Kraftmessung

Flache, elastomerbasierte Kraftsensorik

Flache, elastomerbasierte Kraftsensorik

Flache, elastomerbasierte Kraftsensorik

Flache, elastomerbasierte Kraftsensorik

Flache, elastomerbasierte Kraftsensorik

Das Fraunhofer LBF hat mit Delta eine kapazitive Kraftsensorik entwickelt, die besonders flache und kostengünstige Sensoren ermöglicht.

Hierfür werden mikroskopisch strukturierte Elektroden und eine Elastomerfolie als Dielektrikum genutzt, die zugleich als Verformungskörper fungiert. Komplexe, teure Verformungskörper wie in DMS-basierten Kraftmessdosen entfallen - wesentlich geringere Sensorbauhöhen werden möglich. Wegen der hohen geometrischen Gestaltungsfreiheit ist Delta gut in bestehende und neue Produkte integrierbar. Die Verwendung von Elastomer begünstigt zudem die Integration in Elastomerlager und andere Elastomerbauteile.

Die fortschreitende Digitalisierung und Effizienzsteigerung in der Industrie erfordert immer mehr Prozesswissen, bereitgestellt durch eine immer größer werdende Anzahl von Sensoren. Bei der Integration von Sensoren in bestehende und neue Anlagen, Maschinen, Fahrzeuge oder Produkte spielen Anforderungen bzgl. des Preises und des Bauraums eine immer wichtiger werdende Rolle.

Genaue DMS-basierte Kraftsensoren benötigen üblicherweise aufgrund eines Verformungskörpers einen vergleichsweise großen Bauraum, kleine Piezo-basierte Kraftsensoren sind dagegen teuer sowie nur eingeschränkt für statische Messungen geeignet. 

Die Innovation der DELTA-Technologie besteht in der Realisierung besonders flacher und geometrisch skalierbarer Kraftsensoren, die vollständig automatisiert aus preisgünstigen und gegenüber Piezokeramiken unschädlichen Materialien (Elastomer und Metall) hergestellt werden können. Dies wird möglich, indem der für DMS-basierte Kraftsensoren erforderliche Verformungskörper durch eine Elastomerfolie ersetzt wird, deren Dickenänderung bei einer äußeren Krafteinwirkung in Form einer Kapazitätsänderung gemessen werden kann.

Aufgrund der Volumenkonstanz von Elastomeren ist es erforderlich, dass die metallischen Elektroden mit einer Mikroperforation ausgestattet sind. Die Skalierung des Messbereichs kann über die Lochgeometrie, die Elektrodenfläche und die Anzahl der gestapelten Elastomer-Elektrodenpaare sowie über eine optionale Gehäusefeder realisiert werden. Die Form des Sensorelements kann hierbei geometrisch frei gewählt werden (z.B. Kreisringe oder -bögen, Vielecke, etc.). Üblich verwendete Elektrodendicken liegen im Bereich von 30 µm, Elastomerfoliendicken im Bereich von 100 µm und Lochdurchmesser im Bereich von 100 - 400 µm.

Mit so aufgebauten Sensorelementen lassen sich besonders flache Sensoren realisieren, deren Bauhöhe je nach Lastbereich mit Gehäuse zwischen 2 mm und 12 mm variiert. Aufgrund der geringen Dicke des reinen Sensorelements lässt sich dieses leicht in Produkte aufnehmen und sogar direkt in Elastomerbauteile integrieren, die mit der DELTA-Technologie um eine messende Funktionalität erweitert werden können.

Am Fraunhofer LBF wurden bereits verschiedene Funktionsdemonstratoren aufgebaut, die das Potential der Technologie verdeutlichen. So wurden ein Flachsensor, Sensoren für Maschinenlager, eine mobile Radlastwaage oder sensorische Fahrradgriffe umgesetzt. Der Schwerpunkt der aktuellen Forschung liegt in der Entwicklung einer industriell skalierbaren Herstelltechnologie.

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