DELIGHT - Elastomerbauteile mit Sensorfunktion

Digitalisierung im Kontext von Industrie 4.0 erfordert eine hohe Integrationsdichte von Sensoren in Maschinen und Anlagen. Im Projekt DELIGHT entwickeln wir eine industrielle Herstelltechnologie für Elastomersensoren, die in lasttragende Elastomerbauteile wie Maschinenlager oder Kupplungen integriert werden können. Die Sensoren basieren auf der patentierten kapazitiven Delta-C^©-Technologie und messen sowohl statische als auch dynamische Kräfte. Damit können beispielsweise Maschinen überwacht, Überlasten detektiert und Wartungsintervalle verlängert werden.

Delta-C^©-Technologie

Die am Fraunhofer LBF entwickelte und patentierte Delta-C^©-Technologie nutzt strukturierte Metallelektroden, zwischen denen sich ein dielektrisches Elastomer befindet. Bei einer Belastung verformt sich das Elastomer und wird in die Struktur der Elektroden gedrückt, so dass eine elektrische Kapazitätsänderung entsprechend der Belastung hervorgerufen wird. Sensoren basierend auf diesem Konzept sind günstig und ökologisch vorteilhaft, da sie nur aus Elastomer und Metall bestehen und keine kritischen Materialien wie seltene Erden oder Piezokeramiken verwenden. Sie können in einem breiten Frequenzbereich eingesetzt werden und sind robust gegen Überlasten.

Ein großes Hemmnis für einen industriellen Einsatz der Technologie ist aktuell die noch nicht skalierbare und automatisierte Fertigungstechnologie. Der bisherige Aufbau der Sensoren besteht in dem manuellen Schichten von präzise geätzten Metallelektroden mit zugeschnittenen Elastomerfolien und dem darauffolgenden Verschweißen der Elektroden zur Kontaktierung mit einer elektronischen Auswerteeinheit. Durch den manuellen Aufbau wird zudem die Präzision und Reproduzierbarkeit der Sensoren limitiert, wodurch ein Serieneinsatz in Elastomerkomponenten derzeit nicht in Betracht kommt.

Validierte und skalierbare Fertigungstechnologie für Delta-C^©-Sensoren

Im Forschungsprojekt DELIGHT wird daher am Fraunhofer LBF eine Fertigungsanlage so umgerüstet, dass eine validierte und skalierbare Fertigungstechnologie für Delta-C^©-Sensoren im Lastbereich von 10 N bis 6 kN zur Verfügung steht. Der Aufbau der Sensorelemente erfolgt hier sukzessive auf einer starren oder flexiblen Platine, auf die abwechselnd das Elastomer aufgerakelt und die Elektroden positioniert werden. So entsteht je nach Anforderungen an die Sensoreigenschaften ein Schichtverbund, der in industrielle Elastomerkomponenten integriert werden kann. Die vormals verwendeten präzise geätzten und damit kostenintensiven strukturierten Metallelektroden wurden in dem Fertigungsprozess dabei durch ein kostengünstiges, einseitig foliertes Metallgewebe ersetzt. Durch die automatisierte Fertigung konnte auch die Reproduzierbarkeit der Sensorelemente erhöht werden, wodurch strukturierte Untersuchungen bezüglich verschiedener Design- und Fertigungsparameter ermöglicht wurden.

Am Ende des Projekts ist die Demonstration der Technologie in funktionsintegrierten Elastomerkomponenten in anwendungsnahen Einsatzumgebungen geplant.

Förderer und Partner

• AiF Forschungsnetzwerk Mittelstand
• Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Die DELTA-C-Sensortechnologie basiert auf diesem Patent: Kaal, W.; Herold, S.; Melz, T.: Elektroaktiver Elastomerwandler, Patent EP 2630674