Die Silikonkraftsensoren können lokale Druckstellen erkennen und zur Richtungssteuerung in Prothesen verwendet werden. Sie passen sich der Form des Körpers an, sind robust und leicht integrierbar. 
Bilder: alle Sateco

Die Silikonkraftsensoren können lokale Druckstellen erkennen und zur Richtungssteuerung in Prothesen verwendet werden. Sie passen sich der Form des Körpers an, sind robust und leicht integrierbar.
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Die menschliche Haut verfügt für die Sensierung von Berührung und Kräften über ein außerordentlich feines und komplexes Sensorsystem, welches dem Menschen ein intuitives und genaues Arbeiten ermöglicht. Das Material Silikon kommt den mechanischen Eigenschaften der Haut sehr nahe. Durch eine geeignete Auslegung der Form und der Leitfähigkeit des Materials kann das Silikon als mechanischer Messaufnehmer für Kräfte und Drücke verwendet werden. Der Silikonsensor SXTSC1 zum Beispiel besteht aus drei elastischen, gegeneinander gelagerten leitfähigen Schichten, die als Messkapazität wirken und durch eine Elektronik für kapazitive Sensoren ausgewertet werden können.
Beim Druck- oder Kraftbeaufschlagen des Silikonsensors werden die leitfähigen Schichten definiert zueinander bewegt, wodurch sich die Distanz zwischen den Schichten verkleinert. Dies bewirkt schließlich ein Erhöhen der elektrischen Kapazität des Silikonsensors, welche durch die Elektronik gemessen werden kann. Indem die Messelektronik zum Beispiel als Wechselstrom-Spannungsteiler ausgelegt wird, kann diese das Sensorsignal selbst bei hochohmigem Elastomermaterial genau auswerten.

Für den Dauereinsatz geeignet

Der kapazitiver Sensor kann dreidimensional gestaltet werden und ermöglicht eine hohe
Flexibilität in Kraftrichtung.  
Bild: Sateco

Der kapazitiver Sensor kann dreidimensional gestaltet werden und ermöglicht eine hohe
Flexibilität in Kraftrichtung.
Bild: Sateco

Dank der guten elastischen Eigenschaften des Silikons kann eine Belastung über eine Million Mal wiederholt werden. Es wurden Dauerläufe mit mehr als 500.000 Lastzyklen sowohl bei Raumtemperatur wie auch bei -40 und +85°C durchgeführt, jeweils auch in Kombination mit hoher relativer Feuchte von bis zu 90 %. Grundsätzlich behält der Werkstoff seine elastische Eigenschaft über einen sehr großen Temperaturbereich von typischerweise -40 bis +200 °C bei und eignet sich deshalb auch für den Einsatz unter anspruchsvollen Umweltbedingungen. Je nach Umweltbedingungen wird eine Alterung in Form eines Drifts beobachtet, welche jedoch durch beispielsweise einen Referenzsensor mittels oben beschriebener Messelektronik kompensiert werden kann.
Über den Referenzsensor können außerdem Umwelteinflüsse während der Messung ausgeglichen werden, indem dieser den gleichen Bedingungen wie der Messsensor ausgesetzt wird, jedoch die mechanische Belastung nicht erfährt.
Werden mehrere Sensoren gleichzeitig verwendet, so kann eine örtliche Auflösung ermöglicht werden um zum Beispiel die Richtung der Kraft zu bestimmen.

Bewährte Herstellprozesse

Als Basismaterial für den Silikonsensor wird elektrisch leitfähiges Festsilikon mit einer Härte von 60 Shore A verwendet. Die Leitfähigkeit wird durch Beimischung von kohlenstoffbasierten Partikeln erzielt. Die Festsilikonmischung weist im vernetzten Zustand eine Leitfähigkeit von mehr als 0,10 S/cm auf und ist kommerziell in großen Mengen erhältlich. Die Formgebung des Sensors erfolgt mittels eines Kompressionswerkzeugs unter hohem Druck und Temperatur. Der Kompres-sionsprozess ermöglicht das Verarbeiten von hochgefülltem, sehr viskosem Silikonmaterial und eine dreidimensionale Formgebung in einem Schritt.
Im Formgebungsprozess werden gleichzeitig die Federelemente zum Lagern der einzelnen Sensorschichten und die allgemeine Gestalt des fertigen Sensors hergestellt. Nach Entnahme des vernetzten Silikonteils aus dem Werkzeug wird das Bauteil durch Falten und Ineinanderlegen in die dreilagige Konfiguration gebracht. Die spezielle dreidimensionale Geometrie besteht aus kleinen Membranen, welche als Rückstellelemente dienen. Sie halten dabei die Lagen in Position und stellen die elastische Lagerung dar, die zum Erzeugen des kraftabhängigen kapazitiven Sensorsignals benötigt wird. Die elektrische Verbindung des Sensors kann über einen Steckverbinder erfolgen, welcher durch crimpen mit dem leitfähigen Silikon verbunden wird.
Der Kompressionsprozess ermöglicht im Gegensatz beispielsweise zu Druckverfahren das Herstellen von echten dreidimensionalen Freiformflächen und damit die naturnahe und ergonomische Umsetzung des Sensors. Daraus ergeben sich neue Freiheiten im Design von Produkten. Form und Größe des Sensors können auf die Anwendung hin angepasst werden. Die meiste Erfahrung ist derzeit mit Sensoren im Dimensionsbereich von 10 bis 20 mm Länge vorhanden, welche Kräfte von mehreren 10 N mit einer Genauigkeit weit unter 1 N bestimmen können.

Das Starter-Kit besteht aus vier Sensoren, einer speziellen Auswerteelektronik und einer grafischen Benutzerschnittstelle.
Bild: Sateco

Das Starter-Kit besteht aus vier Sensoren, einer speziellen Auswerteelektronik und einer grafischen Benutzerschnittstelle.
Bild: Sateco

Welche Anwendungen möglich sind

Der Silikonsensor zeichnet sich durch eine hohe elastische Verformbarkeit in Richtung der Kraft- beziehungsweise Druckbeaufschlagung aus. Damit kann er gut in weiche Materialien, wie Textilien oder Schaumstoffen, und effizient in Systeme integriert werden, welche eine hohe Kompensation von Fertigungstoleranzen fordern. Neben dem Ausgleich von Einbautoleranzen kann er gleichzeitig eine gewisse Vorspannung des Systems sicherstellen. Damit wird die Montage besonders in gekrümmten und komplexen Aufbauten stark vereinfacht.
Der Silikonsensor eignet sich so zum Beispiel für den Einsatz in automatisierten Prozessen. Als Kraftsensor an Greifsystemen verursacht die Silikonkomponente nur sehr geringes Zusatzgewicht, wodurch Prozesse präziser werden und beschleunigt werden können. Insbesondere bei mobilen Robotern und tragbaren Exoskeletten kommt das geringe Gewicht besonders zum Tragen. Kraftsensoren an Greifern können das automatische Erkennen von Gegenständen unterstützen.
So haben Studien gezeigt, dass Roboter, welche ihnen unbekannte Gegenstände erkennen sollen, für deren Identifikation neben der Bilderkennung auch „taktile“ Merkmale wie die Steifigkeit der Gegenstände benötigen. Zum Bestimmen der Steifigkeit ist ein weicher, verformbarer Sensor von großem Vorteil. Kraftsensoren in Füßen von Robotern und Exoskeletten helfen beim Halten des Gleichgewichtes. In der Medizintechnik stößt der Sensor auf Interesse beim Steuern von Prothesen und Messen von Druckstellen in Fußsohlen und Druckverbänden.
Im Automobilbau bestehen bereits Machbarkeitsprojekte für Bedienelemente im Lenkrad. Durch das Einbringen von mehreren Sensoren im zentralen Bereich des Lenkrads können mit denselben Bauelementen kraftgesteuerte Hupfunktionen und Gestiksteuerung umgesetzt werden. Durch seine hohe Flexibilität in alle Richtungen kann der Sensor Toleranzen in der Montage und der Belederung effizient ausgleichen und eine gute mechanische Kopplung an die Bedienoberfläche sicherstellen.

Soweit ist die Entwicklung

Die Sateco Gruppe hat die Industrialisierung des Silikonkraftsensors SXTSC1 vorangetrieben und arbeitet mit mehreren Industriegüter- und Automobilherstellern an dessen Integration in mechanische Systeme. Zu diesem Zweck sind Muster einer Standardversion verfügbar, inklusive Auswerteelektronik und Software zum Visualisieren der Messdaten.
Es besteht im Weiteren ein fundiertes Wissen und Erfahrung in der Verwendung von Silikon für Sensoren basierend auf resistiven und induktiven Messprinzipien. Dies ermöglicht die gesamtheitliche Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und elektronischen Schnittstelle über den kapazitiven Silikonsensor hinaus.

 

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