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K1 - Aufbau- und Verbindungstechnik für ein inhärentes Informationssystem in metallischen Bauteilen

Bauteilinhärente Energieübertragung und optische Signalkopplung

Im Rahmen des Teilprojekts werden Microfasers in die Bauteilrandzone integriert. Die Fasern dienen einer bauteilinhärenten optischen Signalkopplung. Dadurch ist eine Datenkommunikation möglich, die unempflindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen ist und eine hohe Bandbreite anbietet. Weiterhin können die sensorischen Eigenschaften der integrierten Fasern benutzt werden, um ortsaufgelöst physikalische Änderungen, wie Temperaturdifferenzen oder Dehnungen, entlang der Faser zu messen.

Die Fasern werden direkt, oder in einer Nute auf die Oberfläche integriert (Bild 1). Der Kern der eingesetzten Fasern wird in einer Kombination aus einem Extrudier- und einem Ziehverfahren hergestellt. Dabei kann der Kerndurchmesser zwischen 10 und 50 μm variert werden. Für die Verbindung mit Bauteiloberfläche wird ein UV-aushärtender Kleber eingesetzt. Neben der inhärenten Verbindung zur Substratoberfläche dient das Polymer ebenfalls als Mantelmaterial. Somit entsteht eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Faserkern und Mantel, wodurch die optische Signalleitung gewährleistet wird.

Bild 1: Bauteilinhärente Lichtwellenleiter

Für die Applikation des Polymers wird ein Mikrodispensierverfahren eingesetzt (Bild 2). Im ersten Schritt wird die untere Mantellage dispensiert. Danach wird der Faserkern darauf platziert. Anschließend wird die obere Mantellage dispensiert und mit UV-Strahlung ausgehärtet.

Bild 2: Mikrodispensierprozess

Für die Vervollständigung der Kommunikationsstrecke müssen die Lichtwellenleiter mit einem Strahlensender bzw. Empfänger gekoppelt werden. Dafür werden die Stirnflächen mit einem Mikroschleifverfahren bearbeitet.

Die realisierten oberflächen-inhärenten Lichtwellenleiter werden in den sensorischen Schlitten des Teilprojekts N1 integriert und ermöglichen die Kommunikation mit der im Teilprojekt S1 erforschten Mikrosensorik.

Für die automatisierte Integration der Lichtwellenleiter in die Bauteiloberfläche wird ein Portalrobotersystem erforscht. In diesem System werden die notwendigen Arbeitsschritte, wie Positionierung, Mikrodispensieren, Aushärtung und Stirnflächenbearbeitung durchgeführt.

Die Konzeption des Systems erfordert die Berücksichtigung der Fehler und Toleranzbereiche der eingesetzten Prozesse. Darüber hinaus sind die notwendigen Positioniergenauigkeiten für eine effiziente Signalkopplung zu ermitteln. Hierfür werden optische Simulation und experimentelle Versuchsplannung eingesetzt.

Mit dem automatisierten System wird es möglich, in einer einzigen Maschine funktionsfähige und oberflächenintegrierte Lichtwellenleiter herzustellen.
 

Bild 3: Beispiel Bauteilinhärenter Lichtwellenleiter (O. Variante 1, U. Variante 2)