Drucksensor
Kurzfassung:
Die ?berwachung verschiedener Betriebsparameter (Health Monitoring) ist heute schon ein wichtiger Bestandteil beim Betrieb von Anlagen und Ger?ten. In diesem Projekt wird untersucht, in wie fern Dehnungsmessstreifen in die Lauffl?che von W?lzlagern eingebettet werden k?nnen, um Dehnungen und Spannungen im laufenden Betrieb messen zu k?nnen. 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 M?glichkeit 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 k?nnen.
Projektbeschreibung:
In den letzten Jahren wurde von verschiedenen Arbeitsgruppen berichtet, Sensoren für die Beanspru?chungsgr??en Druck oder Temperatur in Form dünner Schichten auf Werkzeugen oder auf Funktions?fl?chen hoch beanspruchter Bauteile aufzubringen. Eine kritische Einsch?tzung der bisherigen Ergeb?nisse kommt zu dem Schluss, dass die Funktionalit?t und Zuverl?ssigkeit – z. B. die ?berrollfestigkeit im W?lzkontakt – bis heute nicht gegeben ist. Ziel des Projektes ist deshalb, in Zusammenarbeit zweier sich technologisch erg?nzender Partner – aus der Werkstofftechnik (IWT Bremen) und der Mikrosystemtechnik (IMSAS) – mittels Dünnschichttechnik einen mechanisch hoch belast?baren Drucksensor in einer Stahloberfl?che zu entwickeln. Das Projekt ist dabei als Machbar?keitsstudie ausgelegt. Ein m?glicher Prozessablauf zur Einbettung eines piezoresistiven Sensorelementes in eine mechanisch stark beanspruchte Oberfl?che ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Zun?chst wird das Stahlsubstrat mittels eines nass- oder trockenchemischen ?tzprozesses mit einer Kavit?t versehen, in welche das eigentliche Sensorelement platziert werden soll. Anschlie?end 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. Abschlie?end wird die gesamte Substratoberfl?che mit einer verschlei?hemmen?den Hartstoffschicht versehen.
Eine m?gliche Geometrie des Sensors ist in Abbildung 2 in der Aufsicht auf die Funktionsfl?che dargestellt. Die ?tzgruben laufen schr?g zur Laufrichtung für den Fall eines sich über der Funktionsfl?che bewe?genden mechanischen Elements. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Kantenermüdung vermindert. Die Metallisierung in der Laufrichtung dient zum gr??eren Teil nur als Leiterbahn. Am eigentlichen Messpunkt – der links im Bild vergr??ert dargestellt ist, wird die Leiterbahn?breite verringert, so dass sich hier der elektrische Widerstand konzentriert. Die Anpressung erfolgt ne?ben der ?tzgrube. Der Anstellwinkel zwischen ?tzgrube 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 W?lzlager den Druck an kritischen Stellen erfassen werden kann. Dadurch werden ungew?hnliche Zust?nde frühzeitig erkannt, und es k?nnen schneller als bisher erforderliche Gegenma?nahmen ergriffen werden. Es lassen sich folgende Vermarktungschancen absch?tzen:
Gro?e W?lzlager:
Ohne Zweifel ist der Einbau von Sensoren in die Lauffl?che von W?lzlagern mit zus?tzlichen Kosten verbunden. Diese lassen sich insbesondere dann rechtfertigen, wenn das Lager selbst – z. B. durch seine Gr??e – hohe Herstellungskosten verursacht. Bei gro?en 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 澳门皇冠_皇冠足球比分-劲爆体育ere parallel laufende Reparaturma?nahmen nutzen.
Schwer erreichbare W?lzlager:
Sch?digungen an Lagern lassen sich heute oftmals leicht anhand einer ungew?hnlichen Ger?uschentwicklung detektieren. Diese akustische Kontrolle ist allerdings nur dann sicher m?glich, wenn die Anlage in Augenschein genommen wird. An schwer zug?nglichen Anlagen – als heute oft zitiertes Beispiel sei auf Off-Shore Windanlagen hingewiesen – ist dies nicht m?glich. Hier ist die frühzeitig Detektion erh?hter mechanischer Spannungen, die per Datenübertragung zeitnah auch an entfernte Kontrollstationen gelangt, wichtig, um den Wartungsbedarf frühzeitig zu erkennen. Dadurch ist es m?glich, z. B. durch eine Reduktion der Lagerbeanspruchung, einen gr??eren Folgeschaden zu vermeiden.
?bertragung auf Gleitlager:
Wenn sich die Sensortechnik für W?lzlager bew?hrt, ist eine ?bertragung auf andere Lagerungen und Führungen, insbesondere Gleitlager, zu erwarten. Auch in diesem Anwendungsfeld werden die zus?tzlichen Kosten für die Sensoren eher in hochpreisigen Elementen zu etablieren sein.
Partnerinstitut: IWT Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen "http://www.iwt-bremen.de/"
Finanziert durch ZWE ISIS
Laufzeit: 01/09–12/11