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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit Temperatursensor gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils mit Temperatursensor sowie ein Gießwerkzeug oder ein Umformwerkzeug mit einem solchen Bauteil.
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Aus der
EP 3 338 919 A1 ist eine gattungsgemäßes additiv gefertigtes Bauteil bekannt, welches einen additiv hergestellten ersten Teil, welcher einen ersten Einschnitt definiert, einen additiv hergestellten zweiten Teil, welcher einen zweiten Einschnitt definiert, und einen faseroptischen Sensor umfasst. Die beiden Teile mit den Einschnitten additiv zusammen hergestellt, wobei die Einschnitte in ihrer Position übereinstimmen, sodass das aus den additiv hergestellte Teilen zusammengesetztes Bauteil einen Faserkanal aufweist, der durch die zusammenwirkenden Einschnitte definiert wird. Der faseroptische Sensor kann zum Erfassen von Dehnung und/oder Temperatur innerhalb des zusammengesetzten Bauteils konfiguriert sein und umfasst einen ersten Sensorteil, einen zweiten Sensorteil und eine Verarbeitungseinheit. Das erste Sensorteil ist in den Faserkanal eingebettet. Der zweite Sensorteil ist an seinem ersten Ende mit dem ersten Sensorteil wirkverbunden und an einer Außenseite des zusammengebauten Teils ausfahrbar. Die Verarbeitungseinheit ist betriebsmäßig mit einem zweiten Ende des zweiten Sensorteils gekoppelt und ist konfiguriert, um vom ersten Sensorteil erfasst Messwerte zu verarbeiten und zu analysieren. Der faseroptische Sensor kann beispielsweise als Temperatursensor oder als Dehnungssensor ausgeführt sein.
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Als nachteilig kann bei dem bekannten additiv gefertigten Bauteil angesehen werden, dass durch den zusätzlichen Wärmeübergang an einer Kontaktstelle zwischen dem Sensor und dem Bauteil, die Temperaturmessung negativ beeinflusst werden kann, und insbesondere beim präzisen Erfassen von schnellen Temperaturänderungen Probleme auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein additiv gefertigtes Bauteil mit Temperatursensor und ein korrespondierendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils bereitzustellen, welches eine präzise Temperaturmessung auch bei schnellen Temperaturänderungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Um ein Bauteil mit einem Temperatursensor bereitzustellen, welches eine präzise Temperaturmessung auch bei schnellen Temperaturänderungen ermöglicht, umfasst der Temperatursensor eine Messspitze, welche an einer Kontaktstelle in direktem Kontakt mit einem Grundkörper des Bauteils steht und stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei die Kontaktstelle eine Temperaturmessstelle ausbildet. Der Grundkörper ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt und umschließt den Temperatursensor.
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Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst: Teilweise additives Fertigen des Grundkörpers mit wenigstens einem Aufnahmehohlraum für den Temperatursensor. Einlegen eines Temperatursensors in die Kavität, und additives Fertigen der noch fehlenden Bereiche des Grundkörpers. Erfindungsgemäß erfolgt die additive Fertigung zumindest bereichsweise direkt auf der Messpitze des Temperatursensors und die Messpitze des Temperatursensors wird an der Kontaktstelle mittels selektivem Laserschmelzen stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden.
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Durch Ausführungsformen der Erfindung können mittels additiven Fertigungsverfahren Temperaturmessstellen in Bauteilen an beliebigen Stellen umgesetzt werden. Somit ist die Herstellung von kompletten Bauteilen mit der Möglichkeit der Temperaturmessung an definierten Positionen, insbesondere an oberflächennahen Positionen möglich. Zudem können Temperatursensoren mit nahezu beliebiger Geometrie beispielsweise als Einsätze für Bauteile oder Werkzeuge umgesetzt werden. Durch die stoffschlüssige Verbindung der Messspitze mit dem Grundkörper ist eine direkte präzise Temperaturmessung ohne zusätzlichen Wärmeübergang an der Kontaktstelle zwischen Messspitze und Bauteil möglich.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils kann der Temperatursensor zwei Thermodrähte umfassen, welche in einen im Grundkörper ausgebildeten Aufnahmehohlraum eingelegt werden können. Hierbei können Enden der beiden Thermodrähte über eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung miteinander verbunden werden, wobei die Verbindungsstelle der beiden Thermodrähte die Messpitze des Temperatursensors ausbilden kann. Als physikalisches Messprinzip wird bei dieser Ausführungsform der thermoelektrische Effekt bzw. Seebeck-Effekt ausgenutzt. In vorteilhafter Weise kann die Messspitze und die Temperaturmessstelle während des additiven Herstellungsprozesses des Grundkörpers ebenfalls additiv gefertigt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils kann eine Anschlussleitung die beiden Thermodrähte umfassen und aus dem Aufnahmehohlraum herausgeführt werden. Hierbei können die beiden miteinander verbundenen Enden der Thermodrähte an einem ersten Ende der Anschlussleitung aus dieser herausragen. Am anderen Ende der Anschlussleitung können die Thermodrähte mit einer Auswerte- und Steuereinheit verbunden werden, welche die erfassten Temperaturwerte auswerten und weiterverarbeiten kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils kann das Bauteil eine Dauerform für ein Formwerkzeug bei der Metall-, Kunststoff- oder CFK-Verarbeitung sein. So kann das erfindungsgemäße Bauteil beispielsweise als Dauerform mit Temperaturmessstellen direkt unterhalb der Formoberfläche in einem Gießwerkzeug, wie beispielsweise einem Druckgießwerkzeug oder Spritzgießwerkzeug verwendet werden. Bei solchen Gießwerkzeugen sind extreme Temperaturänderungen mit konventionellen Sensoren nicht präzise messbar. Außerdem ergibt sich bei herkömmlichen Werkzeugeinsätzen bzw. Dauerformen durch Einbringen von Bohrungen für die Thermoelemente bzw. Temperatursensoren eine Schwächung der Formen.
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Zudem kann das erfindungsgemäße Bauteil als Dauerform in einem Umformwerkzeug beispielsweise zum Presshärten, Kaltumformen, Warmumformen, Massivumformen, Fließpressen, Strangpressen, usw. eingesetzt werden. Auf Basis einer exakten Temperaturmessung im Umformprozess durch das erfindungsgemäße Bauteil kann die Werkzeugkühlung (Produktionsbeginn mit kalten Werkzeugen und warme Werkzeuge im Dauerbetrieb) geregelt und eine Prozessstabilisierung erreicht werden. Dadurch kann eine erforderliche Abkühlgeschwindigkeit des Blechs für einen optimalen Umformvorgang als Qualitätskontrolle überwacht und geregelt werden. Zudem können durch eine konstante Werkzeugtemperatur gleichbleibende mechanische Kennwerte und minimaler Verzug der WUF-Teile umgesetzt und eine hohe Maßhaltigkeit erzielt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch das selektive Laserschmelzen während der additiven Fertigung der fehlenden Bereiche des Grundkörpers die Enden der beiden Thermodrähte, welche die Messspitze des Temperatursensors ausbilden, an der Kontaktstelle stoffschlüssig miteinander und mit dem Grundkörper verbunden werden. Dadurch können in einem Prozessschritt die Enden der Thermodrähte miteinander und mit dem Grundkörper verschweißt werden, sodass exakt an einer gewünschten Position im Bauteil die Temperatormessstelle ausgebildet wird.
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Die für das erfindungsgemäße Bauteil beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Gießwerkzeug und für das erfindungsgemäße Umformwerkzeug.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Hierbei zeigt/zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Fertigungszustands eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils während seiner additiven Fertigung;
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Fertigungszustands des erfindungsgemäßen Bauteils aus 1 während seiner additiven Fertigung;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Fertigungszustands des erfindungsgemäßen Bauteils aus 1 während seiner additiven Fertigung; und
- 4 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Bauteils aus 1 bis 3.
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Wie aus 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bauteils 1 einen Grundkörper 2, welcher mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist und einen Temperatursensor 10 umschließt.
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Erfindungsgemäß umfasst der Temperatursensor 10 eine Messspitze 14, welche an einer Kontaktstelle in direktem Kontakt mit dem Grundkörper 2 steht und stoffschlüssig mit dem Grundkörper 2 verbunden ist, wobei die Kontaktstelle eine Temperaturmessstelle 16 ausbildet.
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Wie aus 2 bis 4 weiter ersichtlich ist, umfasst der Temperatursensors 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel des Bauteils 1 zwei Thermodrähte 12.1, 12.2, welche in einen im Grundkörper 2 ausgebildeten Aufnahmehohlraum 4 eingelegt sind. Hierbei sind Enden der beiden Thermodrähte 12.1, 12.2 über eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung miteinander verbunden und bilden ein so genanntes Thermoelement aus. Zudem bildet die Verbindungsstelle der beiden Thermodrähte 12.1, 12.2 die Messpitze 14 des Temperatursensors 10 aus. Hierbei sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Messspitze 14 und die Temperaturmessstelle 16 während des additiven Herstellungsprozesses des Grundkörpers 2 ebenfalls additiv gefertigt. Das bedeutet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Thermodrähten 12.1, 12.2 und dem Grundkörper 2 während des additiven Herstellungsprozesses des Grundkörpers 2 ebenfalls additiv gefertigt wird.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 10 als Widerstandstemperatursensor ausgeführt, bei welchem der temperaturempfindliche Widerstand die Messspitze 14 ausbildet und an der Kontaktstelle stoffschlüssig mit dem Grundkörper 2 verbunden ist. Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Messspitze 14 und dem Grundkörper 2 während des additiven Herstellungsprozesses des Grundkörpers 2 ebenfalls additiv gefertigt.
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Wie aus 2 bis 4 weiter ersichtlich ist, umfasst eine Anschlussleitung 12 die beiden Thermodrähte 12.1, 12.2 und ist aus dem Aufnahmehohlraum 4 herausgeführt. Das aus dem Aufnahmehohlraum 4 herausgeführte Ende der Anschlussleitung 12 ist elektrisch mit einer nicht dargestellten Auswerte- und Steuereinheit verbunden, welche die erfassten Temperaturwerte auswertet und weiterverarbeitet.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, wird der Grundkörper 2 ausgehend von einer Grundplatte 6 einer nicht näher dargestellten Druckvorrichtung in Hochrichtung Z aufgebaut. Vorzugsweise ist die Druckvorrichtung als selektive Laserschmelzmaschine ausgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils 1 umfasst folgende Schritte: Teilweise additives Fertigen des Grundkörpers 2 mit wenigstens einem Aufnahmehohlraum 4 für den Temperatursensor 10.
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1 zeigt diesen Fertigungszustand des Bauteils 1. Hierbei wurde der Grundkörper 2 bis zum Erreichen einer vorgegebenen Aufbauposition Z1, welche einer gewünschten Position der Temperaturmessstelle 16 entspricht, additiv gefertigt. Nach Erreichen der vorgegebenen Aufbauposition Z1 wird der Temperatursensors 10 in den Aufnahmehohlraum 4 eingelegt.
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2 zeigt das Bauteil 1 nach dem Einlegen des Temperatursensors 10. Anschließend werden die noch fehlenden Bereiche des Grundkörpers 2 additiv gefertigt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die additive Fertigung zumindest bereichsweise direkt auf der Messpitze 14 des Temperatursensors 10 und die Messpitze 14 des Temperatursensors 10 wird an der Kontaktstelle mittels selektivem Laserschmelzen stoffschlüssig mit dem Grundkörper 2 verbunden.
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Da der Temperatursensor 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Thermodrähte 12.1, 12.2 umfasst, deren offenen Enden nach ihrer stoffschlüssigen Verbindung die Messspitze 14 ausbilden, ist der Temperatursensor 10 so in den Aufnahmehohlraum 4 eingelegt, dass sich die beiden Enden der Thermodrähte 12.1, 12.2 auf Höhe der vorgegebenen Aufbauposition Z1 berühren, wie aus 2 weiter ersichtlich ist. Daher werden durch das selektive Laserschmelzen während der additiven Fertigung der fehlenden Bereiche des Grundkörpers 2 die offenen Enden der beiden Thermodrähte 12.1, 12.2, welche die Messspitze 14 des Temperatursensors 10 ausbilden, an der Kontaktstelle stoffschlüssig miteinander und mit dem Grundkörper 2 verbunden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Bauteil 1 ein Werkzeugeinsatz bzw. eine Dauerform 1A für ein Formwerkzeug. Durch die additive Fertigung der Messspitze 14 und der Temperaturmessstelle 16, kann die Temperaturmessstelle 15 nahe einer Formoberfläche 2.1 des Grundkörpers 2 ausgebildet werden. So kann eine solche Dauerform 1A beispielsweise in einem Gießwerkzeug oder in einem Umformwerkzeug eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 1A
- Dauerform
- 2
- Grundkörper
- 2.1
- Formoberfläche
- 4
- Aufnahmehohlraum
- 6
- Grundplatte einer Druckvorrichtung
- 10
- Temperatursensor
- 12
- Anschlussleitung
- 12.1, 12.2
- Thermodraht
- 14
- Messspitze
- 16
- Temperaturmessstelle
- Z
- Aufbaurichtung
- Z1
- Position
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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