Druck- und Kraftwandler

CNT-basierte Kraftsensorik: Prozessüberwachung in Umformwerkzeugen#

© Fraunhofer ENAS
Aufbau und Wirkprinzip des CNT-basierten Kraftsensors.
© Fraunhofer ENAS
In Kooperation mit dem Fraunhofer IWU entwickelter Verformungskörper mit integrierten Sensorzellen zur Prozessüberwachung + REM-Querschnittsansicht des CNT-Netzwerkes – eingebettet in die Passivierungsschicht Parylene.

Für die genaue Prozessüberwachung von Zerspanungs- und Umformprozessen ist eine gewisse Wirkstellennähe der Sensorik notwendig, um die tatsächlich wirkenden Kräfte in Werkzeugen zu messen. Diese Wirkstellennähe wiederum erfordert eine hohe Sensitivität der Sensoren, um eine hohe Steifigkeit der Sensorumgebung zu erreichen. Ist der Steifigkeitsverlust durch die integrierte Sensorik zu groß, führt dies zu einer Verringerung der Bauteilgenauigkeit sowie zu einer Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften von Werkzeugen und Maschinen.

Um dieser Anforderung gerecht zu werden, wurde ein neuartiger Kraftsensor entwickelt, dessen Sensorprinzip auf einem Netzwerk vertikal angeordneter Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) beruht. Verändert man die Struktur dieses Netzwerkes durch Kompression, äußert sich dies in einer ausgeprägten Widerstandsänderung.

Um einen Kraftsensor zu realisieren, werden CVD-gewachsene CNT-Strukturen als Widerstände in einer Messbrücke verschaltet und in einen Verformungskörper integriert. Für eine Prozessüberwachung wurde eine Sensorzelle entwickelt, welche insgesamt vier Messstellen in einer kreisförmigen Anordnung beinhaltet. Folgende Ergebnisse konnten aus Versuchen in einem Pressenversuchsstand abgeleitet werden:

  • Bei normierter Belastung bis Nennlast ergibt sich eine Sensitivität von bis zu 75 mV/V und ist damit mehr als 35-mal so groß wie bei klassischen Kraftsensoren mit metallischen DMS (2 mV/V). 
  • Der Verformungskörper weist eine Steifigkeit von 8 kN/μm auf. Vergleichbare kommerziell verfügbare Kraftsensoren im Nennlastbereich zwischen 1 und 5 kN besitzen eine Steifigkeit zwischen 0,05 und 0,2 kN/μm. Die Steifigkeit des CNT-Sensors liegt damit ein bis zwei Zehnerpotenzen höher.