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Entwicklung und Untersuchung von Kraftaufnehmern mit Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen

20.10.2008

Im Rahmen eines DFG-Forschungsprojektes an der PTB wurden Metall-Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen (Dünnfilm-DMS) auf Kraftaufnehmer aufgesputtert und deren Verhalten untersucht. Die Verwendung von Dünnfilm-DMS verspricht in einigen Bereichen der Kraftmessung Vorteile gegenüber den üblicherweise eingesetzten Folien-DMS.

Im FB 5.5 „Wissenschaftlicher Gerätebau” der PTB wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Herstellung von mikrostrukturierten Dünnfilm-DMS auf gekrümmten Oberflächen ermöglicht [1]. Durch die Kombination von Sputtertechniken mit Laser-Lithographie und nass-chemischen Ätzprozessen ist es gelungen, auf zylindrischen, metallischen Oberflächen DMS-Strukturen mit Strukturbreiten von wenigen 10 µm zu realisieren. Diese Dünnfilm-DMS werden auf Verformungskörper aufgebracht und auf ihre Eignung für den Kraftaufnehmerbau hin untersucht. Der Wegfall einer Klebeschicht und des Polymerträgers, wie bei konventionellen Folien-DMS vorhanden, verspricht Vorteile insbesondere in den Bereichen Langzeitstabilität, Dauerfestigkeit, dynamische Kraftmessung und der Messung kleiner Kräfte.

Für systematische Untersuchungen der metrologischen Eigenschaften im FB 1.2 „Festkörpermechanik” wurden Prototypen (Kraft bis 10 kN) mit Folien-DMS und Dünnfilm-DMS bestückt und verglichen (s. Abb.1). Der Fokus lag hierbei auf Temperatur- und Zeitverhalten von Empfindlichkeit und Nullpunkt sowie Dauerfestigkeit und Übertragungsfunktion bei Frequenzen bis zu 1 kHz.

Die DMS wiesen nach ca. 2·106 Schwingspielen keine messbaren Schädigungen oder Alterungserscheinungen auf. Die ermittelte Empfindlichkeit der Dünnfilm-DMS lag leicht über der der Folien-DMS. Im Falle statischer Messungen wurde bei geklebten DMS bei Be- und Entlastung ein Kriechanteil beobachtet, der mit 70 Sekunden Zeitkonstante abklingt, welcher bei den gesputterten DMS nicht auftritt, und auf viskoelastische Prozesse innerhalb der Folien- und der Klebeschicht zurückzuführen ist. Laufende Optimierungen bezüglich des Herstellungsprozesses und der DMS-Geometrie, sowie weitere Untersuchungen werden zu einem zukünftigen Einsatz von Dünnfilm-DMS im Bereich der hochgenauen Kraftmessung von kleinen und dynamischen Kräften führen.

Verformungskörper mit Dünnfilm-DMS (s. Ausschnittsvergrößerung)

Bild 1: Verformungskörper mit Dünnfilm-DMS (s. Ausschnittsvergrößerung)

[1] A. Buß; J. Illemann; R. Kumme; D. Hagedorn; R. Meeß; F. Löffler: "Entwicklung und Untersuchung von Kraftaufnehmern zur hochgenauen Messung statischer und dynamischer Kräfte", VDI-Berichte 2011, Düsseldorf (2008), S. 107-116.

Ansprechpartner:

Andre Buß, FB 1.2, AG 1.21, E-mail: andre.buss@ptb.de