Integration von Additiver Fertigung und Dünnschichtsensorik

In der PTB wird zurzeit eine Technologie entwickelt, Dünnschichtsensoren unmittelbar in additiv gefertigte Werkstück zu integrieren. Ziel ist es hierbei, u.a. Temperatursensoren an interessanten Stellen in Wärmetauschern – innerhalb des oder unmittelbar angrenzend zum wärmeführenden Medium – zu applizieren. Ebenso können Dehnungssensoren, ggf. mehrlagig in mechanisch belasteten Strukturen integriert werden.

Je nach Anforderungsprofil können Dünnschichtsensoren mit Schichtdicken im Bereich weniger zehn Nanometer bis hin zu einigen Mikrometern realisiert werden. Werden Sensoren in undotierten Kunststoffen integriert, kann auf eine elektrische Isolation verzichtet werden. Sollen sie als Bestandteil metallischer Objekte gefertigt werden, ist eine Isolation gegen das Grundmaterial notwendig. Hier sind beim Einsatz klassischer Werkstoffe (Stahl-, Titan- oder Kupferlegierungen) und geeigneter Oberflächenbehandlung Isolierschichtdicken von zwei bis drei Mikrometer erforderlich {1] .

Die zentrale Herausforderung der Integration ist hierbei, den additiven Fertigungsprozess an einer geeigneten Stelle zu unterbrechen, die Sensoren zu applizieren und den Druckprozess anschließend in einer Art fortzusetzen, dass die folgenden Schichten ohne eine relevante Reduktion der mechanischen Werkstückparameter aufgebracht werden können. Vorhandene Anlagen sind für diese Fertigungsabläufe nicht ausgelegt, weswegen neben der Untersuchung der Materialparameter auch ein grundlegendes Verständnis der Systemprogrammierung erarbeitet werden muss.


Abb. 1: Additiv gefertigter Testkörper aus PA (Polyamid 12) mit integrierten Dehnungsmesstreifen (siehe Markierungen im Bild). Der Körper wurde nach dem AM Prozess mit Au beschichtet und mit Laser strukturiert.

Literatur:

[1] F. Schmaljohann, Gesputterte, elektrisch isolierende Schichten für Dünnschichtsensoren auf metallischen Grundkörpern, Dissertation, PTB-Bericht F-56, 2016, ISBN 978-3-95606-233-9