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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mittels tribologischer Beanspruchungssensoren können in tribologischen Systemen lokale Beanspruchungsgrößen wie Kontaktdruck und Kontakttemperatur sowie Schmierspaltweite bzw. Filmdicke mittels physikalischer Messtechnik bestimmt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere eine Vorrichtung zum Einsatz tribologischer Beanspruchungssensorik unter Nutzung additiver Fertigungsverfahren oder Urformprozesse bzw. eine hochempfindliche tribologische Beanspruchungssensorik, insbesondere Druckbeanspruchungssensorik mit additiven Prozessen oder Urformprozessen hergestelltem Vorrichtungskorpus bereitgestellt werden. Hierbei kann der Korpus der Sensorvorrichtung aus einem Keramikmaterial beispielsweise durch einen additiven Prozess oder einen Urformprozess hergestellt werden. Zumindest ein Sensorelement der Vorrichtung kann unter Einsatz eines Maskierungsprozesses in Dünnschichttechnik aufgebracht werden. Insbesondere kann somit ein Sensor für kontaktdynamische Systeme mittels additiv erzeugter Masken hergestellt werden.
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Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen beispielsweise durch einen geometrischen Aufbau der Vorrichtung eine Signalqualität sowie eine örtliche und zeitliche Auflösung von Messsignalen verbessert werden. Es können somit beispielsweise die Signalqualität und eine Zuverlässigkeit von tribologischen Beanspruchungssensoren, insbesondere Druckbeanspruchungssensoren, verbessert werden, wobei eine nicht gewünschte physikalische Rückwirkung oder Beeinflussung eines zu untersuchenden und zu bewertenden tribologischen Systems minimiert werden kann. Zumindest kann hierbei eine Art der Beeinflussung bekannt und kann eine Größe der Beeinflussung quantifizierbar sein. Aufgrund einer Ausformung des Korpus aus einem Keramikmaterial kann insbesondere ein elektrisch nichtleitender bzw. isolierender Korpus erhalten werden, der in einer durch Reibung beanspruchten Oberfläche von Bauteilen oder Maschinenelementen exakt positionierbar und mechanisch steif ist. Ferner können keramische Vorrichtungswerkstoffe und physikalische Sensorwerkstoffe eine stabile und zuverlässige Verbindung und Haftfestigkeit ermöglichen. Auch kann auf eine elektrische Isolationsschicht verzichtet werden. Durch Maskierung und Dünnschichttechnik kann insbesondere das Sensorelement der Vorrichtung auf einfache und präzise Weise erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Erzeugung von einem oder mehreren Sensorelementen, insbesondere auch als Sensorfeld oder Sensormatrix, mit geometrisch je nach Einsatzzweck definierbarer Ausrichtung im tribologischen Kontaktbereich eine Erhöhung einer Signalauflösung ermöglichen.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils vorgestellt, wobei die Vorrichtung einen Korpus und zumindest ein Sensorelement aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Ausformen des Korpus mittels zumindest eines additiven Fertigungsprozesses oder Urformprozesses aus einem keramischen Werkstoff, wobei der Korpus mit einer Kontaktoberfläche zum Aufbringen des zumindest einen Sensorelements ausgeformt wird; und
- Aufbringen des zumindest einen Sensorelements auf die Kontaktoberfläche des Korpus mittels zumindest eines Maskierungsprozesses und zumindest eines Dünnschichtprozesses.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein, mittels dessen eine Fertigungseinrichtung ansteuerbar ist. Die Vorrichtung kann auch als tribologischer Beanspruchungssensor, Tribosensor, Sensorvorrichtung oder als eine Erfassungsvorrichtung bezeichnet werden. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um lokale Beanspruchungsgrößen wie Kontaktdruck, Kontakttemperatur und zusätzlich oder alternativ Schmierspaltweite oder Filmdicke zu erfassen. Die Vorrichtung kann an dem Bauteil oder in dem Bauteil im Bereich einer tribologisch beanspruchten Bauteiloberfläche desselben angeordnet sein. Das Bauteil kann mit einem weiteren Bauteil ein tribologisches System repräsentieren. Das zumindest eine Bauteil kann ein kontaktdynamisch beanspruchter Teil eines Wälzlagers, eines Gleitlagers, einer hydrostatischen und hydrodynamischen Kraft- und Arbeitsmaschine, einer elektrischen Antriebsachse, eines Getriebes, einer Düse, eines Injektors, eines Druckreglers, einer Pumpe, einer hydrostatischen Pumpe, einer hydrodynamischen Pumpe, eines Systems mit zumindest einer Pumpe, zumindest einem Kompressor, zumindest einem Verdichter und zusätzlich oder alternativ zumindest einer Turbomaschine, einer elektrischen Maschine, einer Verpackungsmaschine oder eines Werkzeugs für eine Einzelfertigung oder Serienfertigung von Werkstücken sein. Der Korpus kann beispielsweise quaderförmig, zylindrisch oder zylinderförmig ausgeformt sein. Der keramische Werkstoff kann insbesondere Aluminiumoxid, teilstabilisiertes Zirconiumdioxid, Mischoxidkeramik oder andere keramische Mischungen aufweisen. Das zumindest eine Sensorelement kann einen physikalischen Sensorwerkstoff, insbesondere ein Metallmaterial aufweisen. An das zumindest eine Sensorelement können elektrische Leitungen direkt anschließbar sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Aufbringens eine Prozessabfolge ausgeführt werden, die ein Maskieren zumindest einer Teilfläche der Kontaktoberfläche mit einem Maskierungsmaterial, ein Beschichten einer unmaskierten Teilfläche der Kontaktoberfläche mit einem Metallmaterial für das zumindest eine Sensorelement und ein Entfernen des Maskierungsmaterials umfasst. Das Maskierungsmaterial kann beispielsweise eine lackartige Tinte oder dergleichen aufweisen. Auch kann das Maskierungsmaterial mittels Wasser oder eines anderen Lösungsmittels entfernbar sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das zumindest eine Sensorelement besonders genau und kostengünstig erzeugt werden kann. Insbesondere kann auch im Falle einer konturierten Kontaktoberfläche das zumindest eine Sensorelement einfach, präzise und zuverlässig erzeugt werden.
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Insbesondere kann auch im Schritt des Aufbringens sequenziell eine Mehrzahl von Sensorelementen aufgebracht werden. Hierbei kann für jedes Sensorelement die Prozessabfolge wiederholt werden. Dabei können sich Sensorelemente hinsichtlich ihres Metallmaterials voneinander unterscheiden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auf einfache und exakt definierte Weise mehrere metallische Filme als Sensorelemente nacheinander aufgebracht werden können.
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Ferner kann im Schritt des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mittels zumindest eines additiven Fertigungsprozesses, insbesondere physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung oder eines ähnlichen Vakuumbeschichtungsprozesses aufgebracht werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mittels zumindest eines geometrischen Mikrostrukturierungsprozesses aufgebracht werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine bezüglich der zeitlichen Signalauflösung hochempfindliche Ausführung der Vorrichtung ermöglicht wird. Durch Aufbringen mittels additiver Fertigung auf einer aus keramischen Werkstoffen bestehenden Vorrichtung bzw. Aufnahme mittels eines der vorstehend genannten Beschichtungsprozesse und gegebenenfalls anschließender geometrischer Mikrostrukturierung können Tribosensoren, insbesondere Temperatursensoren, vorteilhaft hergestellt werden. Hierbei kann ein direktes Aufdampfen von physikalischen Sensorwerkstoffen auf die Kontaktoberfläche bzw. einer geometrischen Struktur mit Abmessungen beispielsweise im Nanometerbereich oder Mikrometerbereich erfolgen.
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Auch kann im Schritt des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement linienförmig, gerade, gleichmäßig gekrümmt, ungleichmäßig gekrümmt, bogenförmig, bogenabschnittförmig, kreisförmig, oval, rechteckig, vieleckig und zusätzlich oder alternativ mäanderförmig aufgebracht werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Abstimmung auf eine Art der tribologischen Beanspruchung anwendungsgerecht erfolgen kann, wobei eine Güte eines Sensorsignals verbessert werden kann.
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Zudem kann im Schritt des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mit zumindest einer konstanten Abmessung aufgebracht werden. Hierbei kann die zumindest eine Abmessung eine Länge, eine Breite und zusätzlich oder alternativ eine Schichtdicke des zumindest einen Sensorelements repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Güte eines Messsignals erhöht und eine Anpassung an Anwendungserfordernisse durchgeführt werden kann. Ferner kann im Schritt des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mit zumindest einer variablen Abmessung aufgebracht werden. Dabei kann die zumindest eine Abmessung eine Länge, eine Breite und zusätzlich oder alternativ eine Schichtdicke des zumindest einen Sensorelements repräsentieren. Hierbei kann die variable Abmessung einen stetigen oder unstetigen Verlauf aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine genaue Anpassung an Anwendungserfordernisse ermöglicht wird und eine Güte eines Messsignals erhöht und werden kann.
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Auch kann im Schritt des Ausformens der Korpus mit einer Kontaktoberfläche ausgeformt werden, die plan oder zumindest teilweise konturiert ist. Somit kann die Kontaktoberfläche eben sein oder in einer einzigen Ebene liegen. Alternativ kann die Kontaktoberfläche ein Höhenprofil bzw. eine Höhenkontur aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine exakte Anpassung an eine im tribologischen Kontakt vorhandene makroskopische bzw. mikroskopische Geometrie ermöglicht werden kann, um damit eine Minimierung einer Rückwirkung durch eine oder mehrere eingesetzte keramische Vorrichtungen zu erreichen.
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Insbesondere kann im Schritt des Ausformens der Korpus mittels dreidimensionalen Druckens und zusätzlich oder alternativ Keramikspritzgießens des keramischen Werkstoffs ausgeformt werden. Mittels derartiger additiver Fertigungsverfahren können messtechnisch vorteilhafte Sensorvorrichtungen kostengünstig hergestellt werden.
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Des Weiteren kann im Schritt des Ausformens eine Oberfläche der Kontaktoberfläche mit einer Rauheit ausgeformt werden, die einen Rauheitskennwert von maximal 0,1 Mikrometer aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren einen Schritt des Durchführens einer Oberflächenbearbeitung aufweisen, um eine Oberfläche der Kontaktoberfläche mit einer Rauheit zu versehen, die einen Rauheitskennwert von maximal 0,1 Mikrometer aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine stabile und sichere Verbindung und Haftfestigkeit zwischen der Oberfläche der Kontaktoberfläche und dem zumindest einen Sensorelement erreicht werden kann.
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Es wird auch eine Vorrichtung zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils vorgestellt, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
- einen Korpus mit einer Kontaktoberfläche zum Aufbringen zumindest eines Sensorelements der Vorrichtung, wobei der Korpus mittels zumindest eines additiven Fertigungsprozesses oder Urformprozesses aus einem keramischen Werkstoff ausgeformt ist; und
- zumindest ein Sensorelement, das an der Kontaktoberfläche des Korpus mittels zumindest eines Maskierungsprozesses und zumindest eines Dünnschichtprozesses aufgebracht ist.
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Die Vorrichtung kann durch Anwendung einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellt sein. Hierbei kann zumindest ein Sensorelement zum Erfassen von Kontaktdruck, Kontakttemperatur und zusätzlich oder alternativ Spaltweite sowie gegebenenfalls für hydraulischen Druck in einer einzigen Vorrichtung integriert werden.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils;
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine Kontaktoberfläche eines Ausführungsbeispiels eines Korpus einer Vorrichtung zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils;
- 3 eine schematische Draufsicht auf die gemäß einem Ausführungsbeispiel maskierte Kontaktoberfläche des Korpus aus 2;
- 4 eine schematische Draufsicht auf die gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel maskierte Kontaktoberfläche des Korpus aus 2;
- 5 eine schematische Draufsicht auf die gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel maskierte Kontaktoberfläche des Korpus aus 2;
- 6 eine schematische Draufsicht auf die gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel maskierte und mit einem Sensorelement beschichtete Kontaktoberfläche des Korpus aus 2; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 110 zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils 102. Anders ausgedrückt zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 110 in einem tribologisch beanspruchten Bauteil 102. Das tribologisch beanspruchte Bauteil 102 weist eine Bauteiloberfläche 104 auf, die einem weiteren Bauteil 106 zugewandt ist. Die Bauteiloberfläche 104 ist tribologisch beansprucht. Das Bauteil 102 und das weitere Bauteil 106 repräsentieren ein tribologisches System.
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Das tribologische System bzw. das Bauteil 102 und/oder das weitere Bauteil 106 betrifft insbesondere Verdrängerpumpen, Strömungspumpen, Innenzahnradpumpen, Hochdruckpumpen, Kraftstoff-Förderpumpen, Ölpumpen, Getriebepumpen, Getriebe-Boosterpumpen, Lenkhilfepumpen, Kühlwasserpumpen auch für hybride Antriebsstränge, Medizinpumpen für MCS („mechanical circulatory support devices“; mechanische Kreislaufunterstützungsvorrichtungen), auch als VAD-Pumpen (VAD = Ventricle Assist Device; Ventrikelunterstützungsvorrichtung) bezeichnet, Pumpen für Kaffeemaschinen bzw. Kaffeeautomaten, Pumpen für Waschmaschinen, Pumpen für Geschirrspülmaschinen, Pumpen für Hochdruckreiniger, Pumpen für Mobilhydraulik und Arbeitshydraulik, Pumpen für Heizungssystem, Pumpen für onshore-Öl- und -Gas-Produktion, Pumpen für offshore-Öl- und -Gas Produktion, eBike-Getriebe, Einrichtungen zur Werkzeugverschleißmessung oder dergleichen.
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Die Vorrichtung 110 ist in dem Bauteil 102 angeordnet. Genauer gesagt ist die Vorrichtung 110 in dem Bauteil 102 benachbart zu der Bauteiloberfläche 104 angeordnet. Die Vorrichtung 110 ist ausgebildet, um eine tribologische Beanspruchung zumindest des Bauteils 102 zu erfassen. Somit ist die Vorrichtung 110 als eine Sensorvorrichtung 110 bzw. als ein Tribosensor 110, insbesondere als ein Dünnschicht-Tribosensor ausgeführt.
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Die Vorrichtung 110 weist einen Korpus 120 und zumindest ein Sensorelement 130 auf. Der Korpus 120 ist aus einem keramischen Werkstoff ausgeformt. Dabei ist der Korpus 120 mittels zumindest eines additiven Fertigungsprozesses oder Urformprozesses ausgeformt. Der Korpus 120 weist eine Kontaktoberfläche 124 zum Aufbringen des zumindest einen Sensorelements 130 der Vorrichtung 110 auf. Das zumindest eine Sensorelement 130 ist an der Kontaktoberfläche 124 des Korpus 120 mittels zumindest eines Maskierungsprozesses und zumindest eines Dünnschichtprozesses aufgebracht.
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Das Sensorelement 130 ist ausgebildet, um einen Kontaktdruck, eine Kontakttemperatur oder eine Spaltweite sowie gegebenenfalls einen hydraulischen Druck als Messgröße hinsichtlich der tribologischen Beanspruchung zu erfassen. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 110 beispielhaft lediglich ein Sensorelement 130 auf.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Kontaktoberfläche 124 plan oder zumindest in einem Teilabschnitt gekrümmt bzw. konturiert ausgeformt sein. Insbesondere kann dabei eine Oberflächenkontur der Kontaktoberfläche 124 auf eine Oberflächenkontur des tribologisch beanspruchten Bauteils 102 und/oder des weiteren Bauteils 106 abgestimmt sein. Auch kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die Kontaktoberfläche 124 mit einer Oberflächenrauheit mit einem vordefinierten Rauheitskennwert ausgeformt sein oder auf eine Oberflächenrauheit mit einem vordefinierten Rauheitskennwert bearbeitet sein. Insbesondere kann dabei die Oberflächenrauheit auf eine Oberflächenrauheit des tribologisch beanspruchten Bauteils 102 und/oder des weiteren Bauteils 106 abgestimmt sein.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Kontaktoberfläche 124 eines Ausführungsbeispiels eines Korpus 120 einer Vorrichtung zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils. Der Korpus 120 entspricht oder ähnelt hierbei dem Korpus der Vorrichtung aus 1. In der Darstellung von 2 ist die Kontaktoberfläche 124 ohne das zumindest eine Sensorelement und unmaskiert gezeigt. Der Korpus 120 ist hierbei während einer Ausführung des Herstellungsverfahrens aus 7 oder eines ähnlichen Herstellungsverfahrens gezeigt. Genauer gesagt ist der Korpus 120 dabei in einem Zustand nach dem Schritt des Ausformens und vor dem Schritt 720 des Aufbringens gezeigt. Es ist in 2 auch ein Umriss des Korpus 120 bei Betrachtung entlang einer Normalen auf die Kontaktoberfläche 124 erkennbar. Lediglich beispielhaft entspricht oder ähnelt der Umriss gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einem Kreis mit zwei diametral gegenüberliegenden, abgerundet parabolischen Einbuchtungen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Umriss auch kreisförmig, oval, rechteckig oder dergleichen sein.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die gemäß einem Ausführungsbeispiel maskierte Kontaktoberfläche 124 des Korpus 120 aus 2. Lediglich beispielhaft sind zwei Teilflächen der Kontaktoberfläche 124 mit einem Maskierungsmaterial 330 maskiert. Ferner ist eine unmaskierte Teilfläche 326 der Kontaktoberfläche 124 gezeigt, die mit einem Metallmaterial für das zumindest eine Sensorelement der Vorrichtung beschichtbar ist. Der Korpus 120 ist somit während einer Ausführung des Herstellungsverfahrens aus 7 oder eines ähnlichen Herstellungsverfahrens gezeigt, genauer gesagt während einer Ausführung des Schrittes des Aufbringens. Die unmaskierte Teilfläche 326 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein gerader Streifen mit konstanter Breite.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf die gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel maskierte Kontaktoberfläche 124 des Korpus 120 aus 2. Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausführungsbeispiel aus 3 mit Ausnahme dessen, dass zwei Teilflächen der Kontaktoberfläche 124 mit dem Maskierungsmaterial 330 derart maskiert sind, dass die unmaskierte Teilfläche 326 sichelförmig bzw. ein gebogener Streifen mit variabler Breite ist.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel maskierte Kontaktoberfläche 124 des Korpus 120 aus 2. Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausführungsbeispiel aus 3 bzw. 4 mit Ausnahme dessen, dass zwei Teilflächen der Kontaktoberfläche 124 mit dem Maskierungsmaterial 330 derart maskiert sind, dass die unmaskierte Teilfläche 326 mäanderförmig ist.
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6 zeigt eine schematische Draufsicht auf die gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel maskierte und mit einem Sensorelement 130 beschichtete Kontaktoberfläche 124 des Korpus 120 aus 2. Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausführungsbeispiel aus 3, 4 bzw. 5 mit Ausnahme dessen, dass zwei Teilflächen der Kontaktoberfläche 124 mit dem Maskierungsmaterial 330 derart maskiert sind, dass eine unmaskierte Teilfläche die Form eines entlang eines Rechteckumfangs verlaufenden Streifens aufweist, wobei die und maskierte Teilfläche mit einem Metallmaterial für das Sensorelement 130 beschichtet ist. Im Bereich der parabolischen Einbuchtungen des Umrisses des Korpus 120 sind elektrische Anschlüsse 635 an das Sensorelement 130 realisierbar oder realisiert.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 700 zum Herstellen einer Vorrichtung zum Erfassen tribologischer Beanspruchung zumindest eines Bauteils. Hierbei umfasst die Vorrichtung einen Korpus und zumindest ein Sensorelement. Durch Ausführen des Verfahrens 700 zum Herstellen ist die Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren oder eine ähnliche Vorrichtung herstellbar.
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Das Verfahren 700 zum Herstellen umfasst einen Schritt 710 des Ausformens und einen Schritt 720 des Aufbringens. In dem Schritt 710 des Ausformens wird mittels zumindest eines additiven Fertigungsprozesses oder Urformprozesses der Korpus aus einem keramischen Werkstoff ausgeformt. Hierbei wird der Korpus mit einer Kontaktoberfläche zum Aufbringen des zumindest einen Sensorelements ausgeformt. Nachfolgend wird in dem Schritt 720 des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mittels zumindest eines Maskierungsprozesses und zumindest eines Dünnschichtprozesses auf die Kontaktoberfläche des Korpus aufgebracht.
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Insbesondere wird im Schritt 720 des Aufbringens eine Prozessabfolge ausgeführt, bei der zumindest eine Teilfläche der Kontaktoberfläche mit einem Maskierungsmaterial maskiert wird, eine unmaskierte Teilfläche der Kontaktoberfläche mit einem Metallmaterial für das zumindest eine Sensorelement beschichtet wird und das Maskierungsmaterial entfernt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 720 des Aufbringens sequenziell eine Mehrzahl von Sensorelementen aufgebracht. Hierbei wird für jedes Sensorelement die vorstehend genannte Prozessabfolge wiederholt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 720 des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mittels zumindest eines additiven Fertigungsprozesses, insbesondere physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung oder eines ähnlichen Vakuumbeschichtungsprozesses, und/oder mittels zumindest eines geometrischen Mikrostrukturierungsprozesses aufgebracht. Insbesondere wird im Schritt 720 des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement linienförmig, gerade, gleichmäßig gekrümmt, ungleichmäßig gekrümmt, bogenförmig, bogenabschnittförmig, kreisförmig, oval, rechteckig, vieleckig und/oder mäanderförmig aufgebracht.
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Optional kann im Schritt 720 des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mit zumindest einer konstanten Abmessung aufgebracht werden, die eine Länge, eine Breite und/oder eine Schichtdicke des zumindest einen Sensorelements repräsentiert. Alternativ kann im Schritt 720 des Aufbringens das zumindest eine Sensorelement mit zumindest einer variablen Abmessung aufgebracht werden, die eine Länge, eine Breite und/oder eine Schichtdicke des zumindest einen Sensorelements repräsentiert. Hierbei kann die variable Abmessung einen stetigen oder unstetigen Verlauf aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt 710 des Ausformens der Korpus mit einer Kontaktoberfläche ausgeformt werden, die plan oder zumindest teilweise konturiert ist. Insbesondere kann im Schritt 710 des Ausformens der Korpus mittels dreidimensionalen Druckens und/oder Keramikspritzgießens des keramischen Werkstoffs ausgeformt werden. Optional kann im Schritt 710 des Ausformens eine Oberfläche der Kontaktoberfläche mit einer Rauheit ausgeformt werden, die einen Rauheitskennwert von maximal 0,1 Mikrometer aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren 700 zum Herstellen optional zusätzlich einen Schritt 715 des Durchführens einer Oberflächenbearbeitung aufweisen. Der Schritt 715 des Durchführens ist ausführbar, um eine Oberfläche der Kontaktoberfläche mit einer Rauheit zu versehen, die einen Rauheitskennwert von maximal 0,1 Mikrometer aufweist. Dabei ist der Schritt 715 des Durchführens zwischen dem Schritt 710 des Ausformens und dem Schritt 720 des Aufbringens ausführbar.
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Unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren werden nachfolgend Hintergründe und ergänzende Merkmale von Ausführungsbeispielen zusammenfassend und/oder mit anderen Worten kurz dargestellt.
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Kontaktdynamiksensoren, auch tribologische Beanspruchungssensoren genannt, sogenannte „Tribosensoren“, dienen zur Messung lokaler Beanspruchungsgrößen wie Kontaktdruck und Kontakttemperatur sowie Schmierspaltweite bzw. Filmdicke mittels physikalischer Messtechnik in einem tribologischen System. Ein geometrischer Aufbau solcher Sensoren beeinflusst eine Signalqualität sowie eine örtliche und zeitliche Auflösung von Messsignalen. Mit Kontaktdrucksensoren, die im Dünnschicht-Verfahren mittels Vakuum und Fotolithografie hergestellt werden, daher auch „Dünnschicht-Tribosensoren“ (DST) genannt, lassen sich Sensorstrukturen typischerweise in der Größenordnung von 20 bis 50 Mikrometer realisieren. Dünnschicht-Tribosensoren wie die Vorrichtung 110 ermöglichen durch ihre geringen geometrischen Abmessungen eine sehr große lokale Auflösung des tribologischen Kontaktes. Diese DST nutzen den piezo-elektrischen, piezoresistiven bzw. thermo-resistiven Effekt bestimmter Metalle und Legierungen. Um diesen Effekt nutzen zu können, soll der metallische Sensor bzw. das Sensorelement 130 elektrisch vom Bauteil oder vom Sensorträger isolierend getrennt sein. Eine Spannungsversorgung und Signalübertragung erfolgen mittels elektrisch leitender Leiterbahnen bzw. Leitungen vom Sensorelement 130 zu einer Schnittstelle mit einer außerhalb des tribologischen Kontaktes aufgebauten Messkette. Das Verfahren, mit dem durch den PVD-Prozess die eigentliche Metallstruktur auf dem Sensorträger bzw. Korpus 120 ermöglicht wird, ist entscheidend für die Qualität des Sensors bzw. der Vorrichtung 110 und auch insbesondere für die Herstellungskosten.
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Auf dem für die Aufnahme des metallischen Sensors bzw. Sensorelements 130 im additiven Verfahren, beispielsweise 3D-Druck, oder Spritzguss hergestellten keramischen Sensorträger bzw. Korpus 120 werden mittels additiver Druckverfahren und auch im Siebdruckverfahren auf der Sensorfläche bzw. Kontaktoberfläche 124 mit bestimmten abwischbaren bzw. wasserlöslichen Tinten auf Lösemittelbasis als Maskierungsmaterial 330 maskenartige Flächen hergestellt. Auf die unmaskierte Fläche bzw. zumindest eine unmaskierte Teilfläche 126 werden dann im PVD-Verfahren (PVD = Physical Vapour Deposition) dünne metallische Filme aufgedampft, um das zumindest eine Sensorelement 130 zu erzeugen. Nach dem PVD-Verfahren kann das Maskierungsmaterial 330 in den maskierten Flächenbereichen bzw. Teilflächen insbesondere mittels geeigneter Lösungsmittel rückstandsfrei entfernt werden. Eine Form der Maskierung ist in Ihrer kleinsten Auflösung nur durch das eingesetzte Aufbringungsverfahren, beispielsweise Tintenstrahl-Druckverfahren begrenzt und liegt insbesondere bei 1 bis 5 Mikrometern. Als Geometrie der Masken kommen jeweils gemäß Anforderung des zu untersuchendes Systems gerade Linien, gekrümmte Linien, mäanderförmige Linien usw. in Betracht. Vorteilhaft ist auch, dass die Teilschritte des Schrittes 720 des Aufbringens bei dem Verfahren 700 hintereinander mehrfach angewandt werden können und damit unterschiedliche metallische Filme bzw. mehrere Sensorelemente 130 dargestellt werden können. Die in vorhergehenden Prozessschritten bzw. Teilschritten erzeugten metallischen Filme werden dabei jeweils neu mit einer lackartigen Tinte als Maskierungsmaterial 330 maskiert.
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Der aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere mit CIM (Ceramic Injection Molding; Keramikspritzguss) oder mit additiven Fertigungsverfahren, hergestellte Korpus 120, der bevorzugt eine zylindrische oder quaderförmige Außenkontur besitzt, beispielsweise mit einem Außendurchmesser DA ≥ 1 Millimeter oder eine Kantenlänge KL ≥ 1 Millimeter, einer Länge der Vorrichtung L ≥ 1 Millimeter und bei zylindrischer Ausführung einer Wanddicke WDZ ≥ 200 Mikrometer und bei quaderförmiger Ausführung einer Wanddicke WDQ ≥ 200 Mikrometer, wird zur Aufnahme von Tribosensoren bzw. Sensorelementen 130 genutzt.
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Auf der dem tribologischen Kontakt zugewandten Kontaktoberfläche 124 kann die Fläche eben bzw. mit einer beliebig gestalteten Kontur versehen sein und eine bestimmte Oberflächenrauheit aufweisen. Eine solche Konturierung ermöglicht eine exakte Anpassung an eine im tribologischen Kontakt vorhandene makroskopische bzw. mikroskopische Geometrie, um damit eine Minimierung einer Rückwirkung durch eine oder mehrere eingesetzte keramische Vorrichtungen 110 zu erreichen. Eine Anpassung an eine Oberflächenrauheit des umgebenden Originalbauteils reduziert die Rückwirkung durch den Sensor.
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Die dem tribologischen Kontakt zugewandte Stirnseite bzw. Kontaktoberfläche 124 des Korpus 120 wird mit einer lackartigen Tinte als Maskierungsmaterial 330 temporär maskiert. Eine solche Maske sorgt für eine definierte Form des metallischen Sensorfilms bzw. des aufgebrachten Metallmaterials für das zumindest eine Sensorelement 130. Die Maske braucht die Kontaktoberfläche 124 nicht vollständig zu bedecken, sondern es braucht lediglich sichergestellt zu werden, dass beim PVD-Prozess kein Metall auf eine nicht dafür vorgesehene Fläche oder Teilfläche des Trägers bzw. Korpus 120 aufgedampft wird. Die Maske bzw. das Maskierungsmaterial 330 kann nach dem PVD-Prozess insbesondere mit Wasser, anderen Lösungsmitteln oder dergleichen rückstandsfrei entfernt werden.
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Insbesondere sind Masken in folgender Geometrie je nach Anforderung an die Messaufgabe vorteilhaft: Linie in gerader oder gebogener Form, mäanderförmig, Kreis- oder Oval-Form, Rechteck, Vieleckform oder eine beliebige Kombination solcher geometrischen Formen. Die Linienbreite beträgt beispielsweise 100 Nanometer bis 50 Mikrometer. Eine Mäanderform dient zur Erhöhung der effektiven Länge des metallischen Sensorfilms. Ein Teilabschnitt einer Linie mit Mäanderform kann eine Länge von 50 Nanometer bis 500 Mikrometer aufweisen.
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Sollen zu messtechnischen Zwecken mehrere metallische Sensorfilme bzw. Sensorelemente 130 auf dem Sensorträger bzw. Korpus 120 appliziert werden, so wird hierfür beispielsweise folgende Prozessfolge eingesetzt: Maskierung mit Tinte für ersten Metallfilm, PVD-Bedampfung mit erste Metallmaterial, Entfernen oder Reinigen der Maske, Maskierung mit Tinte für zweiten Metallfilm, PVD-Bedampfung mit zweitem Metallmaterial und Entfernen oder Reinigen der Maske. Diese Teilschritte des Schrittes 720 des Aufbringens können so oft wie nötig wiederholt werden.
