Forscher der Virginia Tech haben ein 3D-Druckverfahren für drahtlose Dehnungssensoren mit eigener Stromversorgung aus dem Werkstoff Graphen entwickelt. Die 3D-gedruckten Sensoren sollen Daten von Reifen übertragen und dabei helfen, autonome Entscheidungen bezüglich Reifenzustand, Temperatur, Druck, Griffigkeit und Verschleiß zu ermöglichen. Die Grundlage für den intelligenten Reifen der Zukunft.

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Ein Team von Forschern hat an der Virginia Tech drahtlose, mit einem 3D-Drucker hergestellt, Dehnungssensoren mit eigener Stromversorgung aus Graphen in Reifen integriert. Im Fachjournal Nature veröffentlichten sie ihre Arbeit mit dem Titel „3D printed graphene-based self-powered strain sensors for smart tires in autonomous vehicles“ an der Mitarbeiter des Zentrums für Reifenforschung (CenTiRe), der Abteilung für Maschinenbau der Virginia Tech und der Abteilung für Materialwissenschaften und Maschinenbau an der Penn State beteiligt waren. Darin beschrieben sie die Entwicklung und kostengünstige Integration von piezoresistiven Sensoren auf Graphenbasis, die Reifendaten drahtlos messen und sicher übertragen. Die energieeffizienten Sensoren gewinnen Dehnungsenergie vom Reifen selbst, um drahtlos Daten zu übertragen. Ein ähnlich interessantes Projekt mit intelligenten Sensoren stammt vom finnischen Unternehmen VTT. Dort wurden intelligente Metallteile mithilfe von integrierten Sensoren entwickelt.

3D-Druck der Sensoren

Grafische Darstellung, was diese Sensoren bringen
Die 3D-gedruckten Sensoren sind der nächste Schritt zu intelligenten Reifen (Bild © Virginia Tech und das Fachjournal Nature).

Für den 3D-Druck dieser Sensoren wird eine Tinte auf Graphenbasis mit einer faltigen Mikrostruktur hergestellt. Die hoch flexiblen Falten verhindern, dass der Sensor aufgrund wiederholter oder großer Verformungen des Reifens beschädigt werden oder ausfallen. Im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren sind Graphensensoren empfindlicher und liefern eine höhere Leistung. Die 3D-Druck-Methode der Forscher führt zu Kosten von 2,7 Cent pro 3D-gedrucktem Dehnungssensor.

Dabei setzt das Verfahren auf ein Aerosol mit Silbernanopartikeln für einen optimierten 3D-Druck-Prozess. Graphenoxidschichten werden chemisch reduziert, um reduziertes Graphenoxid mit erhöhter Leitfähigkeit zu erhalten. Diese Sensoren lassen sich auf verschiedene Substrate drucken. Die Anwendungsbereiche gehen über Reifenmaterialien hinaus. Bisher waren Sensoren auf externe Stromquellen angewiesen, die in der Regel starr sind und deren Entwicklung und Integration mehrere Schritte umfasst, was das Ganze komplexer und teurer macht.

Die Zukunft gehört intelligenten Reifen

Experten des finnischen Reifenherstellers Nokian Tyres gehen davon aus, dass intelligente Reifen innerhalb von fünf Jahren alltäglich sein werden. Autonomes Fahren sei in Zukunft stärker verbreitet, weshalb aufgrund der notwendigen Sicherheitsanforderungen intelligente Reifen wichtig wären. Ohne Fahrer müssen Reifenzustand und Sicherheit anders gemessen werden. Sensoren und verbundene Technologien sollen dazu die Informationen direkt an Bord- oder Remote-Systeme weiterleiten.

Mit diesen Daten werden autonome Entscheidungen bezüglich Reifenzustand, Temperatur, Druck, Griffigkeit und Verschleiß sowie Austausch getroffen. Vernetzte Servicemodelle werden eine stärker automatisierte vorbeugende Wartung wie z. B. Reifenersatzdienste erfahren, bei denen Sensoren die Bordsysteme über die Notwendigkeit eines Austauschs informieren.

Grafische Darstellung Funktionsweise der Sensoren
Mit den Daten der Sensoren werden autonome Entscheidungen bezüglich Reifenzustand, Temperatur, Druck, Griffigkeit und Verschleiß sowie Austausch getroffen (Bild © Virginia Tech und das Fachjournal Nature).

Eine derartige Sensortechnologie in herkömmliche Reifen zu integrieren wäre auch bei aktuellen Fahrzeugmodellen möglich. Das könnte die Anzahl der Verkehrsunfälle aufgrund von Reifenproblemen verringern.

Video: 3D-Druck von piezoelektrischen Sensoren

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