Suchen

Funktionsintegration für Digitalisierung Integrierte Sensoren bei der additiven Fertigung

Autor / Redakteur: Philipp Stoll und Dr. Adriaan Spierings, inspire AG icams, St. Gallen / Konrad Mücke

Um die Produktion zu digitalisieren, werden Komponenten mit integrierten Sensoren benötigt, die in Echtzeit ihren Zustand melden können. Additive Fertigung eröffnet bisher ungeahnte Möglichkeiten. Im Herstellprozess lassen sich Sensoren freizügig an technisch relevanten Positionen platzieren.

Firmen zum Thema

Das generativ auf einer SLM-Anlage gefertigte Magnetventil iSV mit direkt im Herstellprozess integrierten Thermoelementen und Hallsensor.
Das generativ auf einer SLM-Anlage gefertigte Magnetventil iSV mit direkt im Herstellprozess integrierten Thermoelementen und Hallsensor.
(Bild: inspire AG)

Die additive Fertigung, allen voran das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM), erlangt neben traditionellen Fertigungsmethoden immer mehr Bedeutung als echte Produktionstechnik, obwohl der eigentliche industrielle Durchbruch noch nicht vollends gelungen ist. Einer der Hauptgründe hierfür sind die relativ hohen Fertigungskosten im Vergleich zur konventionellen Fertigung. Aus diesem Grund ist es unabdingbar, einen zusätzlichen Mehrwert in die generativ gefertigten Werkstücke zu integrieren. Ein häufig verwendeter Ansatz hierzu ist die Anwendung von Leichtbaukonzepten zur Gewichtsreduktion der Komponenten, gegebenenfalls einhergehend mit einer bionisch inspirierten Topologieoptimierung. Auf diese Weise können Strukturen erzeugt werden, welche nur durch die additive Fertigung mit SLM realisierbar sind.

Zusätzliche Funktionen integrieren

Die inspire AG verfolgt am Innovation Center for Additive Manufacturing Switzerland (icams) in St. Gallen eine weitere Strategie, um die im Laser-­Schmelzverfahren gefertigten Komponenten mit zusätzlichem Mehrwert auszustatten. Innerhalb seiner Forschungsaktivitäten befasst sich das icams mit der Integration von Sensorik in Bauteile. Das Ziel ist die Fertigung intelligenter Bauteile, welche in Echtzeit Daten über ihren Zustand übermitteln können. Die additive Fertigung ermöglicht dabei insbesondere, die Sensoren an den technisch relevanten Orten zu platzieren, und nicht nur dort, wo eine äußere Zugänglichkeit dies gerade noch ermöglicht. Die Ansätze zur Bauteil-Überwachung reichen vom Erfassen und Übermitteln einfacher Temperaturprofile bis hin zur Prüfung der strukturellen Bauteilintegrität. Die mittels der Sensoren gewonnenen Erkenntnisse zum Zustand des jeweiligen Bauteils ermöglichen in der Folge, die Bauteile unter optimalen Bedingungen einzusetzen. Des Weiteren erlauben solche Konzepte auch eine vorausschauende Instandhaltung des Werkstücks.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 8 Bildern

Geförderte Forschung und Entwicklung

Das Forschungsprojekt «NOVA iSV», welches von der Kommission für Technik und Innovation (Innosuisse) mitfinanziert wurde, hatte zum Ziel, ein additiv gefertigtes Magnetventil zu entwickeln, welches die Designfreiheiten der SLM-Technologie ausnutzt und gleichzeitig durch integrierte Sensorik eine permanente Zustandsüberwachung erlaubt. Die integrierte Sensorik ist damit allerdings nicht nur ein erster Schritt in Richtung Industrie-4.0-Anwendung bzw. ein Beispiel für die Digitalisierung von Produkten, sondern sie ist zugleich auch ein wichtiger Sicherheitsaspekt des Magnetventils, welches unter hohen Drücken in zukünftigen Was­serstofftankstellen eingesetzt werden soll. Das Projekt-­Konsortium stellte sich aus den beiden inspire-AG-­Forschungsgruppen icams und pdz (Product Development Group Zürich) sowie der Firma Nova Werke AG als industriellem Implementierungspartner zusammen. Die Designoptimierung zielte dabei nicht nur auf Sensoraspekte ab, sondern auch auf die Ausnutzung der Designfreiheiten der additiven Fertigung. Diese ermöglichen eine weitgehende Strömungsoptimierung zur Realisierung hoher Durchflusskoeffizienten. Ein Aspekt, bei dem konventionelle Technologien schnell an ihr Limit kommen. Die minimale Auslegung der Kanalwandstärke, welche gleichzeitig aber einer Belastung von bis zu 1000 bar Innendruck mit Wasserstoff standhalten muss, führte außerdem zu einer signifikanten Gewichtseinsparung und massiv kleineren Bauteilabmessungen, was deren Integrationsfähigkeit in Wasserstofftankstellen wesentlich verbessert.

Sensoren beim Fertigen in Magnetventil integriert

Aus ihrer Erfahrung in der Ventiltechnik heraus war es für die Nova Werke AG vor allem interessant, die Temperatur sowie die Kolbenposition mittels integrierter Sensorik zu erfassen. Durch die Integration von je einem Thermoelement vor beziehungsweise nach dem Hauptventil kann auf die aktuelle Durchfluss-Situation geschlossen werden. Außerdem ermöglicht die Erfassung der Temperatur ein tieferes Verständnis des jeweiligen Betriebszustands des Ventils. Speziell mit Blick auf Wartungsarbeiten am Magnetventil iSV, welches gemäß seinem designierten Einsatzgebiet in Wasserstofftankstellen sämtlichen äußeren Einflüssen unterliegt, ist es für das Service-Personal von immenser Bedeutung, den aktuellen Schaltzustand des Ventils zu kennen. Hierfür wurde im Projekt die Integration von Hall-Sensoren zur Ermittlung der exakten Kolbenposition entwickelt. Die Integration von Sensoren in eine additiv gefertigte Struktur erfordert bei heutigen Anlagenkonzepten einen Prozessunterbruch. Forschungsarbeiten am inspire icams haben gezeigt, dass ein derartiger Prozessunterbruch durchaus einen Einfluss auf die mechanischen Bau­teileigenschaften haben kann. Aus diesem Grund wurde das Magnetventil so konstruiert, dass die Einbettung der beiden Temperatursensoren und des Hallsensors während eines einzigen Prozessunterbruchs durchgeführt werden kann.

Getestet und validiert

Um das additiv gefertigte Magnetventil mit integrierten Sensoren für die industrielle Anwendung zu qualifizieren, wurden zahlreiche Tests durchgeführt. In den Testreihen konnte die eindeutige Positionserfassung des Ventilkolbens durch den integrierten Hallsensor über den gesamten Hub hinweg gezeigt werden. Für die Temperatursensoren wurden nach dem Schalten des Ventils Ansprechzeiten von 150 beziehungsweise 180 ms ermittelt. Dies ist unter Berücksichtigung der thermischen Trägheit der Kanalwände, welche einem Innendruck von 1000 bar standhalten müssen, ein äußerst dynamisches Ansprechverhalten, was für die Weiterentwicklung der gesamten Datenauswertung enorm wichtig ist. Dies unterstreicht eindrücklich den erzielten Mehrwert durch Sensorintegration, welche in dieser Art nur durch additive Fertigung möglich wurde. Die Validierungstests enthielten zusätzlich zu den Tests bei unterschiedlichen Temperaturen und Temperaturprofilen Betrachtungen zum Lebenszyklus des Ventils. Diese haben bestätigt, dass die integrierten Sensoren auch nach über 50 000 Lastzyklen noch immer voll funktionsfähig waren.

Zukunftsträchtige Technologie

Das im Forschungsprojekt entwickelte Magnetventil zeigt eindrucksvoll das große Potenzial der Sensorintegration während der additiven Fertigung. Die spezifischen Stärken des selektiven Laserstrahlschmelzens, speziell die Fertigung komplexer Strukturen, werden ebenfalls ausgenutzt. Die Auszeichnung des Magnetventils iSV mit dem Award der AMX-Messe 2019 im Bereich «Engineering» untermauert das Potenzial dieses innovativen Fertigungsansatzes. Die Technologie zum Fertigen des Magnetventils ist für die Nova Werke AG mit zwei Patenten geschützt.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal SMM Schweizer MaschinenMarkt veröffentlicht.

(ID:46802473)