Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Projektcluster DiMaWert
Digitalisierung der Materialentwicklung entlang der Wertschöpfungsketten
Aktuelles Förderprojekt
Motivation
Funktionsschema eines kapazitiven Elastomersensors zur Dehnungsmessung
Thermoprozessanlagen unterliegen durch die stark wechselnden Temperaturen erheblichen Belastungen. Durch thermische und mechanische Spannungen sowie Korrosionsprozesse können sich Risse und Ausbrüche in der Ofenisolierung bilden. Die Ofenzustellung muss deshalb regelmäßig erneuert werden. Werden größere Fehler in der Zustellung nicht rechtzeitig erkannt und beseitigt, treten Folgeschäden sowie Beeinträchtigungen in der Produktqualität des Erwärmungsgutes auf. Im schlimmsten Fall können Havarien von Thermoprozessanlagen zu sehr hohen Schäden führen und Menschenleben gefährden, wenn z. B. dadurch heiße Metallschmelzen freigesetzt werden.
Zielsetzung
Kapazitive Elastomersensoren zur Dehnungsmessung
Ziel des Projekts ist eine permanente Zustandsüberwachung der Ofenzustellung. Das dafür zu entwickelnde Sensor-Netzwerk muss robust und kostengünstig sein und große Flächen von einigen Quadratmetern überwachen, dabei aber auch sehr kleine Dehnungen der Ofenisolierung zuverlässig erkennen. Zusätzlich zur Dehnung soll auch die Temperatur lokal erfasst werden. Die gesamte Sensorik muss Temperaturen von bis zu 120 °C standhalten, da sie im Außenbereich der Ofenzustellung eingesetzt wird. Zudem muss die Montage so einfach sein, dass sie auch von ungelernten Arbeitskräften ausgeführt werden kann.
Lösungsweg
Thermoprozessanlage mit geplantem Sensor-Netzwerk (links) sowie Schema des Sensor-Netzwerkes zur Zustandsüberwachung (rechts)
- Entwicklung kapazitiver Dehnungssensoren mit besonders hoher Messempfindlichkeit
- Anpassung von chemischen Formulierungen für dielektrische und elektrisch leitfähige Siliconelastomere für die Sensoren
- Aufbau einer Fertigungsmethode für Sensoren mit Roboterunterstützung
- Optimierung der Dehnungssensor-Eigenschaften mit KI-Methoden
- Aufbau eines zweidimensionalen Dehnungssensor-Netzwerkes
- Integration von Thermistoren zur ortsaufgelösten Temperaturmessung
- Entwicklung einer Elektronik mit Software zur Steuerung des Sensor-Netzwerkes und zur Datenauswertung