Struktur- und Zustandsüberwachung gewinnen durch die zunehmende Digitalisierung in den Bereichen Industrieautomatisierung, Energie- und Luftfahrtindustrie sowie im Anlagenbau immer mehr an Bedeutung. Das Ziel besteht dabei darin, den Zustand einer Anlage oder Systems zu überwachen, um einerseits eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen und somit Fehlerfälle bzw. Ausfälle vorzubeugen und andererseits die Produktivität zu erhöhen. Voraussetzung hierzu ist die Bereitstellung aktueller Zustandsdaten an den kritischen Stellen des zu überwachenden Systems. Dies erfordert die Integration von Sensoren in eine bestehende Struktur, um sogenannte ïn-situ Messungenßu ermöglichen. In diesem Kontext spielen Kraftsensoren eine große Rolle, da diese die Erkennung von Lastspitzen ermöglichen. Da kommerziell erhältliche Kraftsensoren jedoch als Allzwecksensoren ausgelegt werden, ist deren Integration nicht immer oder nur erschwert in bestehende Strukturen möglich. Vielmehr sind Kraftsensoren mit einem hohen Grad an Individualisierbarkeit hinsichtlich Geometrie und Messbereich sowie vernachlässigbarer Rückwirkung auf das Bauteil erforderlich. Diese Eigenschaften lassen sich mit additiven Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (LPBF), realisieren, da sich einerseits nahezu jede Geometrie damit herstellen lässt und andererseits der typische Schichtauffbau die Intergration von Sensorik an beliebiger Stelle des Bauteils ermöglicht. Aktuell besteht allerdings kein systematischer Ansatz zur Realisierung von LPBF-gefertigten Kraftsensoren basierend auf Dehnungsmessstreifen (DMS), die bei konventionellen Kraftsensoren das Standard-Sensorelement darstellen.

Daher wird in dieser Arbeit ein neuartiger, disruptiver Fertigungsansatz vorgestellt, der die übliche Fertigungsreihenfolge von konventionellen Kraftsensoren aufbricht und neu anordnet und somit eine systematische Integration von DMS in LPBF-gefertigte Bauteile ermöglicht. Dieser Lösungsansatz wurde in einer eigenen bereits veröffentlichten Patentanmeldung fixiert. Dabei wird eine mit Dehnungsmessstreifen (DMS) applizierte Stahlplatte (Messelementträger), die als Verformungskörper dient, in dem LPBF-gefertigten Bauteil während der Unterbrechung des additiven Fertigungsprozesses eingesetzt. Mit den in LPBF-gefertigten Demonstratoren als Kraftsensoren werden die zwei wichtigsten Sensor-Qualitätskriterien, die Dehnungsübertragung vom LPBF-gefertigten Bauteil zum eingelegten Messelementträger und das geforderte statische Sensor-Übertragungsverhalten, welches die Empfindlichkeit und Linearität einschließt, unter realen Prozessbedingungen untersucht. Hierbei zeigt sich, dass die LPBF-gefertigten Sensoren (80 mm x 25.5 mm x 14 mm) nach disruptivem Herstellungsansatz reproduzierbar mit einem Linearitätsfehler von ±0.1 % und einem Hysteresefehler von ±0.2 % aufgebaut werden können. Diese Werte entsprechen den typischen Werten konventioneller Kraftsensoren. Außerdem werden das Temperatur- und Kriechverhalten der LPBF-gefertigten Kraftsensoren untersucht. Der Vergleich der Empfindlichkeit der LPBF-gefertigten Kraftsensoren mit einem FEM-Modell zeigt eine sehr gute Übereinstimmung, sodass eine zuverlässige Vorhersage der Dehnungsübertragung und damit eine gezielte Auslegung solcher Kraftsensoren im Vorfeld möglich ist. Der Vergleich des DMS-Verhaltens vor und nach Durchführung des LPBF-Prozesses liefert lediglich eine Abweichung des DMS-Grundwiderstandes von maximal 0.15 %. Diese Änderung resultiert aus der thermischen Belastung während des LPBF-Prozesses sowie einer plastischen Verformung des Messelementrägers und ist umso größer, je näher der DMS der belichteten Fläche ist. Dies wirkt sich aufgrund der gewählten Geometrie des Verformungskörpers und der Positionierung des DMS, die eine Temperatur von maximal 145 ◦C ausgesetzt sind, jedoch nicht negativ auf die Linearität und Empfindlichkeit des LPBF-gefertigten Kraftsensors aus.

Nichtsdestotrotz ist eine starke Verformung des Messelementträgers mit einer Auslenkung von 0.5 mm in Höhenrichtung aufgrund auftretender großer Temperaturgradienten während des LPBF-Prozesses in Kombination mit der gewählten Geometrie des Verformungskörpers vorhanden. Der Beginn dieser Verformung des Messelementträgers ist bei Messungen des DMS-Widerstands während des LPBF-Prozesses ersichtlich und zeigt, dass zum Zeitpunkt der stoffschlüssigen Verbindung des Messelementträgers mit dem LPBF-gefertigten Bauteil eine Zugspannung wirkt und es somit zur Verformung des Messelementträgers kommt. Diese Verformung wird jedoch durch Anpassung der Geometrie hinsichtlich der Höhe der Materialanbindung sowie einiger Prozessparameter, wie beispielsweise die Belichtungsstrategie und Belichtungszeit, um bis zu 67 % reduziert.

Darauf aufbauend wird mit den optimierten Prozessparametern eine Geometrie für eine vollständige Verkapselung der DMS entwickelt, die mit konventionellen subtraktiven oder umformenden Verfahren nicht fertigbar ist. Durch die Verkapselung nimmt die von den DMS erfahrene Temperatur zu, die in diesem Fall bei maximal 230 ◦C liegt. Dabei zeigt sich, dass die DMS auch diesen Temperaturen standhalten und ihre Kennwerte beibehalten. Die anschließende Charakterisierung des LPBF-gefertigten Kraftsensors mit vollständig verkapselten DMS zeigt einen Linearitätsfehler von ±0.1 % sowie einen Hysteresefehler von ±0.2 %, die in sehr guter Übereinstimmung mit den restlichen in dieser Arbeit aufgebauten Kraftsensoren sind. Darüberhinaus bietet die Geometrie Möglichkeiten zur Realsierung eines Überlastschutzes sowie die Anpassung des Messbereichs.

Im letzten Teil der Arbeit werden zur Gewährleistung einer zweiseitigen Einbindung des Messelementes LPBF-gefertigte Gewinde untersucht. Aufgrund der Eigenschaft der hohen Oberflächenrauheit von LPBFgefertigten Bauteilen, sind bisher keine nutzbaren Gewinde mittels LPBF herstellbar, sodass sogar Schrauben beim Anziehen abbrechen. Dazu werden in dieser Arbeit der Flankenwinkel und die Clearence von Gewinden der Größen M3 bis M8 so angepasst, dass sich nutzbare Gewinde mittels LPBF herstellen lassen. Hierfür wird ein vorhandener Drehmomentmessstand genutzt, um Schrauben definiert in die LPBF-gefertigten Gewinde einzubringen. Die Ergebnisse zeigen, dass LPBF-gefertigte Gewinde mit einer zusätzlichen Clearence von 60 μm für Flankenwinkel von 80◦ bis 100◦ kein nennenswertes Drehmoment beim Anziehen der Schrauben benötigen. Die Möglichkeit Gewinde direkt bei der Fertigung des Bauteils im LPBF-Verfahren mitzudrucken, erspart nachträgliche Bearbeitungsschritte und reduziert damit die Fertigungszeit sowie Produktionskosten eines LPBF-gefertigten Bauteils.

Insgesamt bestätigt die Arbeit, dass eine definierte Integration von DMS-Messelementen in LPBF-gefertigte Bauteile mit Hilfe des vorgestellten disruptiven Ansatz reproduzierbar möglich ist. Die mit LPBF gefertigten Kraftsensoren entsprechen in ihren Kennwerten denen konventionell gefertigter Kraftsensoren. Sie bilden daher einen Lösungsansatz für die Entwicklung von strukturintegrierten Kraftsensoren. Zusätzlich weisen diese neuartigen Kraftsensoren ein hohes Potential für individuelle Adaption in Konstruktionsbauteile auf.