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Drucksensor

Kurzfassung:
Die Überwachung verschiedener Betriebsparameter (Health Monitoring) ist heute schon ein wichtiger Bestandteil beim Betrieb von Anlagen und Geräten. In diesem Projekt wird untersucht, in wie fern Dehnungsmessstreifen in die Lauffläche von Wälzlagern eingebettet werden können, um Dehnungen und Spannungen im laufenden Betrieb messen zu können. Als Einsatzgebiet sind Lager in Offshore-Windkraftanlagen denkbar oder allgemein hochpreisige Lager, deren Wartung, Austausch und Ausfall kritisch sind.

Projektziel:
Ziel des Projektes ist es, die Möglichkeit eingebetteter Dehnungsmessstreifen theoretisch und experimentell zu untersuchen. Nach dem Projekt soll bekannt sein, unter welchen Bedingungen die Einbettung zu realisieren ist und welche Technologien dafür eingesetzt werden können.

Projektbeschreibung:
In den letzten Jahren wurde von verschiedenen Arbeitsgruppen berichtet, Sensoren für die Beanspru¬chungsgrößen Druck oder Temperatur in Form dünner Schichten auf Werkzeugen oder auf Funktions¬flächen hoch beanspruchter Bauteile aufzubringen. Eine kritische Einschätzung der bisherigen Ergeb¬nisse kommt zu dem Schluss, dass die Funktionalität und Zuverlässigkeit – z. B. die Überrollfestigkeit im Wälzkontakt – bis heute nicht gegeben ist. Ziel des Projektes ist deshalb, in Zusammenarbeit zweier sich technologisch ergänzender Partner – aus der Werkstofftechnik (IWT Bremen) und der Mikrosystemtechnik (IMSAS) – mittels Dünnschichttechnik einen mechanisch hoch belast¬baren Drucksensor in einer Stahloberfläche zu entwickeln. Das Projekt ist dabei als Machbar¬keitsstudie ausgelegt. Ein möglicher Prozessablauf zur Einbettung eines piezoresistiven Sensorelementes in eine mechanisch stark beanspruchte Oberfläche ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst wird das Stahlsubstrat mittels eines nass- oder trockenchemischen Ätzprozesses mit einer Kavität versehen, in welche das eigentliche Sensorelement platziert werden soll. Anschließend wird mittels Magnetron-Sputtern eine elektrisch isolierende Schicht (vorgesehen ist Aluminiumoxid) aufgebracht.

Auf der Isolationsschicht wird dann die piezoresistive Funktionsschicht (DLC) abgeschieden und mittels Photolithographie struk¬turiert. Diese stellt dann das eigentliche Sensorelement dar. Nachfolgend wird eine zweite isolierende Schicht aufgebracht. Abschließend wird die gesamte Substratoberfläche mit einer verschleißhemmen¬den Hartstoffschicht versehen. 
Eine mögliche Geometrie des Sensors ist in Abbildung 2 in der Aufsicht auf die Funktionsfläche dargestellt. Die Ätzgruben laufen schräg zur Laufrichtung für den Fall eines sich über der Funktionsfläche bewe¬genden mechanischen Elements. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Kantenermüdung vermindert. Die Metallisierung in der Laufrichtung dient zum größeren Teil nur als Leiterbahn. Am eigentlichen Messpunkt – der links im Bild vergrößert dargestellt ist, wird die Leiterbahn¬breite verringert, so dass sich hier der elektrische Widerstand konzentriert. Die Anpressung erfolgt ne¬ben der Ätzgrube. Der Anstellwinkel zwischen Ätzgrube und Laufrichtung muss erprobt und optimiert werden. Ebenso wird durch Simulation und Versuche das Design des Sensors optimiert. Zur Temperaturkompensation ist vorgesehen, das Element in einer Brücke zu verschalten. 

In dem Vorhaben wird ein neues – bisher nicht auf dem Markt vorhandenes – Verfahren entwickelt, mit dem in einem Wälzlager den Druck an kritischen Stellen erfassen werden kann. Dadurch werden ungewöhnliche Zustände frühzeitig erkannt, und es können schneller als bisher erforderliche Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Es lassen sich folgende Vermarktungschancen abschätzen:

Große Wälzlager: 
Ohne Zweifel ist der Einbau von Sensoren in die Lauffläche von Wälzlagern mit zusätzlichen Kosten verbunden. Diese lassen sich insbesondere dann rechtfertigen, wenn das Lager selbst – z. B. durch seine Größe – hohe Herstellungskosten verursacht. Bei großen Lagern ist weiterhin die Stillstandzeit bei einem notwendig werdenden Lagerwechsel problematisch. Mit dem Sensor kann der notwendig werdende Wechsel frühzeitig erkannt und in die Planung aufgenommen werden. So lassen sich unvermeidliche Stillstandzeiten der Anlagen für mehrere parallel laufende Reparaturmaßnahmen nutzen.

Schwer erreichbare Wälzlager:
Schädigungen an Lagern lassen sich heute oftmals leicht anhand einer ungewöhnlichen Geräuschentwicklung detektieren. Diese akustische Kontrolle ist allerdings nur dann sicher möglich, wenn die Anlage in Augenschein genommen wird. An schwer zugänglichen Anlagen – als heute oft zitiertes Beispiel sei auf Off-Shore Windanlagen hingewiesen – ist dies nicht möglich. Hier ist die frühzeitig Detektion erhöhter mechanischer Spannungen, die per Datenübertragung zeitnah auch an entfernte Kontrollstationen gelangt, wichtig, um den Wartungsbedarf frühzeitig zu erkennen. Dadurch ist es möglich, z. B. durch eine Reduktion der Lagerbeanspruchung, einen größeren Folgeschaden zu vermeiden.

Übertragung auf Gleitlager:
Wenn sich die Sensortechnik für Wälzlager bewährt, ist eine Übertragung auf andere Lagerungen und Führungen, insbesondere Gleitlager, zu erwarten. Auch in diesem Anwendungsfeld werden die zusätzlichen Kosten für die Sensoren eher in hochpreisigen Elementen zu etablieren sein.


Ansprechpartner:
Prof. Dr.-Ing. Walter Lang 
IMSAS, NW1, Raum O 2120
Tel: +49 421 218 62602
E-mail: wlangprotect me ?!imsas.uni-bremenprotect me ?!.de

Partnerinstitut: IWT Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen  "http://www.iwt-bremen.de/"
Finanziert durch ZWE ISIS
Laufzeit: 01/09–12/11 

 

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Aktualisiert von: L. Reichel