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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Dehnungsmessstreifens auf einem Maschinenelement. Insbesondere kann ein solcher Dehnungsmessstreifen zur Bestimmung einer Verformung an einem feststehenden oder rotierbaren Maschinenelement verwendet werden. Das Maschinenelement kann beispielsweise als drehbewegliche Welle ausgebildet oder ein Teil davon sein, an welchem eine auf dieses Maschinenelement wirkende Kraft bzw. ein Drehmoment gemessen werden soll.
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Um eine Kraft oder ein Drehmoment an einem Maschinenelement zu erfassen, kommen heutzutage überwiegend Dehnungsmessstreifen zum Einsatz. Diese gestatten eine zuverlässige und präzise Messung. Die Dehnungsmessstreifen können eine positive Dehnung bzw. Streckung sowie eine negative Dehnung bzw. Stauchung erfassen und sind dazu stoffschlüssig auf dem zu messenden Maschinenelement angebracht. Wirkt nun eine Kraft auf das zu messende Maschinenelement, so kommt es zu dessen geringfügiger Verformung, welche auch zu einer Verformung des Dehnungsmessstreifens führt. Daraus resultiert eine Widerstandsänderung im Dehnungsmessstreifen, welche Aufschluss über die auf das Maschinenelement wirkende Kraft gibt.
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Bei einer typischen Dehnmessstreifenanordnung wird eine verformungssensitive Metallfolie auf einem Kunststoffträger, welcher als Isolationsschicht fungiert, aufgetragen und mit elektrischen Anschlüssen versehen. Eine weitere Kunststofffolie wird daraufhin als Schutzschicht auf die Metallfolie aufgebracht. Eine weitere Möglichkeit der Dehnungsmessstreifen-Herstellung stellt die Dünnschichttechnik dar. Hierbei wird durch Aufdampfen oder Sputtern der Dehnungsmessstreifen direkt auf das zu messende Bauteil aufgebracht und durch Laserbearbeitung oder fotolithografische Verfahren entsprechend strukturiert. Auf die strukturierte Messschicht wird wieder eine Schutzschicht aufgebracht.
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Ein Nachteil von Dehnungsmessstreifen ist mitunter deren schwierige Positionierung auf dem zu messenden Bauteil. Eine geringe Abweichung von nur ± 1 ° gegenüber der gewünschten Messrichtung kann eine nicht zu vernachlässigende Messabweichung hervorrufen. Weiterhin sind nur standardmäßige Dehnungsmessstreifen mit vorgegebener Strukturierung in großen Stückzahlen zu erwerben oder es Bedarf einer kostenintensive Einzelanfertigung nach den Vorgaben des Anwendungsfalls.
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Der Artikel „Fertigung von Dünnfilm-Folien-Dehnungsmessstreifen durch Laserstrukturierung und Siebdrucktechnik“ von Vollberg, Probst, et. al., VDE Verlag, Tagungsband: MikroSystemTechnik Kongress 2015, beschreibt eine Methode zur Herstellung von Dünnfilm-Folien-Dehnungsmessstreifen. Die in dieser Methode verwendete Dünnschicht besteht aus einem granulären Metall, welches in einer kohlenstoffhaltigen Matrix eingebettet ist, wodurch das Material piezoresistive Eigenschaften besitzt. Die Dünnschicht wird mittels eines Sputterprozesses vollflächig auf eine Polyamidfolie aufgebracht und anschließend mit einem Picosekunden-Laser strukturiert. Abschließend wird eine Abdeckung und elektrische Kontaktierung mit Hilfe von siebdruckfähigen Pasten realisiert.
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Die
DE 10 2012 208 492 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Dehnungsmessstreifenanordnung an einer Oberfläche eines Maschinenelements. Auf der Oberfläche des Maschinenelements wird eine verformungssensitive Messschicht und darüber liegend eine Schutzschicht aufgebracht. Die Schutzschicht wird anschließend lokal mittels Laserbearbeitung entfernt, sodass die freigelegte Messschicht elektrisch kontaktiert werden kann.
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Die
DE 10 2016 108 985 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements für einen Druck- oder Kraftsensor mit Bereitstellen eines zu verformenden Bauteils, Aufbringen einer Sensorfunktions- und Kontaktschicht und anschließend flächenhaftes Abtragen mittels Laser, so dass Dehnungsmessstreifen mit einer mäanderförmigen Widerstandstruktur und Kontaktpads stehenbleiben.
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Die
CN 107 218 909 B beschreibt ein Verfahren zum Anbringen eines Dehnungsmessstreifens an einer Triebwerksschaufel umfassend das Bestimmen der Anbringungsposition, der Anbringungsrichtung, der Anbringungsseite, eines zentralen Punktes A und eines Richtungsbezugspunktes B des Dehnungsmessstreifens an der Triebwerksschaufel durch CAE-Software, das Auswählen von Bezugsreferenzpunkten und das Ankleben des Dehnungsmessstreifens.
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SUTTMANN, 0.: Patterning of thin film strain gauges on 3D-surfaces. In: Proceedings SENSOR 2013, 2013, S. 34-37. 4 beschreibt die Herstellung metallischer Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen, die direkt auf 3D-Oberflächen struktiuert werden und aus im Vakuum abgeschiedenen Isolations- und Sensorfilmen bestehen. Ausgehend vom vorliegenden Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aufwandsarmes Herstellungsverfahren bereitzustellen, welches eine exakte Positionierung eines frei definierbaren Dehnungsmessstreifens auf einem Maschinenelement gewährleistet, um nachfolgend eine Kraft bzw. ein Drehmoment messen zu können.
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Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Dehnungsmessstreifens auf einem Maschinenelement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Dehnungsmessstreifens auf einem Maschinenelement umfasst folgende Schritte:
- In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Folie hergestellt, welche mindestens aus einer ersten Isolationsschicht und einer auf dieser aufgebrachten unstrukturierten, verformungssensitiven Funktionsschicht besteht. Dieser Schritt erfolgt unabhängig von dem zu bestückenden Maschinenelement, sodass sich die genannte Folie preiswert in großer Stückzahl herstellen lässt. Die Funktionsschicht ist verformungssensitiv bzw. dehnungsempfindlich ausgebildet, sodass die spätere Funktionalität als Dehnungsmessstreifen vorbereitet ist. Vorzugsweise kann die Folie als ein Mehrschichtsystem gebildet sein, zusammengesetzt aus mindestens einer Isolationsschicht und mindestens einer Metallbeschichtung. Im Mehrschichtsystem können aber auch mehr als zwei Schichten zusammengefasst sein, insbesondere mehrere Funktionsschichten. Die Folie kann insbesondere ein Mehrschichtsystem gemäß der in DE 10 2012 208 492 A1 gezeigten Art sein.
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Im nächsten Schritt wird die hergestellte, unstrukturierte Folie auf das Maschinenelement aufgebracht. Das Befestigen der Folie im Schritt des Aufbringens erfolgt bevorzugt mittels Klebeverbindung. Alternative Verbindungsmethoden, wie beispielsweise Schweiß- oder Lötverbindungen sind möglich, wobei auf eine funktionsfähige Übertragbarkeit mechanischer Spannungen vom Maschinenelement auf die Folie zu achten ist.
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In einem letzten Schritt wird in der Folie eine Dehnungsmessstreifenstruktur erzeugt, indem mindestens die verformungssensitive Funktionsschicht mit einem Strukturierungswerkzeug, vorzugsweise mit Laser strukturiert wird. Alternativ kann als Strukturierungswerkzeug beispielsweise auch ein Hochdruck-Wasserstrahl, ein Präzisionsfräser oder ein vergleichbares Werkzeug genutzt werden. Hierzu müssen zunächst die im Betriebsmodus erwarteten und zu vermessenden mechanischen Spannungsverläufe im Maschinenelement berücksichtigt werden, sodass eine exakte Ausrichtung der Dehnungsmessstreifenstruktur erfolgen kann. Für eine korrekt ausgerichtete Dehnungsmessstreifenstruktur wird nach dem Aufbringen der Folie auf das Maschinenelement dessen Position bestimmt, vorzugsweise durch vermessen von mindestens zwei Referenzpunkten, die am Maschinenelement festgelegt sind. Die Führung des Lasers beim Strukturieren erfolgt dann in Abhängigkeit von diesen Referenzpunkten, indem sie in die Positionssteuerung des Lasers einbezogen werden. Bevorzugt erfolgt das Festlegen von den mindestens zwei Referenzpunkten mittels eines optischen Messsystems. Damit lässt sich beispielsweise die Dehnungsmessstreifenstruktur exakt zu einer Körperkante des Maschinenelements ausrichten, sodass eine ungewollte Winkelabweichung vermieden werden kann.
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Der Dehnungsmessstreifen wird bevorzugt mit einer mäanderförmigen Dehnungsmessstreifenstruktur erzeugt. Mittels des Dehnungsmessstreifens lässt sich dann eine physikalische Größe, insbesondere ein Drehmoment oder eine auf das Maschinenelement wirkende Kraft erfassen. Die vom Dehnungsmessstreifen erfasste physikalische Größe kann alternativ aber auch die am Maschinenelement herrschende Temperatur oder ein anliegender Druck sein.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird im Zuge des Herstellens der Folie auf der von der Funktionsschicht abgewandten Seite der ersten Isolationsschicht eine Klebeschicht aufgebracht, sodass das Aufbringen der Folie auf das Maschinenelement stoffschlüssig erfolgt. Alternativ kann vor dem Aufbringen der Folie ein Klebstoff auf das Maschinenelement aufgetragen werden, mit welchem die Folie flächig kontaktiert und auf dem Maschinenelement befestigt wird.
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Bevorzugt wird während der Herstellung der Folie und/oder nach dem Strukturieren der Funktionsschicht mittels Laser eine zweite Isolationsschicht auf die der ersten Isolationsschicht gegenüberliegenden Seite der Funktionsschicht aufgebracht, welche als Schutzschicht dient und die Funktionsschicht vor Umwelteinflüssen wie Staub, Schmutz, Feuchtigkeit oder Korrosion schützt.
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Bevorzugt wird nach der Strukturierung der Folie das nicht zum Dehnungsmessstreifen zugehörige Material vom Maschinenelement entfernt, sodass lediglich die für die Funktionalität des Dehnungsmessstreifens notwendige Struktur auf dem Maschinenelement verbleibt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Funktionsschicht aus einer NiCr-Schicht ausgebildet. Ein Vorteil einer Nickel-Chrom-Beschichtung ist, dass diese eine Dehnungsempfindlichkeit mit einem k-Faktor von ca. 2 besitzt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem weitgehend temperaturunabhängigen Widerstand dieser Materialzusammensetzung, wodurch eine temperaturkompensierte Dehnungsmessung ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist die erste und ggf. auch die zweite Isolationsschicht aus einem Material gefertigt, welches aus wasserstoffhaltigem, amorphen Kunststoff, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid besteht, sodass eine elektrische Isolation von in der Nähe befindlichen Bauelementen gewährleistet wird. Aluminiumoxid bietet in Form von einem keramischen Aluminiumoxid-Target die zuverlässigste Isolationswirkung.
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Für die Erzeugung der Dehnungsmessstreifenstruktur kann beispielsweise ein Picosekunden-Laser verwendet werden, mit welchem eine sehr feine Strukturierung mittels eines Laserspots von einigen Mikrometern möglich ist. Die Dehnungsmessstreifenstruktur kann als Konturschnitt oder großflächiger Schraffurabtragung erzeugt werden.
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Um eine genaue und optimale Positionierung der Dehnungsmessstreifenstruktur auf dem Maschinenelement zu gewährleisten, erfolgt vor der Strukturierung eine Positionsausrichtung das zum Strukturieren vorzugsweise eingesetzten Laserwerkzeugs, bevorzugt mit Hilfe eines optischen Messsystems. Optische Messsysteme vermessen das Messobjekt berührungslos mittels Lichts, sodass durch Reflexion und Absorption Flächen am Maschinenelement erfasst werden können. Vorteile von optischen Messsystemen stellen zum einen die hohe Messgeschwindigkeit und zum anderen die einfache Vermessung von großflächigen Bauteilen dar. Diese können in nahezu Echtzeit flächig erfasst werden. Dies ermöglicht im Gegensatz zu beispielsweise taktilen Messsystemen einen schnelleren Fertigungsschritt beim Erzeugen der Dehnungsmessstreifenstruktur. Ein weiterer Vorteil von optischen Messsystemen besteht darin, dass diese berührungslos arbeiten und somit einen Verschleiß des Messtasters, wie beispielsweise die von taktilen Messsystemen, verhindern. Zudem ist ein Vermessen von hoch empfindlichen Maschinenelementen mittels optischen Messsystemen von Vorteil, da diese durch taktiles Abtasten und Vermessen beschädigt werden können.
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Gemäß einer bevorzugt Ausführungsform wird die Klebeschicht bzw. der Klebstoff nach dem Aufbringen der Folie auf das Maschinenelement mittels Erwärmung oder Lichtstrahlung ausgehärtet, sodass trotz externer Einflüsse wie Feuchtigkeit oder Schmutz eine schnelle, sichere und dauerhafte Befestigung auf dem Maschinenelement realisiert wird. Ein Vorteil hierbei ist, dass die Trocknungszeit der Klebeschicht bzw. des Klebstoffs verringert wird und eine zügige Abfolge der Verfahrensschritte stattfinden kann.