Umformtechnisches positionsgeregeltes Fügen durch plastische Deformation am Beispiel von optischen Sensoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Groche
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460244297

Mehrachsige Kraft- und Drehmomentmessung findet in vielen Bereichen eine Anwendung: von Medizintechnik über industriellen Produktionsanlagen bis zur Luft- und Raumfahrt. Im Zuge der fortschreitenden Automatisierung von Prozessketten in der Industrie 4.0 haben sich die industriellen Anwendungen stark erweitert. So wird die Kraft- und Drehmomentregelung zu einem immer wichtigeren Faktor in vielen Fertigungsprozessen. Durch die Erfassung von Prozesskräften und -momenten lassen sich Regelungsansätze umsetzen und damit eine genauere Herstellung ausgewählter Produkteigenschaften erreichen. Schlechte Zugänglichkeit oder störanfällige Messpositionen verhindern typischerweise die eindeutige Messung. Dagegen ermöglichen Tragstrukturen und Maschinenelemente mit integrierten Sensoren die Messung von Prozesskräften und -momenten direkt an der Maschine oder den Werkzeugen, ohne deren mechanische Funktionalität zu beeinträchtigen.Im Stand der Technik werden diese Strukturen durch die Integration von DMS-basierten oder piezoelektrischen Sensoren in metallische Strukturen durch unterschiedliche Verfahren hergestellt. Hierbei hat sich das Fügen durch plastische Deformation als ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen erwiesen. Aufgrund der hohen Designanforderungen an die zu integrierenden Verformungskörper und damit an den Fügeprozess sind umformtechnisch hergestellte Sensorstrukturen bisher auf ein- oder zweiachsige Kraft- oder Drehmomentmessungen beschränkt. Darüber hinaus steigen der Fertigungsaufwand und der Energieverbrauch der zugehörigen Messkette mit zunehmender Anzahl der Messachsen nahezu linear an. Im Gegensatz dazu erlauben optische, kontaktlose, kamerabasierte Messkonzepte eine Erweiterung der Messachsen umformtechnisch hergestellter sensorischer Strukturen ohne komplizierteres Design der Verformungskörper und des Fügeprozesses.In der Arbeitsgruppe des Antragstellers wurde ein optisches, kamerabasiertes Sensorkonzept zur Erweiterung der Messachsen von sensorischen, umformtechnisch hergestellten Strukturen entwickelt, das im Vergleich zu herkömmlichen Kraft- und Drehmomentsensoren in der Lage ist, bis zu sechs Freiheitsgrade bei deutlich reduzierten Gesamtkosten der Messkette zu messen. Der Ersatz von Verformungskörpern durch optoelektronische Messketten erfordert jedoch einen wesentlichen neuen Schritt im Fügeprozess der Sensorik: Die bisher erforschten Prozessauslegungen zur kraft- und formschlüssigen Verbindung von Verformungskörper und Tragstruktur zielen auf die Regelung des Vorspannungszustands im Verformungskörper ab. Das optische kontaktlose Sensorkonzept erfordert dagegen eine hohe Positionsgenauigkeit beim Zusammenbau und damit eine Lageregelung beim Fügen.Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt auf die Erforschung eines positionsgeregelten umformenden Fügeverfahrens ab, das insbesondere auch die Integration optischer sechsachsiger Kraft- und Drehmomentsensoren in tragende rohrförmige Strukturen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen