Pilot study for 3D/2D printer-manufactured foil sensors for magnetic induction tests

Abstract

Um die Eigenschaften von weichmagnetischen Materialien (z. B. in Transformatorkernen oder Generatoren) zu verbessern, werden weltweit intensive Forschungen betrieben. Die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen werden durch die relativen Abmessungen der Messanordnung beeinflusst. Die vorliegende Arbeit dient als Pilotstudie für ein größeres Projekt, welches die vollautomatische Herstellung von Dünnschichtsensoren ermöglichen soll. Diese Sensoren sollen unterschiedliche physikalische Größen wie: Induktion, Temperatur oder Verformung detektieren. Die Idee hierbei ist, diese Sensoren auf einem dünnen Substratmaterial zu drucken und diese im inneren eines Transformatorkerns zu platzieren. Diese Arbeit beschreibt die Methodik der Sensorproduktion anhand einer Induktionsspule, welche den einfachsten Sensortyp darstellt. Für die Realisierung dieser Arbeit wird ein kombiniertes 3D-/2D-Druckverfahren angewendet. 3D-Druck ist ein schnell wachsender Markt für die Prototypherstellung. Seit dem 3D-Drucker für den Endkunden preislich erschwinglich sind, ergeben sich eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Herstellung von Dünnschichtsensoren für die transversale magnetische Flussdichtemessung in Transformatorkernen. Kommerziell erhältliche Hall-Sensoren zur Flussdichtemessung haben eine Mindestdicke von 500 µm. Mit unserem neuen Herstellungsverfahren sind Sensordicken unter 50 µm möglich. Dieses neue Verfahren bietet neue Möglichkeiten für die Messung von Flussdichten und Streuflüssen in weichmagnetischen Kernen. Für die Sensorproduktion wurde ein kommerziell erhältlicher 3D-Drucker verwendet. Dieser 3D-Drucker wurde mit einem selbst entwickelten Mikrodosiersystem erweitert. Für die Kontrolle des Systems wurde eigene Hard- und Software entwickelt. Die Mikrodosierung übernimmt ein hochpräziser Linearmotor. Für die leitfähigen Strukturen wurde eine silberhältige Tinte verwendet. Um die für unsere Zwecke am besten geeignetsten Materialien zu finden, wurden unterschiedliche Tests durchgeführt. Es wurden auch leitfähige, druckbare Materialien entwickelt und hergestellt. Für die Messungen wurde ein Sensor mit vier Induktionsspulen mit dem neuen System hergestellt. Die Messungen wurden in einem dreiphasen Modelltransformator - welcher aus kornorientierten Blechen geschichtet ist, ausgeführt. Der produzierte Sensor hat sich in der rauen Testumgebung bewährt und liefert reproduzierbare Ergebnisse. Nichtsdestotrotz führt eine Sensordicke von 50 µm zu einer Beeinflussung der Messergebnisse. Ein Modell wurde entwickelt um diese Abweichungen über ein approximatives Extrapolationsverfahren zu berechnen.

The improvement of the properties of soft magnetic cores (e.g. cores of transformers or generators) is a subject of worldwide research. Experimental analyses are affected by artifacts that result from interior sensors due to their relatively high size, and by extreme expenditure of work as resulting from sensor arrangement. The current thesis concerns a major project on the development of a new technology for the fully automatic manufacturing of ultra-thin sensors for the interior, inter-laminar detection of different physical parameters like induction, temperature or strain. The basic idea is to print sensor sets on a thin substrate foil that is arranged within the core. The thesis represents a pilot study for the development of a methodology aimed on off-plane induction sensors, as the most simple planned sensor type. For realization, in the course of this thesis, a combined 3D/2D printer procedure was developed. 3D print technology is a fast growing field for single-unit production. Since 3D printers are priced affordable for end-users, a boom on new possibilities is triggered. The focus of this work is to use a low-budget 3D printer to manufacture magnetic thin film sensors for off-plane flux density measurements. Corresponding to commercial transverse Hall sensors show a minimum thickness of about 500 µm. With our new technology, it was possible to manufacture sensors with a thickness under 50 µm. This offers a range of new possibilities for measurements of off-plane and stray fluxes in soft magnetic machine cores. For this reason, a commercially available 3D printer was purchased and modified with a 2D-printer setup. To control the self-made setup, own hardware, and software were developed. A self-manufactured micro dispensing system which is