Intelligente Werkzeuge für die ressourceneffiziente Produktion

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1 Intelligente Werkzeuge für die ressourceneffiziente Produktion Dr.-Ing. Saskia Biehl Gruppenleiterin der Mikro- und Sensortechnologie Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik Bienroder Weg 54 E Braunschweig saskia.biehl@ist.fraunhofer.de

2 Gliederung Motivation Einführung in die Dünnschichtsensorik Anwendung von Sensormodulen in der Produktion Weitere Anwendungsbeispiele Zusammenfassung

3 Motivation Durch die Integration von sensorischen Dünnschichtsystemen direkt auf die Bauteiloberfläche von Maschinenkomponenten können frühzeitig betriebsrelevante Informationen bestimmt werden. Die Sensorik ermöglicht die Messung von Kenngrößen wie Kraft, Druck und Temperatur in Hauptlastbereichen. Ziele sind: - Reduzierung von Ausschussproduktion - Erhöhung des Prozessverständnisses - Steigerung der Taktzeiten - Steigerung der Verfügbarkeit von Produktionsanlagen - Optimierung der Wartungsintervalle

4 Einführung in die Dünnschichtsensorik Das piezoresistive Schichtsystem Metallischer Grundkörper Elektrische Isolations-und Verschleißschutzschicht SiCON (d=3 µm) Elektrodenstrukturen (d=0,2µm) Piezoresistive Sensorschicht DiaForce (d= 6 µm)

5 Einführung in die Dünnschichtsensorik Me-DLC (or Me-C:H) - Niedrige Reibung - Bessere Adhäsion a-c:h:si - Elektrische Leitfähigkeit - Minimale Reibung - Hitzebeständigkeit + Si + metal DiaForce -Sensorik a-c:h (DLC) -Hohe Härte -Hohe Verschleißfestigkeit a-c:h:f - Oberflächenenergie - Benetzungsverhalten - Niedrige Adhäsion + F,Si,O,N,B Modifikationen von Kohlenstoff- Schichten + Kohlenwassserstoffe ta-c, CNx Arc, sputtering --Hohe Härte,niedriger Verschleiß - Geringe Rauheit a-c:h:si:o - Transparenz - Kratzschutz - Dekorativ - UV Schutz + Si,O - - T + hydrogen CVD-Diamond Maximale Verschleißbeständigkeit Maximale Härte

6 Sensormodule für den Tiefziehprozess Ziel: Regelung von Umformprozessen mit Hilfe neuartiger, in die Werkzeugoberfläche integrierter Dünnschichtsensoren. - Verkürzung der Prototypingzeiten um 30 % µm-auflösung der Blecheinzugsbewegung - Vermeidung der Bildung von Rissen und Falten

7 Sensormodule für den Tiefziehprozess Das Blech bewegt sich über das sensorische Dünnschichtsystem während des Tiefziehprozesses.

8 Sensormodule für den Tiefziehprozess Das gut ausgeformte Teil liegt nach dem Tiefziehprozess außerhalb der Sensorstrukturen. Wenn das Blech den Kontakt zu einer Sensorstruktur verliert detektiert man ein lokales Minimum im Widerstandsverlauf. Dadurch kann man während des Umformprozesses den Belcheinzug mit verfolgen.

9 Sensormodule für den Tiefziehprozess Herstellung von Motorträgern mit integrierten Sensormodulen Anlage des Fraunhofer IWU

10 Rx/Ro [a.u.] Sensormodule für den Tiefziehprozess Start Ende t [s] Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung innerhalb des Rahmenkonzepts >>Forschung für die Produktion von morgen<< unter dem Förderkennzeichen 02PU2040 gefördert.

11 Sensormodule für den Scherschneidprozess Ziel: Integration von Sensormodulen in den direkten Kraftfluss in Kontakt mit dem Schneidstempel Direkte Messung der Belastung im Stempelkontakt Optimierung von Schneidprozessen Langzeitstabiles, universell einsetzbares Messsystem

12 Sensormodule für den Scherschneidprozess Stahlsubstrat: D=30 mm d=2 mm lll

13 Sensormodule für den Schneidprozess lll Anlage des Fraunhofer IWU

14 F [kn] Sensormodule für den Schneidprozess lll Force t [s]

15 F [kn] Sensormodule für den Schneidprozess lll t [s] Die Entwicklungen der Sensormodule wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen und der Europäischen Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.v. gefördert (Förderkennzeichen: 203ZBG)

16 Sensorische Kraftaufnehmer Anwendung von DiaForce Sensorschichten zur Überwachung von Kugelgewindetrieben Ziel: Überwachung der Vorspannkraft in Kugelgewindetrieben zum/r - Condition Monitoring von Anlagen - Optimale Planung von Wartungsintervallen - Reduzierung der Produktion von Ausschuss

17 Sensorische Kraftaufnehmer Zunehmender Verschleiß Beispiel einer Werkzeugmaschine mit Kugelgewindetrieben Reduktion der Kugeldurchmesser Abnahme der Vorspannung Sinken der Steifigkeit Erhöhte Einfederung Zustandsänderung des Kugelgewindetriebs Geändertes Betriebsverhalten beeinflusst Maschine und Qualität der Werkstücke Verschleißbedingter Ausfall durch Prognose vermeiden

18 Sensorische Kraftaufnehmer Chromschicht step1 DiaForce Elektrophoreselack step 2 UV-Licht step 3 step 4 Step 1 step 5 step 6 step 7 Elektrische Isolations- und Verschleißschutzschicht Elektrodenstrukturen DiaForce Step 6 Step 4

19 Sensorische Kraftaufnehmer Strukturierung der Chromelektroden auf der Stahlstiftoberflächen 2. Fotolithografie und nasschemische Ätzung Vorteile: + Minimale Strukturgröße~ 50 µm + exzellente Reproduzierbarkeit

20 R [kohm] Sensorische Kraftaufnehmer y = ,90x ,53 R² = 0, y = ,17x ,28 R² = 0,99 force sensor 1 force sensor F [kn]

21 R [kohm] Sensorische Kraftaufnehmer Nm 2 Nm 3 Nm 4 Nm 5 Nm Anziehen t [s] Messung der Vorspannkraft während der Montage des Doppelmuttersystems Lösen

22 R [kohm] Sensorische Kraftaufnehmer Force sensor 1 m/min Force sensor 4 m/min 0 0,5 1 l [m] Dynamische Messung der Vorspannkraft Ergebnisse aus dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt ENµA (Energieautarke µ-systeme in Werkzeugmaschinen). Förderkennzeichen 16SV3368

23 Unterlegscheibensensorik Sensorische Unterlegscheibensysteme: Mess- und Sicherheitssystem für Schraubverbindungen Statische und dynamische Erfassung von Messdaten über einen langen Zeitraum in Form eines Condition Monitorings wird ermöglicht. Ein Nachziehen von Schraubverbindungen wird erst dann notwendig, wenn durch das sensorische Unterlegscheibensystem ein Abfall der Vorspannkraft ermittelt wird. Verbesserung der Wartungsbedingungen, da eine Kontrolle der Schraubverbindungen mittels Drehmomentenschlüssel entfällt.

24 Zusammenfassung Sensormodule sind ein wichtiges Werkzeug für die ressourceneffizienten Produktion: Produktionsüberwachung Minimierung von Ausschuss Erhöhung des Produktionsverständnisses Optimierung der Produktionsparameter Verkürzung von Entwicklungsprozessen Verbesserung der Produktqualität Verifikation von Simulationsergebnissen Optimale Gestaltung der Wartungsarbeiten

25 Intelligente Werkzeuge für die ressourceneffiziente Produktion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit