Fertigungsqualität Inkjet-gedruckter metallischer Messgitter

Rehberger, Matthias; Schröder, Kai-Uwe; Schleifenbaum, Johannes Henrich

doi:10.18154/RWTH-2024-09430

Fertigungsqualität Inkjet-gedruckter metallischer Messgitter = Manufacturing quality of inkjet-printed metallic measuring grids

Rehberger, Matthias^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeMatthias Rehberger

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-230-6

ReiheErgebnisse aus der Additiven Fertigung

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druchausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schleifenbaum, Johannes Henrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09430
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/994624/files/994624.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Digitale Additive Produktion (421510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Additive Fertigungsverfahren haben sich im produzierenden Gewerbe innerhalb der letzten Jahre erfolgreich etabliert. Die Stärken liegen in der individuellen Produktion kleiner Stückzahlen bis Losgröße 1, erweiterten konstruktiven und gestalterischen Möglichkeiten, sowie einer werkzeuglosen Fertigung auf Basis digitaler Daten. Entscheidend für den wirtschaftlichen Erfolg ist neben den Kosten auch immer die erzielbare Fertigungsqualität. Bei der Herstellung Inkjet-gedruckter metallischer Messgitter, wie diese z.B. in Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Einsatz kommen, unterliegen die erzielbaren elektrischen Eigenschaften einer großen Streuung und damit einer unzureichenden Fertigungsqualität. Nach aktuellem Stand von Wissenschaft und Technik liegt die Streuung elektrischer Kenngrößen Inkjet-gedruckter Messgitter meist im zweistelligen Prozentbereich. Die untersuchten Messgitter können die Anforderungen an typische Messaufgaben nur unzureichend erfüllen. Angepasste Messgitterkonfigurationen mit unterschiedlichen Leiterorientierungen, wie sie in DMS-Rosetten und DMS-Vollbrücken angewendet werden, sind für eine additive Herstellung mittels Inkjet unzureichend oder gar nicht systematisch untersucht. Die Zielsetzung dieser Arbeit besteht daher in der Entwicklung eines angepassten Inkjet-Druck-Verfahrens, um unter Berücksichtigung der Messgitterorientierung die Fertigungsqualität von DMS-Messgittern zu steigern. Zur Zielerreichung und Entwicklung neuer Lösungsstrategien wird Wissen über Transportmechanismen in flüssigen Schichten, sowie der Einfluss der Druckrichtung auf die Schichtmorphologie von DMS-Messgittern genutzt. Diese Lösungsstrategien sind ohne Modifikation der eingesetzten Systemtechnik oder Werkstoffe umsetzbar und basieren auf digitaler Datenaufbereitung der zu druckenden Bildinformationen. Die entwickelten Methoden beruhen auf 1) einem Mehrlagendruck zur Unterdrückung von Materialtransport in flüssigen Schichten, 2) Rotationsgittern für die verlustfreie Bildtransformation von Druckvorlagen und 3) hexagonalen Gittern zur Erweiterung der Freiheitsgrade bei der Auslegung von Messgittern durch eine Erhöhung der rotatorischen Symmetrieachsen. Für DMS-Vollbrücken mit zwei Messgitter-Orientierungen wird eine Reduktion der elektrischen Brückenverstimmung von 32,37 % auf 1,04 % gezeigt und Dickenschwankungen in getrockneten Schichten werden reduziert. Anhand von DMS-Rosetten wird erstmals der Inkjet-Druck unter Berücksichtigung von drei Messgitter-Orientierungen gezeigt und ein Benchmark aufgestellt. Dieser beträgt 9,37 % für Delta-Rosetten und 1,50 % für Rechtwinkel-Rosetten. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden zur Qualitätssteigerung können zukünftig vielfältige technologische Verbesserungen in der additiven Fertigung sensorischer Messgitter und leitfähiger Strukturen ermöglichen. Der datengestützte methodische Ansatz verspricht eine einfache Integration in bestehende und neue digitale Prozessketten mit kurzen Innovationszyklen. Bei einer erfolgreichen Weiterentwicklung wird ein enormes wirtschaftliches Potential erwartet.

Additive manufacturing processes have successfully established themselves in the manufacturing industry in recent years. The strengths are in the individual production of small quantities up to batch size 1, expanded constructional and design possibilities, as well as tool-free production based on digital data. In addition to the costs, the achievable production quality is always decisive for economic success. In the production of inkjet-printed metallic measuring grids, such as those used in strain gauges, the achievable electrical properties are subject to a large variation and thus to insufficient manufacturing quality. According to the current state of science and technology, the variation of electrical properties of inkjet-printed measuring grids is usually in the tens of percent range. The investigated measuring grids can only insufficiently fulfil the requirements of typical measuring tasks. Adapted measuring grid configurations with different conductor orientations, as used in strain gage rosettes and full-bridge strain gages, are either insufficiently or not at all systematically investigated for additive manufacturing by inkjet. The objective of this work is therefore to develop an adapted inkjet printing process to increase the manufacturing quality of strain gage grids while taking the grating orientation into account. Knowledge about transport mechanisms in liquid layers as well as the influence of the printing direction on the layer morphology of strain gauge measuring grids is used to achieve the objective and to develop new solution strategies. These solution strategies can be implemented without modification of the system technology or materials used and are based on digital data preparation of the image information to be printed. The methods developed are based on 1) multi-layer printing to suppress material transport in liquid layers, 2) rotational grids for loss-free image transformation of print patterns and 3) hexagonal grids to increase the degrees of freedom in the design of measurement grids by increasing the rotational symmetry axes. For full-bridge strain gages with two measurement grid orientations, a reduction of the electrical bridge detuning from 32.37 % to 1.04 % is shown and thickness variations in dried layers are reduced. Based on rosette strain gages, inkjet printing with three measuring grid orientations is shown for the first time and a benchmark is established. This is 9.37 % for delta rosettes and 1.50 % for rectangular rosettes. The quality enhancement methods developed in this work can enable a wide range of technological improvements in the additive manufacturing of sensory measurement gratings and conductive structures in the future. The data-based methodological approach promises easy integration into existing and new digital process chains with short innovation cycles. Enormous economic potential is expected if further development is successful.

OpenAccess:
PDF
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