van additieve productieprocessen.
Gewoonlijk worden sensoren handmatig bevestigd aan de oppervlakken van componenten. Naast sensoren op het oppervlak van componenten kan het nieuw ontwikkelde proces ook sensoren direct in de componenten integreren. Op deze manier kunnen belangrijke karakteristieke gegevens worden verzameld over de belasting binnen het component.
Handmatige toepassing van sensoren is vaak niet nauwkeurig genoeg; de sensoren moeten immers trillingen, versnellingen of de kleinste vervormingen in het µm-bereik registreren.Samuel Moritz Fink, groepsleider Thin Film Processes bij Fraunhofer ILT legt uit: “Handmatige toepassing van sensoren is in veel gevallen te onnauwkeurig en niet reproduceerbaar. Bovendien vragen gebruikers steeds meer om processen die geautomatiseerd kunnen worden.”
Geprinte sensoren voor meer precisie
Het Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT toont van 7 tot 10 november 2023 op de gezamenlijke Fraunhofer-stand (hal 11, stand D31) op formnext in Frankfurt am Main een personenautodwarsverbinding met een additief gefabriceerde sensor.”De krachtsensor die we op de dwarsverbinding hebben geprint is minder dan 200 µm dik, inclusief de isolatie- en beschermlaag en de elektrische aansluitingen,” zegt Fink. “We kunnen op elk moment de krachten bepalen die in de toepassing werken.”De sensor meet continu de verandering in kracht tijdens bijvoorbeeld het nemen van een bocht en waarschuwt voor defecten voordat ze optreden.
“De krachtsensor registreert de kleinste scheurtjes die ontstaan voordat ze leiden tot defecten aan het onderdeel,” zegt de groepsleider. Naast een krachtsensor kunnen ook andere sensoren worden toegepast op een component, bijvoorbeeld om temperatuur, trillingen of geluid, druk of versnelling, licht, spanning, verschillende gassen en vloeistoffen te detecteren.Speciale polymeren voor de isolerende en beschermende lagen zijn bestand tegen temperaturen tot 300 °C.
De toepassingsmogelijkheden van dit proces zijn enorm, vooral omdat het betrouwbare real-time gegevens levert voor voorspellend onderhoud: “Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om batterijcellen afzonderlijk te bewaken, onderhoudsintervallen voor offshore windturbines te optimaliseren of processen in de machine- en installatiebouw te verbeteren”, vervolgt Fink.
Meerfasig proces voor de productie van slimme componenten
Een andere opmerkelijke innovatie die Fraunhofer ILT op formnext presenteerde, is de naadloze integratie van sensoren tijdens het additieve productieproces. Met behulp van 3D-structuurprintprocessen zoals laser powder bed fusion (LPBF) kunnen geprinte sensoren direct in componenten worden geïntegreerd terwijl ze worden gemaakt.
De Fraunhofer-onderzoekers zullen deze technologie demonstreren met een additief vervaardigde freeskop. Het structurele printproces met LPBF wordt onderbroken om rekstrookjes te integreren met behulp van een digitaal functioneel printproces en lasergebaseerde thermische nabehandeling.
Het structurele printproces wordt dan voortgezet om het slimme onderdeel te voltooien. Door structureel en functioneel printen te combineren met lasergebaseerde nabehandeling, heeft het instituut aangetoond dat onderdelen met geïntegreerde sensortechnologie volledig additief kunnen worden gefabriceerd. Dit stelt hen niet alleen in staat om sensoren nauwkeurig te plaatsen voor geavanceerde conditieanalyse, maar ook om deze sensoren te beschermen tegen mechanische omgevingsbelasting.”
De geometrie van de sensoren kan worden aangepast aan de component. In de toekomst zijn zelfs extra functionele elementen zoals geïntegreerde verwarmers denkbaar,” zegt Samuel Fink.”Deze technologie opent een breed scala aan mogelijke toepassingen, van productie op het gebied van gereedschapsmakerij en machinebouw tot de auto-industrie en daarbuiten in de energie-, lucht- en ruimtevaartsector.”
