Werkstoffe 31.03.2006, 18:43 Uhr

Kommunizieren mit dem intelligenten Gussteil  

Jetzt schon kann man über einen eingegossenen Chip nicht nur die Bauteil-Identität ablesen, also Fälschungssicherheit gewährleisten, sondern auch Prozessdaten speichern und den Weg des Werkstücks von seiner Herstellung bis zum Recycling dokumentieren.

Gussteile, die intelligent konstruiert und gefertigt sind, gibt es schon lange und sie sind begehrt; jetzt werden sie selbst intelligent: Ob im Bereich Automotive oder im Flugzeugbau, eingegossene Funkchips sorgen künftig für fälschungssichere Bauteile. In Europa werden jährlich Plagiate im Wert von über 90 Mio. € aufgegriffen, die ein Qualitäts- und letztlich ein Sicherheitsrisiko bergen. „RFID ermöglicht nun eine direkte Bauteilerkennung und Bauteilverfolgung“, sagt Prof. Matthias Busse, Leiter des Fachbereichs Formgebung und Funktionswerkstoffe am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Ifam) in Bremen.

Offizielle Premiere hatte die neue RFID-Anwendung auf der Messe Euroguss Anfang März in Nürnberg, die insgesamt 324 Aussteller aus 27 Ländern anzog – was die internationale Bedeutung der Druckgussbranche zeigt. Es kamen 6200 Fachbesucher und nochmal 1200 zum Deutschen Druckgusstag – ein Zeichen für den Hightech-Charakter der Branche. „Die Euroguss ist eine besondere Veranstaltung am Messeplatz Nürnberg“, bringt es Claus Rättich von der Geschäftsleitung NürnbergMesse auf den Punkt. „Die Branche zeigt, wie vermeintlich spröde Themen glänzend präsentiert werden können.“

Auch Prof. Busse, am Bremer Ifam verantwortlich für den Bereich Formgebung und Funktionswerkstoffe, weiß, wie er seinen Forschungsgegenstand vorstellen muss. Er spricht von „Smart Products“, intelligenten Bauteilen, die viele Funktionen miteinander vereinen. Dies sind zum einen die strukturellen Bauteileigenschaften, wie Maßhaltigkeit oder Festigkeit und zum anderen funktionale Fähigkeiten, wie Sensorik und Telemetrie.

Dabei richtet man sich nach dem Vorbild der Natur. Die habe leistungsfähige Strukturen entwickelt, die sich an veränderte Bedingungen anpassen können, „weil sie mit sensorischen und aktorischen Funktionselementen sowie mit Signalleitungen und einer signalverarbeitenden Einheit ausgerüstet sind“, so Busse.

Eine Möglichkeit, sich technisch dem Vorbild der Natur anzunähern, ist die Kombination von Gussteilen mit sensorischen, aktorischen und weiteren elektronischen Komponenten. Dazu gehört das Fraunhofer-Projekt InGuss, bei dem neben dem Ifam noch die Fraunhofer-Institute LBF in Darmstadt und IIS in Erlangen mitarbeiten.

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden Datenübertragungseinheiten wie Transponder oder RFID“s in einem nachträglichen Arbeitsgang auf der Oberfläche des Teils appliziert. Diese zusätzlichen Fertigungsschritte bedeuten zunächst einen erhöhten Arbeitsaufwand und reduzieren somit die Wertschöpfung. Einen weiteren Nachteil sieht Prof. Busse in der Gefahr von Umwelteinflüssen und Fehlern durch eine schlechte Kontaktierung oder weiterer Applikationshilfsmittel.

Bei der Ifam-Entwicklung jedoch wird der RFID-Tag vor dem Gießen in der Druckgussform platziert und mit Aluminium, Magnesium oder Zink in einem Arbeitsgang umgossen. Bei Al-Legierungen treten dabei Temperaturen von bis zu 750 °C auf die elektronischen Komponenten sind aber in der Regel für maximal 250 °C bis 300 °C ausgelegt. „Deren Zerstörung zu vermeiden, das ist das Kunststück“, meint Dipl.-Ing. Franz-Josef Wöstmann, Leiter der Abteilung Gießereitechnik am Ifam. Deshalb sorgt man für eine beschleunigte Temperaturabführung von der Stelle des Werkzeugs, wo der RFID-Chip innen eingegossen wird. Direkt nach dem Gießen kann man den Chip auslesen.

Bei dem beispielsweise verwendeten, handelsüblichen Tag 700 von AEG ID wird bei der Energieübertragung eine Frequenz von 125 kHz benutzt. Der Transponder sendet bei 62,5 kHz. Niedrige Frequenzen sind wichtig, weil weniger starke Wirbelströme und geringere parasitäre Kapazitäten erzeugt werden und eine geringere Störung der Übertragung auftritt. Denn der Einsatz der RFID-Technologie an leitenden Oberflächen ist generell eine große technologische Herausforderung.

Die Transponder werden mit Hilfe eines magnetischen oder elektromagnetischen Feldes angesprochen und bei passiven Tags auch mit Energie versorgt. Dieses Feld induziert aber in leitenden Oberflächen Wirbelströme (Eddy-Currents). Sie erzeugen ihr eigenes Magnetfeld, das senkrecht zur Oberfläche steht und dem ursprünglichen Feld der Lesestation entgegen wirkt. Das Metall verschlechtert daher die Abstimmung zwischen Reader und Tag-Antenne durch zusätzliche parasitäre Kapazitäten. Weiterhin kann das vom Metall reflektierte Signal das Auslesen anderer Tags stören.

Die vom Ifam auf der Euroguss vorgestellte Technik sorgt z. B. für die Produktverfolgung über den Fertigungsprozess. Dem einzelnen Bauteil können durch Kombination mit einer Datenbank alle Fertigungsschritte und Parameter zugeordnet und jederzeit wieder abgerufen werden. Das Erzeugnis erhält also über die Identifikation mit dem RFID einen lückenlosen Lebenslauf, den man bei Bedarf z. B. einer Reklamierung oder einem Schadensfall aufrufen und kontrollieren kann.

Bei den Forschungen am Ifam werden aauch piezokeramische Werkstoffe eingegossen. Solche Systeme lassen sich z.B. auch zur Datenerfassung während des Betriebs einsetzen. Piezokeramik könnte dann z. B. Kräfte im Motor aufnehmen, die man über RFID abliest – eine Direktübertragung aus dem Motor, für Ingeniere viel interessanter als eine Simulation. IFAM/KÄM

RFID-Speicher wird Reisepass des Produkts

 

Ein Beitrag von:

  • Siegfried Kämpfer

    Ressortleiter Produktion VDI nachrichten. Fachthemen: Produktionstechnik, Maschinenbau, Fabrikautomatisierung.

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