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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer integrierten Dehnungsmessvorrichtung und ein Bauteil mit einer integrierten Dehnungsmessvorrichtung. Das Bauteil kann ein Wälzlager sein.
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Hintergrund der Erfindung
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Wälzlageranordnungen mit integrierten Sensoreinheiten sind als Sensorlager bekannt und dienen zum Erfassen unterschiedlicher Lagerzustandsgrößen, wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur und Drehwinkel. Beim Einsatz des Sensorlagers Unterwasser oder in Höhlen beispielsweise zur Öl- und Gasförderung oder im Bergbau ist das Sensorlager jedoch für Wartungsarbeiten schwer zugänglich.
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DE 10 2015 203 861 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung für ein Wälzlager mit einem Außenring und einem relativ zu diesem drehbaren Innenring. Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens einen mit einem der beiden Lagerringe drehfest verbindbaren Sensor, mindestens einen mit dem anderen der beiden Lagerringe drehfest verbindbaren Signalgeber, einen an einer Stirnfläche des Außenrings des Wälzlagers befestigbaren äußeren Ring und einen an einer Stirnfläche des Innenrings des Wälzlagers befestigbaren inneren Ring. Der Sensor und der Signalgeber sind auf einander gegenüberliegenden Mantelflächen des äußeren und inneren Rings angeordnet.
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Das Sensorlager kann noch weiter verbessert werden, insbesondere zum Einsatz in einer schwer zugänglichen Umgebung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil bereitzustellen, welches auch in einer schwer zugänglichen Umgebung zuverlässige Zustandsinformationen des Bauteils bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer integrierten Dehnungsmessvorrichtung und ein Bauteil mit einer integrierten Dehnungsmessvorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Das Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer integrierten Dehnungsmessvorrichtung umfasst die Schritte Aufbringen einer Kohlestoffmodifikation auf eine Oberfläche, Wärmebehandeln der Kohlestoffmodifikation, und Erzeugen eines rasterförmigen Musters in der Kohlestoffmodifikation zur Verwendung als eine in das Bauteil integrierte Dehnungsmessvorrichtung. Die Verfahrensschritte müssen jedoch nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge ausgeführt werden.
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Der Vorteil des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteils besteht darin, dass die auf die Oberfläche des Bauteils aufgebrachte Kohlenstoffmodifikation als eine Dehnungsmessvorrichtung dient, um Materialverdrängungsdaten und Zustandsinformationen des Bauteils zu erfassen, ohne eine zusätzliche Vorrichtung zur Erfassung von Zustandsgrößen zum Bauteil hinzufügen zu müssen. Auf diese Weise kann das Bauteil robuster, einfacher und kompakter ausgeführt werden und daher auch in einem extremen Anwendungsbereich beispielsweise Unterwasser, in Höhlen, bei Hochgeschwindigkeitszügen, Rennautos oder in Luftfahrzeugen eingesetzt werden. Weiterhin können kosten- und energieintensive Wartungsarbeiten des Bauteils minimiert werden.
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Das Bauteil kann ein beliebiges Element sein, bei dem eine Verformung gemessen werden soll. Vorzugsweise ist das Bauteil ein Lager. In einer Ausführungsform ist das Bauteil ein Wälzlager. Durch die am Wälzlager integrierte Dehnungsmessvorrichtung können Verschiebungsdaten des Lagermaterials effizienter erfasst werden, um auf das Wälzlager aufgebrachte Beanspruchungen zu ermitteln. Auf diese Weise kann ein Benutzer Zustandsinformationen des Wälzlagers simultan und kontinuierlich erhalten, was zu einem verbesserten Wartungsmanagement und einer Vorhersage von Fehlern beiträgt. Darüber hinaus kann ein Verschleiß am Wälzlager auf nahezu null verringert werden und ein zusätzliches Schmiermittel kann überflüssig sein.
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Eine Dehnungsmessvorrichtung kann eine Messvorrichtung zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen einer Oberfläche des Bauteils durch eine Bestimmung einer Veränderung eines elektrischen Widerstands sein. Die Dehnungsmessvorrichtung kann aus verschiedenen Materialien wie zum Beispiel Metallfolien, Draht und Halbleitern in verschiedenen Anordnungsformen wie zum Beispiel Queranordnungen, Vollbrücken und Rosetten gestaltet sein. Die Dehnungsmessvorrichtung kann schon bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand ändern, sodass die Zustandsgrößen des Bauteils präziser ermittelt werden können.
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Die erfindungsgemäße Dehnungsmessvorrichtung basiert auf einer Kohlenstoffmodifikation. Kohlenstoff ist ein Nichtmetall, von dem verschiedene Modifikationen bekannt sind. Die erfindungsgemäße Dehnungsmessvorrichtung kann aus Graphen oder Graphenoxid hergestellt sein. Graphit besteht aus mehreren zweidimensionalen Kohlenstoffschichten. Graphitoxid kann aus Graphit unter Einwirkung eines starken Oxidationsmittels wie z.B. einer Mischung aus Schwefelsäure H2SO4, Natriumnitrat NaNO3, und Kaliumpermanganat KMnO4 gewonnen werden. Graphen ist eine Kohlenstoffmodifikation mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist, sodass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Graphen weist besondere mechanische und elektrische Eigenschaften auf, sodass dieses als Material für ein Bauteil in einem extremen Anwendungsbereich besonders geeignet sein kann. Graphen umfasst eine flächenförmige (zweidimensionale) atomare Anordnung der Kohlenstoffatome und ermöglicht, dass sich Elektronen ohne Verlust mit extrem hoher Geschwindigkeit bewegen können. Graphen ist reißfester als Stahl, hitzefest, beständig gegen Strahlung und viele Chemikalien sowie undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten und lässt sich als Halbleiter einsetzen. Des Weiteren ermöglicht Graphen, Reibung zwischen zwei angrenzenden Oberflächen bis nahezu auf null zu verringern, sodass eine dünne Graphenschicht als ein Feststoff-Schmiermittel fungieren kann.
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Die erfindungsgemäße Dehnungsmessvorrichtung kann ein Monolagengraphen bzw. Monolagengraphenoxid umfassen. Um eine Graphenschicht auf einer Oberfläche des Bauteils zu erzeugen, wird zunächst Graphitoxid aus Graphit hergestellt. Durch chemische, mechanische oder thermische Behandlung kann Graphitoxid mit mehreren Kohlenstoffschichten in eine (Monolagen-) Graphenoxidschicht umgewandelt bzw. gespaltet werden, was als „Exfoliation“ bezeichnet ist. Die Verwendung des Graphitoxids als Ausgangsmaterial ermöglicht es, dass große Mengen an Monolagengraphen auf wirtschaftliche Weise hergestellt werden kann. Das erzeugte Graphenoxid kann nun auf eine Oberfläche des Bauteils aufgetragen werden. Das Auftragen des Graphenoxids kann beispielsweise durch eine chemische Gasphasen-abscheidung oder elektrophoretische Abscheidung erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Dehnungsmessvorrichtung kann reduziertes Graphenoxid umfassen. Das Bauteil mit der Oberfläche, auf welche die Kohlenstoffmodifikation bzw. Graphenoxid aufgebracht ist, kann im Anschluss wärmebehandelt werden, um das Graphenoxid in reduziertes Graphenoxid umzuwandeln. Auf diese Weise können die meisten Sauerstofffunktionsgruppen im Graphenoxid entfernt werden, so dass das resultierende reduzierte Graphenoxid sehr ähnliche Eigenschaften wie reines Graphen aufweist.
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In der erzeugten Kohlenstoffmodifikation, vorzugsweise der reduzierten Graphenoxidschicht, wird ein rasterförmiges Muster ausgebildet. Das Muster kann in mindestens einem ausgewählten Abschnitt auf dem Bauteil oder auf der kompletten Oberfläche des Bauteils ausgebildet sein. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des reduzierten Graphenoxids und der Gestaltung des Musters kann eine in das Bauteil integrierte Dehnungsmessvorrichtung realisiert werden und das Bauteil kann keine zusätzliche Sensoreinrichtung benötigen. Der Begriff „integriert“ kann so verstanden werden, dass das Muster in der reduzierten Graphenoxidschicht bzw. der Dehnungsmessvorrichtung mit dem Bauteil zusammengeschlossen ist, sodass die Dehnungsmessvorrichtung und das Bauteil als eine einstückige Komponente verstanden werden kann. Das Muster kann mindestens zwei, meist mehrere Kanäle aufweisen, um die Dehnungsmessvorrichtung mit einem Datenerfassungsgerät zur Auswertung der generierten Daten zu verbinden.
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Des Weiteren ermöglicht die Gleitfähigkeit der Kohlenstoffmodifikation, dass kein zusätzliches Schmiermittel hinzugefügt werden muss. Auf diese Weise können aufwendige Wartungsarbeiten am Bauteil vermieden werden.
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In einer Ausführungsform wird das Muster durch eine Laserabtragung oder eine chemische Abtragung erzeugt. In anderen Worten kann das Muster mittels eines Laser oder eines chemischen Verfahrens wie z.B. Ätzen auf der Oberfläche des Bauteils erzeugt werden. Das Muster kann verschiedene Formen aufweisen, um einfacher und/oder genauere Verschiebungs- / Festigkeitsdaten zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Bauteil mit einer integrierten Dehnungsmessvorrichtung. Eine Kohlestoffmodifikation ist auf eine Oberfläche aufgebracht und wärmebehandelt. Ferner ist ein rasterförmiges Muster in der Kohlestoffmodifikation eingebracht, um die Kohlestoffmodifikation als eine in das Bauteil integrierte Dehnungsmessvorrichtung zu verwenden.
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Das Bauteil kann ein Lager und insbesondere ein Wälzlager sein. In einer Ausführungsform kann das Muster auf verschiedenen Oberflächen ausgebildet sein. Das Muster kann beispielsweise in mindestens einem ausgewählten Abschnitt auf dem Bauteil oder auf einer kompletten Oberfläche des Bauteils angelegt sein. Das Muster kann mindestens zwei, meist mehrere Kanäle aufweisen, um die Dehnungsmessvorrichtung mit einem Datenerfassungsgerät zur Auswertung der generierten Daten zu verbinden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den Figuren. Alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale können unabhängig von ihrer Darstellung in einzelnen Ansprüchen, Figuren, Sätzen oder Absätzen miteinander kombiniert werden. In den Figuren stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Außenring eines Wälzlagers mit einer an einer inneren Oberfläche des Außenrings integrierten Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt eine Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt einen Außenring eines Wälzlagers mit einer an einer inneren Oberfläche des Außenrings integrierten Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 4 zeigt einen Außenring eines Wälzlagers mit einer an einer inneren Oberfläche des Außenrings integrierten Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
- 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung der 4.
- 6 zeigt eine Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
- 7 zeigt eine Kugel für den Einsatz in der Dehnungsmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 und 3 zeigen einen Außenring 1 eines Wälzlagers (nicht gezeigt) mit einer an einer inneren Oberfläche des Außenrings 1 integrierten Dehnungsmessvorrichtung 2. Um die Dehnungsmessvorrichtung 2 zu erzeugen, ist eine Kohlenstoffmodifikation auf die Oberfläche des Außenrings 1 aufgebracht. Die Kohlenstoffmodifikation kann beispielsweise ein aus Graphitoxid gespaltetes Graphenoxid sein. Die Verwendung des Graphitoxids als Ausgangsmaterial ermöglicht, dass große Mengen an Monolagegraphen auf wirtschaftliche Weise hergestellt werden kann. Das Auftragen des Graphenoxids kann beispielsweise durch eine chemische Gasphasenabscheidung oder elektrophoretische Abscheidung erfolgen.
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Der mit Graphenoxid beschichtete Außenring 1 wird danach wärmebehandelt, um eine reduzierte Graphenoxidschicht zu erzeugen. Auf diese Weise können die meisten Sauerstofffunktionsgruppen in Graphenoxid entfernt werden, sodass das resultierende reduzierte Graphenoxid sehr ähnliche Eigenschaften wie reines Graphen aufweist. Die flächenförmige (zweidimensionale) atomare Anordnung der Kohlenstoffatome im Graphen ermöglicht, dass sich Elektronen ohne Verlust mit extrem hoher Geschwindigkeit bewegen können. Des Weiteren ermöglicht es Graphen Reibung zwischen zwei angrenzenden Oberflächen bis nahezu auf null zu verringern, sodass eine dünne Graphenschicht als ein Feststoff-Schmiermittel fungieren kann. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des reduzierten Graphenoxids kann eine in das Bauteil integrierte Dehnungsmessvorrichtung 2 realisiert werden und das Bauteil kann keine zusätzliche Sensoreinrichtung benötigen. Auf diese Weise können aufwendige Wartungsarbeiten am Bauteil vermieden werden.
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In der erzeugten Kohlenstoffmodifikation, vorzugsweise der reduzierten Graphenoxidschicht, wird im Anschluss ein rasterförmiges Muster 5 ausgebildet. Das Muster 5 kann beispielsweise durch eine chemische oder Laserabtragung erzeugt werden. 2 zeigt eine Ausführungsform des Musters 5 bzw. der Dehnungsmessvorrichtung 2, die in Umfangsrichtung des Außenrings durchgehend mehrere Abschnitte umfasst, die über zwei Kanäle 3 mit einer Datenerfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden sind.
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4 und 5 zeigen einen Außenring 1 eines Wälzlagers, der auf seiner inneren Oberfläche eine integrierte Dehnungsmessvorrichtung 2 aufweist. Die Dehnungsmessvorrichtung 2 ist in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet und weist mehrere Abschnitte auf, die über zwei Kanäle 3 mit einer Datenerfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden sind. Die Dehnungsmessvorrichtung 2 kann beispielsweise eine am Wälzlager wirkende axiale Kraft oder Schwungkraft ermitteln.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Musters 5 bzw. der Dehnungsmessvorrichtung 2, die in Umfangsrichtung durchgehend mehrere Abschnitte umfasst, die über verschiedene Kanäle mit einer Datenerfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden sind, um Impulsdaten zu erfassen. Dabei verbindet eine Kugel 4 während einer Rotation innerhalb des Wälzlagers durch eine minimale Abflachung zwei getrennte Kanäle 3 der Dehnungsmessvorrichtung 2 (in 7). Auf diese Weise können ein elektrischer Kontakt zwischen zwei getrennten Kanälen 3 und ein Impuls generiert werden, wodurch eine bestimmte Drehzahl des Lagers ermittelt werden kann.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015203861 A1 [0003]
