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Effektive Mechanismen zur automatisierten Prozessregelung sind für zukünftige Fertigungsprozesse von entscheidender Bedeutung und erfordern eine zuverlässige Überwachung der Prozessvariablen. Zu diesem Zweck hat das Fraunhofer IST zusammen mit dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der TU Braunschweig werkzeugintegrierte Sensorsysteme zur In-process-Messung von Schnittkräften und Temperaturen während des Zerspanungsprozesses entwickelt.

Dünnschichttemperatursensoren auf Wendeschneidplatten
Zur Messung der Temperaturen im Kontaktbereich zwischen Span und Werkstück wurde eine Chrom-Sensorschicht genutzt, die zwischen zwei gesputterten, elektrisch isolierenden Aluminiumoxid-Schichten (Al2O3) liegt.

Temperaturkompensierte Schnittkraftmessung
Zur Messung der Schnittkraft wurden piezoresistive Dünnschichtsensoren entwickelt und auf einer Unterlegplatte unterhalb der Wendeschneidplatte positioniert. Ein neues Sensordesign, bestehend aus einem auf Manganin basierenden Kraftsensor und einem darunter liegendem auf diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC) basierenden Temperatursensor, ermöglicht eine In-situ-Temperaturkompensation des Kraftsensors auch bei hohen und lokal konzentrierten Temperaturgradienten.

Echtzeit-Prozessregelung
Zur Demonstration des Potentials des neuen Dünnschichtsensors wurde eine Echtzeit-Prozessregelung des Schneidprozesses implementiert. Ziel war es dabei, die Schnittkraft innerhalb eines definierten Zielbereichs zu halten, während sich die Schnitttiefe durch eine künstlich erzeugte Stufe auf dem Werkstück ändert. Die Umsetzung erfolgte mit einem Python-Algorithmus, der die Daten des Dünnschichtsensors nutzte, um die Vorschubgeschwindigkeit während des Prozesses anzupassen.

Ausblick
Das neu entwickelte Dünnschichtsystem für Kraftmessungen ermöglicht präzise Messungen in schwer zugänglichen und stark belasteten Bereichen. Die Echtzeit-Prozessregelung zeigt die Wettbewerbsfähigkeit des Dünnschichtsensors im Vergleich zu einer schwieriger zu integrierenden und teureren Kraftmessplattform. Zusammen mit dem vorgestellten Temperatursensor weist sie damit einen vielversprechenden Weg hin zur Digitalisierung und Automatisierung von Produktionsprozessen auf. Dank der wirkstellennahen Integrationsmöglichkeit und des flexibel anpassbaren Designs können die Sensorsysteme auch in einer Vielzahl anderer temperaturempfindlicher Prozesse eingesetzt werden.

https://www.ist.fraunhofer.de/de/kompetenzen/sensorik.html