Materialintegrierte Messung von mechanischen Größen: Sensoren und Anwendungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Charakterisierung von Dehnungs- und Drucksensoren, die potenziell zur materialintegrierten Messung mechanischer Größen geeignet scheinen. Anhand von drei Beispielen wird das materialintegrierte Messen mit ausgewählten Sensoren für verschiedene Zwecke vorgestellt. Die Arbeit beginnt mit einer Analyse der Bedeutung des materialintegrierten Messens und den Anforderungen, die an dazu geeignete Sensoren gestellt werden. Anhand verschiedener Beispiele aus der Literatur wird ein Überblick über aktuelle Entwicklungen gegeben. Es werden verschiedene Dehnungssensoren vorgestellt, die für die Materialintegration geeignet scheinen. Dabei handelt es sich um miniaturisierte, klassische Metall-Dehnungsmessstreifen (DMS), aber auch um neuartige, hybride DMS, bei denen Komposit-Materialien als dehnungssensitives Element genutzt werden. Es zeigt sich, dass vor allem metallische DMS die Kriterien für die Integrierbarkeit in Materialien erfüllen. Außerdem wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt und untersucht, dass die Messung von Dehnung und Temperatur gleichzeitig mit guter Ortsauflösung ermöglicht. Geeignete Sensoren zur materialintegrierten Messung von Druck sind erheblich schwieriger zu entwickeln als entsprechende Dehnungssensoren. Es werden Sensoren auf Basis eines Dünnschicht- Piezoelektrikums und eines organischen Feldeffekttransistors und ein Komposit-Drucksensor untersucht. Die Eignung der untersuchten Drucksensoren ist jedoch fraglich oder nicht gegeben. Komposit-Drucksensoren bieten aber einen vielversprechenden Ansatz für weitere Entwicklungen. Der Ansatz zur Zustandsüberwachung von Elastomer-Dichtungen mit integrierten DMS von Schotzko wird aufgegriffen und weiterentwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung eines Verständnisses für die Messdaten während der Zustandsüberwachung. Es wird eine modellgestützte Auswertung vorgenommen, die eine Aussage über die Funktionalität der Dichtung anhand der Messdaten ermöglicht. Außerdem wird die Anwendung des neuartigen DMS gezeigt, der die gleichzeitige Messung von Dehnung und Temperatur ermöglicht. Als weiteres Anwendungsbeispiel wird eine 3D-gedruckte Schraube mit integriertem Dehnungsmessstreifen vorgestellt. Durch den integrierten Sensor ist das Drehmoment, mit dem die Schraube angezogen wird, messbar. Hierbei zeigt sich jedoch auch, dass es beim materialintegrierten Messen zu mehrachsigen Beanspruchungen kommt, deren Einfluss auf das Sensorsignal nicht ausreichend verstanden ist. Zuletzt wird der Ansatz eines sensorischen Werkstücks von Dumstorff und Sarma zur materialintegrierten Messung von Dehnung und Temperatur in Fertigungsprozessen aufgegriffen und mit weiterentwickelten Sensoren umgesetzt. Es werden Messergebnisse beim Flachschleifen und Festwalzen präsentiert und analysiert.