Forschungsbericht 2010 | 2011 - ifw Jena

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ABTEILUNG LASERTECHNIK Entwicklung und Erprobung von dynamischen und hochempfi ndlichen Fasergittersensorsystemen Ansprechpartner: Dr.-Ing. H. Müller + Dipl.-Ing. (FH) J. Kammann, hmueller@ifw-jena.de Zuwendungsgeber: BMWi | EuroNorm GmbH Projektnummer: VF081021 Aufgabe Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, welche sich erst seit ca. 10 Jahren in der Messtechnik etablieren, bieten gegenüber elektrischen Sensoren eine Reihe Montiertes FBG-Sensorgehäuse an Vorteilen, welche die Anwendung in „rauen“ indus- triellen Umgebungen mit einer signifi kant höheren Messsicherheit ermöglicht. Mit ihnen können sowohl Dehnungs- als auch Temperaturmesswerte hochdy- namisch erfasst werden, ohne dass diese dabei einem Verschleiß unterliegen. Die Technologie beruht auf einem optischen Refl exionsgitter, das mit Hilfe eines UV Laser in die Faser eingeschrieben wird. Das daraus resultierende Bragg-Gitter stellt in Verbindung mit der Glasfaser das Sensorelement dar. Zur Auswertung der Messwerte spielt die Länge der Faser eine untergeord- nete Rolle. Die hohe Empfi ndlichkeit resultiert aus dem Abstand und der hohen Anzahl der einzelnen Gitter. Die vielen Vorteile dieser Technik stehen leider im Ge- gensatz zum Preis. Momentan gilt ein einmalig applizierter Sensor nach seiner Verwendung als „verloren“. Das ist der Tatsache geschuldet, dass diese Sensoren entweder auf das beanspruchte Bauteil aufgeklebt oder eingebettet werden. Somit sind schnelle Tests an sich bewegenden oder schwingenden Anlagenteilen nur bedingt möglich bzw. werden gar nicht erst in Betracht gezogen. Ziel dieses Projektes ist es, mit der empfi ndlichen Faser eine Sensorbaugruppe zu generieren, die sich leicht montieren und zerstörungsfrei demontieren lässt, während die hochdynamischen Eigenschaften 20 nicht verloren gehen und die Vorteile des Sensors voll ausgeschöpft werden können. Eine Anwendung, die dabei im Vordergrund steht, ist die Anwendung an einer Punktschweißzange, wie sie zum Beispiel sehr häufi g in der Automobilindustrie vorkommt. Um den Punktschweißprozess zu überwachen oder regeln zu können, ist es notwendig, die Kraftinformation während des Fügens zu erfassen. Die Schwierigkeiten liegen vor allem in den großen hochfrequenten, elektromagnetischen Feldern, die die Messwerte von elektrischen Sensoren beeinfl ussen. Hier bieten optische Sensoren den Vorteil der Unempfi ndlichkeit. Ergebnisse Im Rahmen dieses Projektes wurde eine FBG-Sensorbaugruppe entwickelt, die eine einfache Adaptierung in wenigen Minuten an einem Bauteil ermöglicht. Auch das Auswechseln oder Umsetzen der Sensorbaugruppe gestaltet sich einfach und führt nicht zu einer Zerstörung der Faser oder des Sensors. Trotzdem kann der Sensor Schwingungen im Kilohertz-Bereich mit einer hohen Empfi ndlichkeit erfassen. Anwendung Die FBG-Sensorbaugruppen eignen sich überall da, wo starke magnetische Felder die Sensor- signale oder deren Weiterleitung negativ beeinfl ussen. Hierzu wurden Versuche an einer Punktschweißzange mit Schweißströmen von bis zu 7 kA erfolgreich durchgeführt. Das Forschungsvorhaben wurde durch das BMWi | EuroNorm GmbH fi nanziell gefördert und begleitet.
Verbundprojekt: Entwicklung eines Verfahrens zum Laserbohren von Mikrofunktionsbohrungen für die Aktiventlüftung und Ausformunterstützung in komplexen Spritzgießwerkzeugen für die Verarbeitung von Kunststoffen, Keramiken und Verbundwerkstoffen Teilprojekt: Lasermikrobohren von Spritzgießwerkzeugen mit Nd:YAG-Laser zur Aktiventlüftung und Ausformunterstützung Ansprechpartner: Dr.-Ing. H. Müller + Dipl.-Ing. S. Wächter, hmueller@ifw-jena.de Zuwenungsgeber: Thüringer Aufbaubank (TAB) Projekt-Nr.: 2007 FE 9021 | Verbund-Nr.: 2007 VF 0026 Bild 1: Stahl 1.2311, s=4 mm: Strahlaustritt ∅ 60 µm (M 750x) | Bild 2: Stahl 1.2343, s=10 mm: Austritts-∅ 64 ± 3 µm (M 20x) | Bild 3: Lasergebohrte Einsätze für Spritzguss-Werkzeuge Aufgabe Ziel des vorliegenden Projektes ist die Er- zeugung von Durchgangsbohrungen in Werkzeugein- sätzen aus Metall zum Spritzgießen von Kunststoffen, Keramiken und Polymerkeramiken mittels Laser zur Aktiventlüftung und Ausformunterstützung. Gefor- dert werden Bohrungen mit Durchmessern kleiner 100 µm bei Materialstärken von s ≤ 10 mm und As- pektverhältnissen von 10:1 bis 100:1. Eine Gratbildung ist zu vermeiden.Das Verfahren zum Einbringen von Mikrobohrungen soll sowohl bei der Herstellung von Spritzgusswerkzeugen, als auch der nachträglichen Optimierung von bereits im Einsatz befi ndlichen Werk- zeugen Anwendung fi nden. Ergebnisse In Absprache mit den Projektpartnern wurde eine repräsentative Auswahl an Werkstoffen für die Werkzeugherstellung (verschiedene hochlegierte Werkzeugstähle und Aluminium-Bronzen) mit ver- schiedenen Oberfl ächen (erodiert, geschliffen, poliert und mit Verschleißschutzschichten) untersucht.Mit einem lampengepumpten Nd:YAG-Laser (Lasag KLS 246) wurden am ifw mittels Perkussionsbohren repro- duzierbare Bohrungen mit Aspektverhältnissen zwi- schen 60:1 bis 150:1 eingebracht. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf Materialstärken von 2, 4, 6 und 10 mm. Mit Ausnahme der Bronze-Werkstoffe können ohne einen nennenswerten Einfl uss der Oberfl ächen- beschaffenheit Bohrungen mit einem Austrittsdurch- messer von 65 µm (Materialstärken 6 und 10 mm) be- ziehungsweise 50 µm (Materialstärken 2 und 4 mm) bei einer Standartabweichung von < 5 % eingebracht werden. Beim Bohren der Bronze-Werkstoffe liegt auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit die Grenze hin- sichtlich akzeptabler Bohrungsdurchmesser bei 2 mm Materialstärke. Auch Bohrungen unter einem Winkeln bis 45 °C zur Senkrechten können bis Materialstärke s = 4 mm in guter Qualität realisiert werden. Anwendung Durch die Projektpartner wurden eigens für Untersuchungen pro aufgeführter Werkstoffklas- se je ein Spritzgießwerkzeug mit simulierten Entlüf- tungsproblemen gebaut, mit denen lasergebohrte Werkzeugeinsätze getestet und die Wirksamkeit der Aktiventlüftung nachgewiesen werden konnte. Der- zeit werden im Bau befi ndliche Spritzgießformen be- ziehungsweise problembehaftete bereits im Einsatz befi ndliche Spritzgießwerkzeuge mit Laserbohrungen zur Aktiventlüftung versehen, um den Nutzen im re- ellen Einsatz nachzuweisen. Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Freistaates Thürin- gen und der Europäischen Union (EFRE) gefördert. 21 ABTEILUNG LASERTECHNIK
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