Cyber-Physical Sensor Systems

Multisensorsysteme: Lab-on-a-Chip

Die Überwachung von Prozessen und Maschinen in der Produktionstechnik basiert heute auf einer Erfassung von physikalischen Kenngrößen wie z. B. der Kraft, der Beschleunigung oder der Temperatur im Bearbeitungsprozess. Die Überwachung oder sogar Regelung von Hilfsstoffen erfolgt kaum. Die Verlängerung der Lebensdauer und das Einhalten der geforderten Eigenschaften von Kühlschmierstoffen, Elektrolyten und Dielektrika kann aber nur durch eine ständige und intensive Kontrolle realisiert werden. Dies soll im Folgenden an der Integration von chemischen Sensoren bei Kühlschmierstoffemulsionen diskutiert werden. Stand der Technik ist, dass regelmäßig die Schmierstoffkonzentration, der pH-Wert sowie die Konzentration einzelner Inhaltsstoffe ermittelt werden. Dies geschieht in Abhängigkeit von der Nutzung in relativ großen Zeitabständen. Abhängig vom Prüfergebnis werden Korrekturmaßnahmen bis hin zum Austausch des gesamten Mediums vorgenommen. Eine Aufbereitung vor Ort ist lediglich bei Großanlagen Stand der Technik und beinhaltet nur vergleichsweise einfache Maßnahmen wie mechanische Filterung, Einstellung des pH-Wertes oder Zugabe von Bakteriziden. Die Ermittlung von Bakterienkonzentrationen oder chemischen Kenngrößen erfolgt in externen Laboren. Eigenständige Produktionsmaschinen und Bearbeitungszentren verfügen in der Regel weder über eine effektive Überwachung noch über eine Aufbereitung der Kühlschmierstoffe. Die Integration von chemischen Sensoren in die Kühlschmierstoffanlagen kann hier helfen, schnell und gezielt notwendige Anpassungen vorzunehmen. Im Gegensatz zu physikalischen Messgrößen, deren Erfassung über eine direkte oder indirekte Messung realisiert werden kann, ist die Ermittlung von chemischen Kennwerten im Allgemeinen aufwändiger. Die Bestimmung von Messgrößen wie pH-Wert oder elektrische Leitfähigkeit in flüssigen Phasen stellen den Stand der Technik dar, sind aber nicht ausreichend für eine umfassende chemische Analyse zur Beurteilung des Kühlschmierstoffzustands. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit zur Entwicklung von chemischen Sensoren, die in flüssigen oder gasförmigen Phasen im laufenden Fertigungsprozess chemische Kennwerte ermitteln. Ähnlich wie Biosensoren weisen chemische Sensoren eine Rezeptivität für die zu analysierenden Stoffe auf. Die Bindung zwischen Analyt und sensitiver Schicht muss dabei reversibel sein, um eine fortwährende Analyse zu gewährleisten. Die Struktur eines chemischen Sensors ist dabei nicht nur exakt auf einen Analyten ausgerichtet, sondern ermöglicht die Bindung von verschiedenen Analyten. Die chemisch sensitive Schicht besteht aus metallorganischen Verbindungen, welche die geforderten Eigenschaften aufweisen. Über einen Messwandler kann die chemische Messgröße elektrisch erfasst werden. Um eine Charakterisierung des Zustandes von Kühlschmierstoffen und anderen flüssigen oder gasförmigen Betriebsstoffen zu ermöglichen, werden mehrere Einzelsensoren zu einem Sensor-Array, einem sogenannten Lab-on-a-Chip, zusammengefügt (Bild 1). Die Sensitivität für mehrere Analyte erfordert dabei eine intelligente Auswertung der Sensorsignale. Mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken ist es möglich, einen kausalen Zusammenhang zwischen den Sensordaten und spezifischen chemischen Kenngrößen herzustellen. Die Integration von chemischen Sensoren in Werkzeugmaschinen zur Überwachung und Anpassung von Kühlschmierstoffen stellt eine Möglichkeit dar, mit der eine Steigerung der Ressourceneffizienz durch eine längere Nutzungsdauer realisiert werden kann. Darüber hinaus kann durch die kontinuierliche Analyse das Entstehen von toxischen Substanzen frühzeitig durch Zugabe von exakt dosierten Additiven verhindert werden. Die in diesem Kapitel gezeigten Entwicklungen zeigen Ansätze, wie durch interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Naturwissenschaft neue Sensorlösungen für die Produktion erforscht und entwickelt werden können. Den gezeigten Beispielen gemein ist, dass im Hinblick auf einen industriellen Einsatz im Kontext der digitalen Produktion weitere Entwicklungen erfolgen müssen. Dazu zählen die Kostensenkung, die Miniaturisierung bei integrierten Sensoren sowie die Weiterentwicklung der internen Signalverarbeitung.