Deutsche Forscher an der Hochschule Kaiserslautern haben den 3D-Druck untersucht, in wie weit sich damit Mini-Beschleunigungssensoren rentabel und auch in kleineren Stückzahlen herstellen lassen. Beschleunigungssensoren sind oft nicht dicker als ein Haar. Letztendlich gelang es ihnen, eine technisch umsetzbare 3D-Druck-Lösung für die Herstellung der Sensoren zu finden.

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Winzige Beschleunigungssensoren sind dafür verantwortlich, wenn ein Airbag ausgelöst wird oder dass sich der Handy-Bildschirm dreht. Das erklärt Prof. Dr. Stefan Braun, Experte für miniaturisierte mechanische Systeme vom Fachbereich Informatik und Mikrosystemtechnik der Hochschule Kaiserslautern, in einer Pressemitteilung der Hochschule Kaiserslautern. Winzige Beschleunigungssensoren sorgen für Sicherheit im Auto und für den Komfort, bei Tablet, Smartphone und Co. zwischen Porträt- und Landscape-Ansicht wechseln zu können. Diese Sensoren, sogenannte Mikro-Elektro-Mechanische System (MEMS), sind kaum bekannt, obwohl sie häufig in unserem Alltag vorkommen.

Rentable Produktion auch in kleinen Größen

Bei Geräten wie dem Smartphone, wenn diese Sensoren zum Beispiel Drehbewegungen und Beschleunigungen wahrnehmen, ist es vielmehr als eine „nette Spielerei“ anzusehen. In Bereichen wie dem Flugzeug oder Windkraftanlagen sind solche Beschleunigungssensoren hingegen zwingend notwendig. Diese Beschleunigungssensoren bestehen aus elektrischen Kondensatoren und einem kleinen Gewicht aus Silizium, das an dünnen Federn aus Silizium hängt.

Größenvergleich Beschleunigungssensor mit 2 Cent Münze
Größenvergleich 2 Cent Münze und Beschleunigungssensor (Bild © Simone Pagliano).

Das Gewicht und die Federn sind winzig. Sie sind gerade einmal so „dick“ wie ein menschliches Haar. Wirken Drehbewegungen und Beschleunigungen auf sie ein, dann bewegt sich das Gewicht an den Federn und die Kapazität in den Kondensatoren verändert sich. Diese Kapazität wird gemessen und zur Regelung genutzt. Werden sehr viele solcher Mini-Sensoren hergestellt, dann rentiert sich die Einrichtung einer teuren Infrastruktur, die dafür benötigt wird. Das gelingt jedoch nur, wenn viele Sensoren hergestellt werden und diese alle identisch sind. Oftmals werden auch spezialisierte MEMS-Bauteile in kleinen und mittleren Stückzahlen benötigt. Diese mit dem üblichen Verfahren herzustellen ist jedoch äußerst unrentabel. Der 3D-Druck soll eine kostengünstige Lösung darstellen.

Zwei-Photonen-Polymerisation als 3D-Druck-Lösung

Gemeinsam mit Kollegen aus Zweibrücken und mit Forschern der Königlichen Technischen Hochschule KTH Stockholm hat Braun an einer Lösung gearbeitet. Ziel war es, den Ansatz „3D Druck von Sensoren“ prinzipiell auf Machbarkeit zu prüfen, was auch gelang. Die Forscher arbeiteten mit einem speziellen 3D-Druckverfahren, das auf der Zwei-Photonen-Polymerisation basiert. Damit lassen sich nur wenige hundert Nanometer kleine Objekte anfertigen. Prototypen der Beschleunigungssensoren wurden nach anschließender Metallbeschichtung in gleicher Größenordnung wie „konventionelle“ MEMS-Beschleunigungssensoren hergestellt.

Mit einem Proof-of-Concept zeigte sich, dass die Methode für Prototyping und Herstellung von MEMS-Bauteilen in Kleinserien technisch umsetzbar ist. Braun erklärt, das der Anteil seines Teams im Design und der Simulation des Prototypen lag.

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