Vorversuch erfolgreich: 3D gedruckte Sensoren

Additive Fertigung optischer Sensoren mit großem Potenzial

Das Fraunhofer IOSB-INA forscht und entwickelt seit mehr als zehn Jahren an intelligenter Sensorik und Lösungen zur Datenverarbeitung in intelligenten technischen Systemen im Produktionsumfeld. Insbesondere im Bereich der Produktionsdatenerfassung werden immer anpassungsfähigere und spezialisierte Technologien und Verfahren erprobt, ebenso in den Bereichen der Informationsübertragung und Potonik. Im Rahmen einer Vorstudie konnte nun der Grundstein für eine neue Generation hoch individualisierbarer, additiv gefertigter Sensorikkomponenten gelegt werden. 

Die Photonik zählt zu den wichtigsten Wachstums- und Zukunftsbranchen der deutschen Wirtschaft. Dies ist zum einen der großen Bandbreite an Anwendungsfeldern, zum anderen dem großen technologischen Potenzial geschuldet. Die optische Erfassung von Informationen kann beispielsweise eine wichtige Datengrundlage für die Automatisierung schaffen. So werden etwa in der Medizintechnik und der Produktionstechnik mit verschiedenen optischen Methoden Daten von Objekten erfasst. Die Herausforderung besteht darin, auch schwer zugängliche, innere Eigenschaften, wie z.B. der Kraftverlauf im Bauteil oder die interne Temperaturverteilung messen zu können. 

Anwendungsfall Produktion:

In der industriellen Produktion werden mitunter Steuerelektroniken hergestellt. Die Herstellung erfordern viele Prozessschritte (z.B. Platzieren, Löten, Testen), bei denen die einzelnen Fertigungsschritte nur am Ende und in der Summe kontrolliert werden können. Beim assoziierten Partner SRG Elektronik GmbH treten so beispielsweise an Spulenkörpern bisher nicht zuordenbare Schäden auf. Eine Lokalisierung von Fehlerquelle ist schwierig, da die Fertigungsprozesse bei hoher Geschwindigkeit, begrenztem Bauraum und in undurchsichtigen Flüssigkeiten (Wellenlöten) ablaufen. Analog zeigt sich diese Problemstellung auch bei der Verbindungstechnik, vertreten durch den assoziierten Anwender (Wilhelm Böllhoff GmbH & Co. KG). Hierbei schwankt bei konstanten Parametern von Fertigungsmaschinen im Kunststoffbereich die Produktqualität bisher unerklärlich.

Anwendungsfall Medizintechnik:

Medizinische Produkte, beispielsweise Prothesen und Orthesen, werden zunehmend mit Hilfe von 3D-Druckern hergestellt. Hierbei muss sowohl bei der Anpassung als auch im späteren Verlauf immer wieder die Pro-/Orthese angepasst werden, da sich Bewegungsmuster, Körpergewicht und der Körperumfang stetig ändern. Von Fachpersonal müssen immer wieder verschiedene Anpassungen vorgenommen werden, um für kurze Zeit die notwendige Beweglichkeit, die korrekte Belastung und den Tragekomfort sicherzustellen. Insbesondere bei Therapien des Bewegungsapparates ist häufig eine stufenweise Belastung der Pro-/Orthese notwendig, die Patienten heute nur schätzen können, und so suboptimal behandelt werden. Typischerweise wird dies heute durch Sanitätshäuser umgesetzt die als Anwender assoziiert sind (Sanitätshaus ConradySanitätshaus Koenen).

Vorstudie am Fraunhofer IOSB-INA erfolgreich#

In diesen Anwendungsfällen könnte in Zukunft das am Fraunhofer IOSB-INA erforschte, additive Herstellungsverfahren für optische Sensoren zum Einsatz kommen. In der erfolgreichen Vorstudie wurde hierfür die Grundlage geschaffen: Wenn die Geometrie eines Bauteils selbst zum Sensor werden soll, ist es notwendig, dass die physikalischen Wirkprinzipien - im Beispiel für Kraftsensoren - sowie die Elektronik additiv fertigbar, zumindest aber integrierbar sind.

Dass der Ansatz, einen Kraftsensor zu realisieren, prinzipiell umsetzbar ist, wird mittels optischer Wirkprinzipien nachgewiesen. Dabei wurden drei verschiedene Versuchsaufbauten realisiert, deren Prinzip im Folgenden skizziert wird. In „Setup 1“ wird das Licht einer LED durch einen additiv gefertigten, graden transparenten Stab geleitet und von einer Photodiode detektiert. Eine Krafteinwirkung führt zur Biegung des Stabs und zu einer geringeren Lichtmenge, die auf der Detektorfläche auftritt. „Setup 2“ nutzt die interne totale Reflektion. Trifft Licht unter einem bestimmten Winkel auf einen Übergang vom optisch dichten Medium auf ein optisch dünnes Medium, tritt keine Brechung sondern nur Reflektion ein. Eine Photodiode detektiert, wie hoch der gebrochene Lichtanteil am Medienübergang ist, wenn sich der Lichtleiter so gebogen wird, dass der Eintrittswinkel sich verändert. In Setup 3 wird im gleichen Aufbau der reflektierte Lichtanteil gemessen. Bei den Versuchen wurden das Material der Lichtleiter variiert. 

Schematische Messaufbauten

In Abbildung 2 werden zur Übersicht die gemessenen Spannungsamplituden des Photodetektors (wirkende Kraft: 0-1N) dargestellt. In Abbildung 3 werden parallel dazu die verschiedenen lichtleitenden Strukturen dargestellt:

Kraftabhängigkeit des detektierten Lichtes pro Versuchsaufbau

Die Messergebnisse verdeutlichen, dass ein proportionaler Zusammenhang zwischen Kraft und gemessenem Signal vorliegt. Prinzipiell ist der im Projekt verfolgte Ansatz also umsetzbar.

Lichtleitstrukturen A) PMMA basiert mit einseitiger LED-Aufnahme, B) Epoxid basiert mit Fehlern der Druckform (grün), C) PMMA basiert monolithisch mit Luftblaseneinschluss

Die Ergebnisse der Messvarianten zeigen den noch bestehenden Forschungsbedarf:

  • Materialabhängig geeignete Messkonstruktion:
    Das Setup 2, 3 konnte in der Variante mit Epoxid nicht durchgeführt werden, weil das Material zu spröde reagiert und bei Belastung bricht. 
  • Wirkprinzip mit minimalen Geometrieänderungen:
    Die Kraftauswirkung resultierte in einer Biegung der Lichtleiter um maximal 24mm. Ein deratig starke Stauchung der Geometrie ist in keinem Anwendungsfall zulässig. 
  • 3D gedruckte, lichtleitende Struktur: 
    Kraftsensitivität und -übertragung bei einer monolithischen Struktur sind deutlich höher als beim für 3D Druck typischen Schichtaufbau. Wurde der Kanal für Epoxid hergestellt, sind Lufteinschlüsse aufgetreten. Weitere Fertigungsfehler durch abgelöstes, eingeschlossenes Filament verursachen so starke Hindernisse, dass die epoxidbasierten Lichtleiter an den Messstellen keine Kraftsensitivität zeigen.
  • 3D gedruckte Ein- und Auskopplung:
    Im Setup 3 wurde die geringste Sensitivität gemessen, obwohl die Reflektivität sehr winkelabhängig ist. Da hier aber der längste optische Pfad vorliegt, scheint die Materialdämpfung zu hoch. Außerdem ist die Ein- und Auskopplung des Lichtes in den Lichtleiter wegen der starken Reflektionen problematisch. Um flächendeckende Sensoren zu realisieren, ist eine deutlich höhere Reichweite notwendig. Zur Umsetzung des Wirkprinzips muss ein Prinzip oder Material mit hoher Lichttransmission genutzt werden.