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Graphen-verstärkte Positionssensoren: Universallösung für alle Industrieprobleme

Positionssensoren im Automobilsektor stellen einen fast 4 Mrd. USD starken Markt dar. Graphen-verstärkte Tintenformulierungen, die im Rahmen des Projekts GrapheneSens entwickelt wurden, könnten die Herstellungskosten solcher Produkte schon bald um 45 % senken und zugleich die Lebensdauer erhöhen.
Graphen-verstärkte Positionssensoren: Universallösung für alle Industrieprobleme
Bedeuten die besonders hohen Herstellungskosten von Graphen, dass sich sein potenzieller Nutzen nicht in tatsächliche Vorteile für kommerzielle Anwendungen umsetzen lässt? Vor dem Hintergrund eines Projekts wie GrapheneSens (Development of Graphene based Contact Position Sensors) würden wir das eher verneinen.

Durch die Verwendung von Graphen-basierten Nanokompositbeschichtungen zur Entwicklung neuartiger Positionssensoren ist es dem Projekt sogar gelungen, die drei größten Nachteile gegenwärtiger Lösungen zu überwinden: schlechtes Verschleißverhalten und die dadurch bedingte langfristige Unzuverlässigkeit; begrenzte Genauigkeit aufgrund von Oberflächenrauigkeit und das dadurch bedingte Rauschen; und hohe Kosten aufgrund der Verwendung von Edelmetallen zur Herstellung des Sensorschleifers.

Insgesamt entwickelte das Projekt eine neue Potentiometer-Einheit mit siebgedruckten Widerstandsbahnen, die Graphen-basierte Tinten verwenden; eine Schleiferkopf-Einheit mit einer Kombination aus einem kostengünstigen Substrat und einer Graphen-basierten Beschichtung; sowie einen 48-pulsigen Basisencoder, der insbesondere eine Graphen-basierte Barrierebeschichtung aufweist. Der Automobil- und Motorradmarkt ist bereits anvisiert, und renommierte Marken zeigen schon reges Interesse.

Pufinji Obene, Betriebsleiter bei Precision Varionic International und Koordinator des GrapheneSens-Projekts, bespricht mit uns die Projektergebnisse und wie das Projekt den Markt für Positionssensoren verändern könnte.

Welches Ziel haben Sie bei diesem Projekt verfolgt?

Es wird viel über Graphen an sich und seine Einsatzmöglichkeiten gesprochen, doch tatsächlich verhält es sich so, dass die Verwendung von Graphen in seiner Reinform ausgesprochen kostspielig ist. Das bedeutet, dass bahnbrechende Erfindungen, die ausschließlich Graphen verwenden, meist wohl eher auf die Laborebene beschränkt bleiben.

Wir wissen jedoch auch, dass Graphen unglaubliche Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit sowie Geschmeidigkeit besitzt. Wir waren daher der Ansicht, dass wir ein anwendungsspezifisches System prüfen sollten, bei dem wir aus einer reinen Graphenschicht eine Tintenformulierung herstellen, um dann den Unterschied zwischen dieser Anwendung mit Graphen und derselben Anwendung ohne Graphen zu untersuchen.

Der Schwerpunkt von GrapheneSens lag auf der Verwendung von Graphen für Kontaktsensoren in der Automobilindustrie. Doch unsere Forschungsarbeit kann auch für Positionssensoren jeder anderen Art Anwendungsmöglichkeiten aufzeigen.

Welchen Mehrwert haben Sie sich durch die Verwendung von Graphen für diese Produkte erhofft?

Im Vordergrund stand im Wesentlichen die Robustheit, insbesondere im Hinblick auf Graphen-verstärkte Sensoren für Einsatzbereiche wie Antennen, Gaspedale, Encoder, Motoren oder auch die Robotik.

Ein Gaspedal erfordert beispielsweise langlebige Tinten, die laut Spezifikationen 2 Millionen Zyklen standhalten müssen, und Tests, bei denen das System bis zu 7 Millionen Zyklen durchlaufen muss. Die Frage lautet: Lässt sich die Lebensdauer dieses Produkts durch Graphen erhöhen? Wenn ja, so könnte eine Tintenformulierung, die nur 1-2 % Graphen – also einen äußerst geringen Anteil – enthält, einen enormen finanziellen Unterschied ausmachen.

Wären selbstfahrende Fahrzeuge eine weitere Anwendungsmöglichkeit?

Ja. Autonome Fahrzeuge nutzen zum Schutz von Radarsystemen Radome, die jedoch häufig gefrieren und daher keinen Signalempfang zulassen. Deshalb arbeiten wir mit einem unserer Kunden unter anderem an einem Projekt, um unsere Lösung als Heizelement einzusetzen. Wir beschichten dazu Polyamid mit einer niederviskosen Graphen-Tinte, die eine besonders gute Haftung zum Substrat und hohe Leitfähigkeit bietet und das Radom dadurch mit sehr geringem Leistungsverbrauch beheizen kann.

Die Robustheit haben wir als wesentlichen Vorteil bereits angesprochen. Wie steht es mit den Kosten?

Um wieder auf unsere Kontaktpositionssensoren zu sprechen zu kommen: Ein bahnbrechender Vorteil unseres Graphens ist, dass wir es zur Beschichtung des Schleifers am Potentiometer einsetzen können. Für gewöhnlich werden Schleifer aus hochedlen Metallen wie Paliney hergestellt, das enorm teuer ist. Durch die Verwendung eines günstigeren Materials und die Beschichtung mit unserem Graphen-System erhalten wir einen deutlich günstigeren Schleifer (nämlich fünf- bis zehnmal günstiger), als dies mit Paliney möglich wäre.

Wir können das Graphen sogar sowohl an der Spitze des günstigeren Schleifers als auch für den leitenden Schalter des Potentiometers verwenden. Durch diese Graphen/Graphen-Grenzfläche erreichen wir ein ideales Verhältnis zwischen dem Verschleißverhalten des Schleifers und den elektrischen Eigenschaften der Tinte.

Konnten Sie die Vorteile dieses Systems quantifizieren?

Wir haben einen Vergleich zwischen Produkten mit Graphen und ohne Graphen durchgeführt und dabei enorme Vorteile festgestellt. Wir konnten die Dicke der gedruckten Tinte halbieren, und unser AAID-Verfahren (Aerosol Assisted Ion Deposition) zur Beschichtung des günstigeren Schleifers macht seine Herstellung um 80 % günstiger. Insgesamt konnten wir die Herstellungskosten für Kontaktsensoren um 45 % senken.

Wie sieht es mit Vermarktungsplänen aus?

Hinsichtlich der Schleifer haben wir bereits mit der Herstellung von Prototypen für zwei oder drei Automobilzulieferer begonnen. Zwei von ihnen arbeiten außerdem an der Entwicklung der langlebigen Tinte, doch das ist aufgrund schutzrechtlicher Bestimmungen noch vertraulich.

Manche unserer Kunden haben gerade im Bereich der Schleifer Probleme und benötigen das neue Produkt daher so schnell wie möglich. Die Herausforderung liegt jetzt darin, in die industrielle Produktion überzugehen. Um das zu erreichen, müssen wir ein Projekt im Rahmen von Phase 2 des KMU-Instruments beantragen.

Darüber hinaus ziehen wir neben der Automobilbranche auch weitere Märkte in Betracht und hoffen, alles in allem in den nächsten zwei bis drei Jahren auf dem Markt zu sein.

Würden Sie rückblickend sagen, dass Ihr Projekt ein Paradebeispiel dafür ist, was mit Graphen möglich ist?

Ja, ich finde schon. Was der Markt momentan auf jeden Fall benötigt, sind Graphenanwendungen für den Praxiseinsatz. Ich glaube, dass Graphen in seiner Reinform erst dann für die Gesellschaft von Nutzen sein kann, wenn wir es schaffen, eine einzelne Schicht davon auf eine Leiterplatte aufzutragen. Bis dahin sollten wir Graphen als Verstärkungsmaterial einsetzen und uns auf die Entwicklung praxisorientierter Produkte konzentrieren. Genau das war die Aufgabe von GrapheneSens.

Quelle: Interview im Magazin research*eu Ergebnisse, Ausgabe 70

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