DE102020214084A1

DE102020214084A1 - Bauteil und Verfahren zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands

Info

Publication number: DE102020214084A1
Application number: DE102020214084.7A
Authority: DE
Inventors: Vera Böhm; Maximilian Binder; Moritz Warnck; Christopher Singer; Julia Förster; Georg Schlick
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Die Anmeldung bezieht sich auf ein Bauteil (1), umfassend einen Grundkörper (2) und eine darin eingebettete Sensorstruktur (3), wobei die Sensorstruktur (3) aus einem Material gebildet ist, das eine auf spannungselastischer Martensitumwandlung basierte Pseudoelastizität und/oder ein auf thermoelastischer Martensitumwandlung basiertes Formgedächtnis aufweist, wobei in der Sensorstruktur (3) Wirbelströme induzierbar sind. Die Anmeldung bezieht sich weiterhin auf ein Herstellungsverfahren für das Bauteil (1) sowie auf ein Verfahren zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands des Bauteils (1).

Description

Die Anmeldung betrifft ein Bauteil sowie ein Herstellungsverfahren für das Bauteil, ein System mit dem Bauteil und ein Verfahren zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands.
Es sind Bauteile, etwa Industrie- und Werkzeugmaschinen bekannt, die Sensoren enthalten, mit denen Prozessparameter und Bauteilzustände überwacht werden können.
Problematisch ist hierbei die aufwändige Montage der Sensoren, die häufig manuelle Montageschritte erfordert. Dabei müssen in der Regel Maßnahmen zum Schutz der Sensoren vor Umwelteinflüssen getroffen werden. Zudem bereitet die Verkabelung der Sensoren Probleme, insbesondere wenn diese sich an drehenden oder sich bewegenden Teilen angeordnet sind. Oft können die Sensoren nicht am für die Überwachung optimalen Ort platziert werden, wenn dieser schlecht zugänglich ist oder dort kein ausreichender Platz vorhanden ist. Weiterhin kann es sein, dass das Bauteil durch die Sensoreinbringung geschwächt wird.
Häufig müssen die Sensoren daher wirkstellenfern platziert werden, was eine genaue Erfassung von statischen und dynamischen Kräften und Temperaturen schwierig oder gar unmöglich macht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zumindest einen Teil der oben genannten Probleme zu lösen und so eine bessere Bauteilüberwachung zu ermöglichen.
Das wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, sowie durch ein Herstellungsverfahren für ein solches Bauteil nach Anspruch 10. Ebenso gelöst wird die Aufgabe durch ein System nach Anspruch 12 oder ein Verfahren zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands nach Anspruch 15.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Das Bauteil umfasst einen Grundkörper und eine darin eingebettete Sensorstruktur, wobei die Sensorstruktur aus einem Material gebildet ist, das eine auf spannungselastischer Martensitumwandlung basierte Pseudoelastizität und/oder ein auf thermoelastischer Martensitumwandlung basiertes Formgedächtnis aufweist, wobei in der Sensorstruktur Wirbelströme induzierbar sind.
Dadurch, dass die Sensorstruktur in den Grundkörper eingebettet ist, bildet diese einen Teil des Bauteils. Das Bauteil ist dabei besonders bevorzugt ein additiv gefertigtes Bauteil. Eine möglicherweise unvorteilhafte Trennung zwischen Bauteil und Sensor ist in dem Bauteil aufgehoben. Dadurch wird beispielsweise eine vorteilhaftere Positionierung der Sensorstrukturen im Bauteil ermöglicht. Etwa können die Sensorstrukturen dadurch wirkstellennah angeordnet werden, wobei eine Schwächung des Bauteils weitgehend vermieden werden kann und/oder wobei die Sensorstruktur vor Umwelteinflüssen geschützt bleibt und/oder wobei ein erhöhter Platzbedarf durch die Sensorstruktur vermieden wird.
Ein Wechselformungsverhalten der Materialien, die die Sensorstruktur bilden, und die die Eigenschaften wie Pseudoelastizität und/oder Formgedächtniseffekt aufweisen, wird charakterisiert durch eine Änderung ihres Gefüges. Beispielsweise treten Gefügespannungen, Versetzungen oder ferromagnetische Phasen - insbesondere Martensit - auf. Dadurch werden Änderungen physikalischer Eigenschaften hervorgerufen, wie z.B. mechanischer Eigenschaften und/oder elektrischer Leitfähigkeit und/oder magnetische Permeabilität, die zerstörungsfrei mittels der dort induzierbaren Wirbelströme, durch ein elektromagnetisches oder magnetinduktives Verfahren, erfassbar und quantifizierbar sind. Dadurch können wiederum Rückschlüsse auf Veränderungen, die das Bauteil betreffen, wie z.B. Belastungen oder Alterungsprozesse, gezogen werden können.
Bei dem Verfahren zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands, wird das Bauteil bereitgestellt, dessen Bauteilzustand überwacht werden soll, wobei das Bauteil den Grundkörper und die darin eingebettete Sensorstruktur umfasst, die aus einem Material gebildet ist, das eine auf spannungselastischer Martensitumwandlung basierte Pseudoelastizität und/oder ein auf thermoelastischer Martensitumwandlung basiertes Formgedächtnis aufweist.
Dabei werden weiterhin mindestens eine Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Primärwechselfelds und mindestens eine Messspule bereitgestellt.
Durch die mindestens eine Erregerspule wird ein magnetisches Primärwechselfeld erzeugt, das die Wirbelströme in der Sensorstruktur induziert.
Durch die Wirbelströme erzeugte Magnetfelder, insbesondere Sekundärmagnetfelder und/oder Tertiärmagnetfelder, werden mit der mindestens einen Messspule detektiert.
Es wird so also eine bauteilinhärente, insbesondere drahtlose, Erfassung von z.B. statischen und dynamischen Belastungen, sowie Temperaturen mittels - insbesondere additiv gefertigter - sensorischer Strukturen mit bspw. belastungs- und thermoinduzierten Werkstoffeigenschaften ermöglicht.
Wie später noch erläutert wird, können die Erregerspule und/oder die Messspule in einer vom Bauteil getrennten Prüfvorrichtung bereitgestellt werden, die zumindest während die elektromagnetische Überwachung des Bauteilzustands des Bauteils stattfindet in die Nähe des Bauteils gebracht werden kann, insbesondere in die Nähe der Sensorstruktur des Bauteils, oder aber die Erregerspule und/oder die Messspule können in das Bauteil integriert sein, wobei sie von außen kontaktierbar sind. Die externe Prüfvorrichtung kann auch dauerhaft an dem Bauteil angeordnet sein.
Bei dem Verfahren oder mit Hilfe des Bauteils kann aus den detektierten Magnetfeldern zur Überwachung des Bauteilzustands des Bauteils beispielsweise eine auf das Bauteil wirkende Kraft und/oder ein auf das Bauteil wirkender Druck und/oder ein auf das Bauteil wirkendes Drehmoment und/oder eine im Bauteil herrschende Temperatur ermittelt werden.
Dabei kann beispielsweise eine Kalibrierung in Bezug auf Kraft und/oder Druck und/oder Drehmoment und/oder Temperatur vor einer Inbetriebnahme oder zu Beginn der Inbetriebnahme des Bauteils durchgeführt wird.
Die durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder, also bspw. Sekundärmagnetfelder und/oder Tertiärmagnetfelder, die mit der mindestens einen Messspule detektiert werden, sind üblicherweise überlagert von den Primärwechselfeldern der Erregerspule, wobei ein aus der Überlagerung der Felder entstehendes resultierendes Feld mit der Messspule gemessen wird. Die beschriebene Detektion der durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder mit der mindestens einen Messspule bedeutet also in der Regel die Erfassung solcher überlagerter Felder.
Die so erfassten Magnetfelder und also die induzierte Messspannung sind beeinflusst durch Gefügeänderungen oder Phasenumwandlungen in dem Material der eingebetteten Sensorstruktur, die in Reaktion auf zum Beispiel Belastung und/oder Alterung erfolgen. Entsprechend einem sich verändernden Zusammenhang zwischen beispielsweise magnetischer Feldstärke und magnetischer Flussdichte enthält die induzierte Messspannung Informationen über die Änderung der magnetischen Kennwerte und der elektrischen Leitfähigkeit der Sensorstruktur. Durch bspw. eine gezielte Erfassung mittels unterschiedlicher Spulenanordnungen, wie umfassende Spulen oder innenliegende Spulen oder Tastdetektorpulenanordnungen, wobei überdies verschiedene Schaltungsarten (z.B. Absolutwertschaltung oder Differenzwertschaltung) möglich sind, und durch eine Bewertung des Messsignals bspw. im Zeit-Bereich und/oder im Frequenz-Bereich (etwa durch die Analyse signifikanter systematischer Frequenzbänder), können die Gefügeänderungen oder Phasenumwandlungen beispielsweise nachgewiesen werden. Insbesondere kann eine Analyse im Zeit- und im Frequenzbereich gleichzeitig durchgeführt werden.
Die Sensorstruktur kann beispielsweise aus einer binären Legierung oder aus einer ternären Legierung gebildet sein. Die Sensorstruktur kann zum Beispiel aus einer Nickellegierung gebildet sein, insbesondere aus NITINOL gebildet sein oder sie kann NITINOL enthalten. Es kann sich bei der Legierung insbesondere um eine binäre Nickel-Titan-Legierung oder auch um ein ternäres Legierungssystem, insbesondere Nickel-Titan-Kupfer oder Nickel-Titan-Eisen handeln. Die Sensorstruktur kann also insbesondere aus einer Legierung gebildet sein, die Nickel und/oder Titan enthält. Die Sensorstruktur kann beispielsweise gebildet sein aus Nickel-Titan und/oder Nickel-Titan-Kupfer und/oder Nickel-Titan-Eisen und/oder Titan-Zirkonium-Niobium und/oder Kobalt-Nickel-Gallium und/oder Kupfer-Zink und/oder Kupfer-Zink-Aluminium und/oder Kupfer-Aluminium-Nickel und/oder Eisen-Nickel-Aluminium und/oder Eisen-Mangan-Silizium und/oder Nickel-Mangan-Gallium oder sie kann eine oder mehrere dieser Legierungen enthalten.
Die Sensorstruktur kann sich in dem Bauteil, wie erwähnt, an kritische Stellen erstrecken, die zur Überwachung des Bauteilzustands überwacht werden sollen, und sich dementsprechend zum Beispiel dreidimensional in dem Bauteil erstrecken. Die Ausgestaltung und Positionierung der Sensorstruktur innerhalb des Bauteils kann darüber hinaus daran angepasst werden, welche physikalischen Parameter überwacht werden sollen und/oder aus welcher Richtung beispielsweise Kräfte zu erwarten sind.
Beispielsweise kann die Sensorstruktur eine Gitterstruktur aufweisen. Beispielsweise kann sie ein oder mehrere mäanderförmige Messgitter umfassen und/oder eine oder mehrere, insbesondere kreisförmige, Membranrosetten und/oder eine oder mehrere Vater-Pacini-Strukturen.
Die Sensorstruktur kann in möglichen Ausführungsformen vollständig von dem Grundkörper umschlossen sein. Dadurch bleibt sie beispielsweise vor Umwelteinflüssen geschützt.
In anderen Ausführungsformen kann die Sensorstruktur sich aber auch zumindest teilweise oder auch vollständig in einer Beschichtung des Grundkörpers befinden oder zumindest einen Teil einer Oberflächenschicht des Bauteils bilden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn physikalische Parameter gerade an der Oberfläche überwacht werden sollen, oder wenn sich deren Erfassung in Oberflächennähe aus anderen Gründen anbietet.
Die Sensorstruktur kann im Bauteil so angeordnet sein, dass sie zumindest in einem Bereich einen Abstand von weniger als 50 mm oder weniger als 40 mm, oder weniger als 30 mm von einer Bauteiloberfläche aufweist. Dies kann dazu dienen, dass die Sensorstruktur mittels der Erregerspule wenn diese als externe Erregerspule in der Prüfvorrichtung bereitgestellt ist, gut anregbar ist und die durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder mit der Messspule, wenn diese als externe Messspule in der Prüfvorrichtung bereitgestellt ist, gut detektierbar sind. Bei dem Bereich, der diesen Abstand aufweist, kann es sich also gerade um einen Bereich handeln, der eingerichtet ist, mit Erregerspule und Messspule zu wechselwirken. Dieser Bereich oder diese Bereiche können außen am Bauteil markiert werden, um eine Positionierung der Prüfvorrichtung zu erleichtern.
Wie oben erwähnt, liegt die Sensorstruktur nicht immer gänzlich im Inneren des Bauteils, sondern kann auch zumindest Teilweise an dessen Oberfläche liegen. Dabei ist es aber möglich, dass in Ausführungen, in denen die Sensorstruktur gänzlich im Inneren liegt, ein Abstand der Sensorstruktur von der Oberfläche des Bauteils immer mindestens 0,5 mm oder mindestens 0,1 mm oder mindestens 0,05 mm beträgt, etwa um den Schutz vor Umwelteinflüssen, sofern gewünscht, zu bewerkstelligen.
Das Bauteil kann beispielsweise ein Bauteil aus einem der technischen Gebiete Medizintechnik, Anlagen- oder Maschinenbau, Werkzeugbau Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik oder Produktionstechnik sein. Die Anwendung der Bauteile ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn eine kostengünstige Herstellung von Bauteilen inklusive Sensorik erwünscht ist und/oder wenn besonders hohe Anforderungen an das Bauteil bestehen. Das kann etwa bei sehr komplexen Bauteilen der Fall sein, aber auch z.B. bei Komponenten für die Mess- und Prüftechnik sowie auch bei z.B. niedrigpreisigen Normteilen. Beispielsweise kann es sich bei dem Bauteil um eine drehende Komponente, eine Welle, ein Rohr, eine Turbinenschaufel, ein medizinisches Implantat, eine Wälzlagerkomponente, ein Zahnrad, eine Passfeder, einen Stift oder eine Schraube handeln.
Bei Ausführungen des Bauteils kann es sein, dass in dem Grundkörper eine oder mehrere integrierte Spulenstrukturen vorgesehen sind. Insbesondere kann das Bauteil eine oder mehrere additiv gefertigte integrierte Spulenstrukturen enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Bauteil integrierte Leiterstrukturen, insbesondere additiv gefertigte integrierte Leiterstrukturen, enthalten.
Wie erwähnt, können die Erregerspule(n) und/oder die Messspule(n) in das Bauteil integriert sein. Dann können die eine oder die mehreren integrierten Spulenstrukturen eine oder mehrere der Erregerspulen zur Erzeugung eines magnetischen Primärwechselfelds und/oder eine oder mehrere der Messspulen umfassen. Durch das magnetische Primärwechselfeld einen oder der mehreren integrierten Erregerspulen sind die Wirbelströme induzierbar und/oder die dadurch erzeugten Magnetfelder sind mit der einen oder den mehreren integrierten Messspule detektierbar. Das heißt, dass die Spulen zum Beispiel innerhalb des Bauteils in der Nähe der Sensorstrukturen oder in der Nähe eines ausgewählten Abschnitts der Sensorstruktur angeordnet und entsprechend ausgerichtet sind, um mit der Sensorstruktur oder diesem Abschnitt in elektromagnetische Wechselwirkung treten zu können.
Integrierte Erregerspulen und/oder Messspulen können beispielsweise bei größeren Bauteilen vorteilhaft sein oder dann, wenn eine von außen schlecht zugängliche Stelle überwacht werden soll.
Auch die derart integrierten Spulen sind vorzugsweise gemeinsam mit dem Grundkörper und der Sensorstruktur additiv gefertigt und so Teil des Bauteils.
Die integrierten Spulen und die integrierten Sensorstrukturen interagieren wie auch im Falle externer Spulen über die beschriebenen Magnetfelder und Wirbelströme miteinander, ohne, dass eine zusätzliche Verkabelung notwendig ist. Die integrierten Spulen werden dabei beispielsweise von außen angesteuert und darin erzeugte Signale ausgelesen. Das kann über die möglichen integrierten Leiterstrukturen geschehen, die vorzugsweise ebenfalls mit dem verbleibenden Bauteil integriert gefertigt sind. Sie können die Kontaktierung der Spulen von außen ermöglichen, indem sie eine leitende Verbindung zu einer Oberfläche des Bauteils schaffen. Eine externe Prüfvorrichtung, die dafür eingerichtet ist, die Spulen anzusteuern bzw. deren Signale zu empfangen, kann dann zur Durchführung der Überwachung des Bauteilzustands des Bauteils über die integrierten Leiterstrukturen mit den integrierten Spulen verbunden werden. In einer Steuer- und Verarbeitungseinheit der externen Prüfvorrichtung werden dabei z.B. entsprechende Signale für die Erregerspule erzeugt und empfangene Signale von der Messspule verarbeitet.
Bei dem Herstellungsverfahren für das oben beschriebene Bauteil kann es sein, dass der Grundkörper und die Sensorstruktur des Bauteils gemeinsam additiv gefertigt werden. Insbesondere können sie schichtweise und/oder in einem pulverbettbasierten Verfahren. Das trifft auch auf die möglichen weiteren Komponenten wie integrierte Spulenstrukturen und/oder Leiterbahnen zu, die ebenfalls gemeinsam mit dem Grundkörper additiv gefertigt werden können. Dadurch kann, wie eingangs erwähnt, besonders vorteilhaft die Trennung zwischen den verschiedenen Strukturen aufgehoben werden. Auf diese Weise entsteht ein zusammenhängendes und besonders stabiles und/oder leistungsfähiges Bauteil, in dem eine ungewollte Schwächung vermieden wird.
In dem Herstellungsverfahren kann das Bauteil zum Beispiel durch pulverbettbasiertes Multimaterial-Laserstrahlschmelzen oder durch pulverbettbasiertes Multimaterial-Elektronenstrahlschmelzen oder durch Auftragsschweißen, insbesondere Laserpulver-Multimaterial-Auftragsschweißen oder Elektronenstrahl-Multimaterial-Auftragsschweißen, oder durch ein lichtbogen- oder drahtbasiertes Multimaterialverfahren oder durch Multimaterial-Kaltgasspritzen oder durch thermisches Spritzen oder durch Chemical Vapor Depositioning oder durch Sputtern hergestellt werden.
Das hierin vorgestellte System umfasst das oben beschriebene Bauteil in irgendeiner seiner möglichen Ausführungsformen und eine Prüfvorrichtung,
Die Prüfvorrichtung kann eine Steuer- und Verarbeitungseinheit umfassen, die zur Ansteuerung der Erregerspule eingerichtet ist. Zu dem Zweck kann sie dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Erregersignale zu erzeugen.
Ferner kann die Steuer- und Verarbeitungseinheit Mittel umfassen zum Empfangen von elektromagnetischen Signalen von der Messspule sowie Mittel zum Verarbeiten der Signale.
Insbesondere dann, wenn in dem Bauteil selbst keine Erregerspule und/oder keine Messspule vorgesehen ist, kann die Prüfvorrichtung die jeweils im Bauteil nicht vorhandene Spule umfassen. Die Prüfvorrichtung umfasst dann also mindestens eine Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Primärwechselfelds und/oder mindestens eine Messspule. Dabei sind die Prüfvorrichtung und das Bauteil derart zueinander positionierbar, dass durch das magnetische Primärwechselfeld der mindestens einen Erregerspule der Prüfvorrichtung die Wirbelströme induziert werden und/oder dadurch erzeugte Magnetfelder mit der mindestens einen Messspule detektierbar sind.
Insbesondere dann, wenn das Bauteil die mindestens eine Erregerspule und/oder die mindestens eine Messspule als integrierte Spulenstrukturen enthält, kann die Prüfvorrichtung eingerichtet sein zum Ankoppeln an die integrierten Spulenstrukturen des Bauteils, insbesondere über integrierte Leiterstrukturen. Dann ist beispielsweise mittels der Prüfvorrichtung in der mindestens einen Erregerspule ein magnetisches Primärwechselfeld anregbar wobei durch dieses magnetische Primärwechselfeld der mindestens einen Erregerspule Wirbelströme induziert werden. So erzeugte Magnetfelder können beispielsweise mit der mindestens einen Messspule detektierbar und an die angekoppelte Prüfvorrichtung kommunizierbar sein. Beispielsweise sind integrierte Leiterstrukturen zur Verfügung gestellt, sie die Kontaktierung der integrierten Messspule(n) und/oder Erregerspule(n) durch die externe Prüfvorrichtung ermöglichen.
Im Folgenden werden noch unterschiedliche mögliche Spulenanordnungen und -schaltungen der Erregerspulen und der Messspulen, also insbesondere von Erregerspule(n) und Messspule(n) zueinander dargelegt. Es versteht sich, dass die im Folgenden beschriebenen unterschiedlichen Anordnungen sowohl dann umgesetzt werden können, wenn die Messspule(n) und die Erregerspule(n) allesamt in der Prüfvorrichtung bereitgestellt werden, als auch dann, wenn sämtliche Spulen als integrierte Spulenstrukturen vorgesehen sind. Typischerweise sind sämtliche Spulen als integrierte Spulen oder sämtliche Spulen als externe Spulen in der Prüfvorrichtung vorgesehen. Es ist aber auch möglich, dass sowohl das Bauteil als auch die Prüfvorrichtung Spulen enthalten, wobei es einerseits möglich ist, dass neben intern bereitgestellten Mess- und Erregerspulen auch externe Mess- und Erregerspulen vorhanden sind, oder dass beispielsweise eine integrierte Messspule und eine externe Erregerspule vorgesehen sind, die zusammenwirken, oder eine integrierte Erregerspule und eine externe Messspule, die zusammenwirken.
Die Erregerspule(n) und die Messspule(n) können beispielsweise in einer Absolutwertdetektoranordnung oder in einer Differenzwertdetektoranordnung angeordnet sein. Im Fall der Absolutwertdetektoranordnung findet eine Messung der Induktionsspannung in der Messspule statt. Im Fall der Differenzwertdetektoranordnung gibt es z.B. zwei Messspulen, die eine Differenzschaltung haben, d. h. bei gleichem magn. Fluss in beiden Spulen geht eine resultierende Induktionsspannung gegen Null und es findet keine Messung von Absolutwerten statt. Kleinste Veränderungen des magnetischen Flusses in einer der beiden Messspulen führen in solchen Differenzschaltungen zu einer Messsignaländerung.
Für die Spulenanordnung von Erregerspule(n) und Messspule(n) können verschiedene Bauformen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können Tastspulenanordnungen vorgesehen sein. Bei Tastspulenanordnungen können Erreger- und Messspulen beispielsweise ineinander liegen oder aber Erreger- und Messspule können voneinander beabstandet, z.B. nebeneinander, liegen. Es können auch umfassende Spulenanordnungen oder innenliegende Spulenanordnungen vorgesehen sein.
Beispielsweise dann, wenn eine Messung eines Tertiärfeldes vorgesehen ist, können eine Messspule und eine Erregerspule, die miteinander interagieren, voneinander beabstandet, insbesondere nebeneinander, angeordnet und/oder einzeln geschirmt sein. Dadurch kann z.B. die Erfassung von Signalen aus Wirbelströmen tief liegender Sensorstrukturen ermöglicht werden.
Es sei betont, dass solche Merkmale, die hierin nur im Zusammenhang mit dem Bauteil oder dem System beschrieben sind, gleichermaßen für das Herstellungsverfahren und/oder für das Verfahren zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands beansprucht werden können und umgekehrt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der angehängten Figuren beispielhaft näher erläutert.
Darin zeigen

1a,b eine Bauteil mit eingebetteter Sensorstruktur und dieses Bauteil unter Last
2 ein Herstellungsverfahren für das Bauteil,
3 ein System zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands, das Bauteil umfassend,
4a, b zwei Ausführungsformen des Systems zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands,
5a, b zwei Ansichten einer weiteren Ausführungsform des Bauteils
6a-d Ausführungen des Bauteils mit unterschiedlich ausgeführten Sensorstrukturen,
7a, b Prüfvorrichtungen für das System zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands,
8a, b mögliche Anordnungen von Erregerspulen und Messspulen, zur Anregung und von Wirbelströmen in den Sensorstrukturen und zu deren Detektion und
9a-d weitere Anordnungen von Erregerspulen und Messspulen.

1 a zeigt ein Bauteil 1, umfassend einen Grundkörper 2 und eine darin eingebettete Sensorstruktur 3, die integral zusammen mit dem Grundkörper gefertigt ist. Die Sensorstruktur 3 ist aus einem Material gebildet ist, das eine auf spannungselastischer Martensitumwandlung basierte Pseudoelastizität und/oder ein auf thermoelastischer Martensitumwandlung basiertes Formgedächtnis aufweist wobei in der Sensorstruktur Wirbelströme induzierbar sind.
Die Sensorstruktur 3 ist aus einer Legierung gebildet, die ausgewählt ist aus Nickel-Titan, Nickel-Titan-Kupfer, Nickel-Titan-Eisen, Titan-Zirkonium-Niobium, Kobalt-Nickel-Gallium, Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium, Kupfer-Aluminium-Nickel, Eisen-Nickel-Alumiunium, Eisen-Mangan-Silizium und Nickel-Mangan-Gallium.
Die Sensorstruktur 3 ist in dem Bauteil 1 in einem Bereich angeordnet, der bei einer auf das Bauteil 1 unter typischer Beanspruchung wirkenden Kraft besonders beansprucht wird. Dies ist in 1 b beispielhaft illustriert: Wirkt etwa eine Druckbeanspruchung auf den in der Figur oben rechts gezeigten Abschnitt des Bauteils 1, werden die Kräfte vornehmlich im Bereich eines Knicks, an dem auch die Sensorstruktur 3 angeordnet ist, aufgenommen. Größere Kräfte sind in der Figur durch eine dichtere Schraffur kenntlich gemacht. Die Kräfte wirken somit auch in der Sensorstruktur 3, die als mit dem Grundkörper 2 integral gefertigte Struktur einen Teil des Bauteils 1 darstellt. Hervorgerufen durch diese Beanspruchung finden in dem Material der Sensorstruktur 3 Gefügeänderungen statt. Beim Belasten der Legierung der Sensorstruktur 3 findet beispielsweise zuerst eine elastische Deformation einer β-Phase statt. Wird eine Spannung erreicht, die eine spannungsinduzierte α-Martensitbildung auslöst, werden nur Schersysteme aktiviert, in welchen maximale Schubspannungen auftreten. Folglich bilden sich nur Vorzugsvarianten des Martensits. Mit dieser spannungsinduzierten Martensitbildung verbundene gittervariante Formänderungen bewirken die pseudoelastische Verformung. Wird die Belastung vor Erreichen der Fließgrenze des α-Martensits abgrebrochen, dann wird die plastische Deformation des Martensits durch konventionelles Gleiten vermieden. Unter Wirkung elastischer Gitterverzerrungen, die beim Belasten entstehen, findet beim anschließenden Entlasten eine Transformation α → β statt. Die gittervarianten Formveränderungen und die pseudoelastische Deformation bilden sich zurück. Nach dem vollständigen Entlasten hat sich auch die elastische Verformung der β-Phase vollständig zurückgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann durch die Verformung oder auch eine Kombination der Verformung mit einem Ausscheidungsvorgang das Material ein Formgedächtnisverhalten (Zweiwegeffekt) aufweisen. Eine Formänderung findet beispielsweise ohne Mitwirkung einer äußeren Spannung reversibel in Abhängigkeit von der Temperatur statt. Derartiges Wechselverformungsverhalten möglicher Legierungen der Sensorstruktur 3 geht einher mit einer Änderung des Gefüges der Sensorstruktur 3. Das führt zur Änderung von sowohl mechanischen als auch weiteren physikalischen Eigenschaften, wie der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität. Eine insbesondere quantitative Bestimmung dieser Kennwerte durch ein elektromagnetisches, magnetinduktives Messverfahren, erlaubt also eine zerstörungsfreie Prüfung des Bauteils 1. Dies wird im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren noch näher erläutert.
2 illustriert ein Herstellungsverfahren für das Bauteil 1. Im gezeigten Beispiel werden der Grundkörper 2 und die Sensorstruktur 3 des Bauteils gemeinsam additiv gefertigt, wobei ein schichtweises, pulverbettbasierten Verfahren zum Einsatz kommt. In verschiedenen Beispielen kann die Fertigung z.B. mittels pulverbettbasiertem Multimaterial-Laserstrahlschmelzen oder pulverbettbasiertem Multimaterial-Elektronenstrahlschmelzen erfolgen. Sie kann auch durch Auftragsschweißen - insbesondere Laserpulver-Multimaterial-Auftragsschweißen oder Elektronenstrahl-Multimaterial-Auftragsschweißen - oder mittels eines lichtbogen- oder drahtbasierten Multimaterialverfahrens oder mittels Multimaterial-Kaltgasspritzen oder durch thermisches Spritzens oder Chemical Vapor Depositioning oder Sputtern erfolgen.
Dabei kann das im gezeigten Verfahren hergestellte Bauteil 1 so ausgeführt sein wie in 1 a und 1 b gezeigt, das Bauteil 1 kann aber auch z.B. als drehende Komponente einer Vorrichtung ausgeführt sein oder als Turbinenschaufel, als medizinisches Implantat, als Wälzlagerkomponente, als Zahnrad, als Passfeder, als Stift oder als Schraube.
3 zeigt ein System, welches das Bauteil 1 und eine Prüfvorrichtung enthält. Das Bauteil 1 ist exemplarisch in der Form aus den 1 a und 1 b dargestellt, es kann auch eine andere Form haben. Die Prüfvorrichtung 6 umfasst mindestens eine Erregerspule 4 zur Erzeugung eines magnetischen Primärwechselfelds und mindestens eine Messspule 5. Die Spulen 4, 5 sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Mögliche Ausgestaltungen und Anordnungen der Spulen 4, 5 werden weiter unten noch näher erläutert. Die Prüfvorrichtung 6 umfasst weiterhin eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 8. Die Prüfvorrichtung wird zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands des Bauteils 1 derart in der Nähe des Bauteils 1 positioniert, dass durch das magnetische Primärwechselfeld der mindestens einen Erregerspule 4 die Wirbelströme in der Sensorstruktur 3 induziert werden und dadurch erzeugte Magnetfelder mit der mindestens einen Messspule 5 drahtlos erfasst werden. Dazu wird insbesondere das Gehäuse, das die Spulen 4, 5 enthält auf die entsprechende Stelle des Bauteils gerichtet, an der die Sensorstruktur 3 angeordnet ist und an der die hohen Beanspruchungen zu erwarten sind. Die Erregerspule 4 wird gemäß einem von der Steuer- und Verarbeitungseinheit 8 bereitgestellten Erregersignal A betrieben.
Die durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder, insbesondere Sekundärmagnetfelder und/oder Tertiärmagnetfelder, werden, in Überlagerung mit den Primärmagnetfeldern der Erregerspule 4, von der mindestens einen Messspule 5 detektiert und als Messsignal B an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 8 weitergeleitet. In der Steuer- und Verarbeitungseinheit 8 wird das Messsignal B verarbeitet und analysiert. Dabei werden z.B. das Erregersignal A und das Messsignal B miteinander verglichen, es werden z.B. Amplituden- und Phasenunterschied betrachtet sowie deren zeitliche Änderungen erfasst und/oder Analysen im Zeit-Frequenz-Bereich, also in der Zeitdomäne und in der Frequenzdomäne gleichzeitig, vorgenommen.
Auf diese Weise werden aus den detektierten Magnetfeldern und dem entsprechenden Messsignal B zur Überwachung des Bauteilzustands eine auf das Bauteil wirkende Kraft und/oder ein auf das Bauteil wirkender Druck und/oder ein auf das Bauteil wirkendes Drehmoment und/oder eine im Bauteil herrschende Temperatur ermittelt. Dabei kann eine Kalibrierung in Bezug auf Kraft und/oder Druck und/oder Drehmoment und/oder Temperatur vor einer Inbetriebnahme oder zu Beginn der Inbetriebnahme des Bauteils durchgeführt werden.
4 a und 4 b zeigen zwei verschiedene Ausführungen des Systems zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands. In beiden Fällen sind Schnitte durch das Bauteil 1, dessen Zustand überwacht werden soll, und durch die Prüfvorrichtung 6 gezeigt. Die Sensorstruktur 3 ist jeweils in den Grundkörper 2 eingebettet und additiv mit ihm zusammen gefertigt. Beide Ausführungen sind eingerichtet für eine elektromagnetische Überwachung des Bauteilzustands unter Verwendung von Wirbelströmen, gemäß dieser Anmeldung.
Im Fall der 4 a werden eine Erregerspule 4 und eine Messspule 5 in der Prüfvorrichtung bereitgestellt. Damit werden, wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben, die Wirbelströme in der Sensorstruktur 3 induziert und dadurch erzeugte Magnetfelder drahtlos erfasst.
Gemäß der Ausführung aus 4 b umfasst das Bauteil die Erregerspule 4 und die Messspule 5. Dabei sind in dem Grundkörper 2 mit ihm zusammen additiv gefertigte integrierte Spulenstrukturen angeordnet. Diese Spulenstrukturen umfassen die Erregerspule 4 und die Messspule 5. Ferner sind ebenfalls mit dem Grundkörper 2 zusammen additiv gefertigte integrierte Leiterstrukturen 7 im Bauteil 1 vorhanden. Über die Leiterstrukturen 7, die von einer Oberfläche des Bauteils zu der Erregerspule 4 und zu der Messspule 5 führen, sind diese von der Oberfläche des Bauteils aus kontaktierbar. Die Prüfvorrichtung 6 enthält im Beispiel aus der 4 b entsprechende Leitungen und Anschlüsse, über die die integrierten Leiterstrukturen kontaktiert werden können, um so das Erregersignal an die Erregerspule 4 zu senden und das Messsignal von der Messspule 5 zu empfangen. Die Prüfvorrichtung 6 ist also eingerichtet zum Ankoppeln an die integrierten Spulenstrukturen des Bauteils 1, nämlich über die integrierten Leiterstrukturen 7, wobei mittels der Prüfvorrichtung 6 in der Erregerspule 4 das magnetische Primärwechselfeld anregbar ist und wobei durch das magnetische Primärwechselfeld der Erregerspule 4 die Wirbelströme induziert werden und dadurch erzeugte Magnetfelder mit der mindestens einen Messspule 5 detektierbar und an die angekoppelte Prüfvorrichtung 6 kommunizierbar sind.
Mit dem Unterschied, dass die Kontaktierung der Erregerspule und der Messspule 4 über die integrierten Leiterstrukturen 7 erfolgt und, dass mittels der Spulen 4, 5 erzeugten und detektierten Felder zwischen den Spulen 4, 5 und der Sensorstruktur 7 ausschließlich im Inneren des Bauteils 1 propagieren können, anstatt vom Bauteil 1 zu der externen Prüfvorrichtung 6, ist die Funktionsweise der Vorrichtung 4 b identisch zur Funktionsweise der Vorrichtung aus 4 a. Etwa können im Beispiel aus 4 b vorteilhaft auch weiter innenliegende Sensorstrukturen 3 angeregt werden. Voraussetzung ist aber selbstverständlich, dass im Inneren des Bauteil 1 ausreichend Platz für die Integration der Spulen 4, 5 zur Verfügung steht.
Für die additive Fertigung des Bauteils 1 aus 4 b, mitsamt seiner Sensorstruktur 3 und seinen integrierten Leiterstrukturen 7 können die im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Verfahren verwendet werden.
5 a zeigt eine Draufsicht auf das Bauteil 1 in einer Ausführung, in der die Sensorstruktur 3 sich an einer Oberfläche des Grundkörpers 2 befindet. 5 b zeigt einen Schnitt durch das Bauteil 1 aus 5 a entlang der dort eingezeichneten Linie A-A. Die Sensorstruktur befindet sich dabei in einer Oberflächenschicht des Bauteils 1. Dies ermöglicht beispielsweise, dort auftretende Verformungen oder einwirkende Kräfte vorteilhaft zu erfassen und ermöglicht außerdem eine vorteilhafte Wechselwirkung zwischen der Sensorstruktur 3 und den Spulen 4, 5 der Prüfvorrichtung 6, da eine verlustbehaftete Propagation der Primärwechselfelder und der durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder durch den Grundkörper 2 vermieden werden kann.
6 a bis d zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen der Sensorstrukturen 3.
In der 6 a ist eine mänderförmige Sensorstruktur 3 gezeigt, die vollständig vom Grundkörper 2 umschlossen ist. Dabei weist die Sensorstruktur zumindest in einem Bereich einen Abstand von weniger als 30 mm von einer Bauteiloberfläche auf.
In der 6 b handelt es sich bei der Sensorstruktur 3 um eine Messgitterstruktur, der wie ein Dehnungsmessstreifen ausgestaltet ist. Eine solche Struktur kann an der Oberfläche oder vollständig eingebettet in den Grundkörper 2 vorgesehen sein.
6 d zeigt eine Ausgestaltung der Sensorstruktur 3 als eine kreisförmige Membranrosette. Diese Struktur kann ebenfalls an der Oberfläche oder vollständig eingebettet vorgesehen sein.
6 d zeigt die Sensorstruktur 3, wobei sie als Vater-Pacini-Struktur ausgebildet ist. Sie erstreckt sich im Inneren des Grundkörpers 2. Sie ermöglicht mit besonderem Vorteil die Erfassung von Kräften und Drücken in mehreren Raumrichtungen.
7 a und 7 b widmen sich der Anordnung der Spulen 4, 5 innerhalb der externen Prüfvorrichtung 6. 7 a und 7 b zeigen dabei Spulen, die als Tastdetektorspulenanordnungen angeordnet sind. Solche Tastdetektorspulenanordnungen ermöglichen eine vorteilhafte räumliche Auflösung. Bei den Tastdetektorspulenanordnungen kann ein Spulen-Bauteil-Abstand, der zu einem Lift-Off-Effekt führt, besonders gering gehalten werden. Bei Verringerung des Spulen-Bauteil-Abstandes wird die magnetische Flussdichte im Bauteil größer und es bilden sich stärkere Wirbelströme und Sekundärmagnetfelder aus. Das heißt, sowohl der Primärfeld-Einfluss als auch die magnetische Flussdichte im Bauteil können dadurch optimiert werden.
Für die Spulenanordnungen und -bauformen kann dabei eine Absolutschaltung oder eine Differenzschaltung verwendet werden.
Im Fall einer Absolutschaltung findet die Messung der Induktionsspannung in der Messspule statt.
Im Fall der Differenzschaltung gibt es z.B. zwei Messspulen, die eine Differenzschaltung haben, d. h. bei gleichem magn. Fluss in beiden Spulen geht die resultierende Induktionsspannung gegen Null (keine Messung von Absolutwerten). Kleinste Veränderungen des magn. Flusses in einer der Messspulen führen zu einer Messsignaländerung.
In der 7 a ist zunächst die Messspule 5 um einen Kern 9 gewickelt und außen um die Messspule herum ist die Erregerspule 4 angeordnet. In dieser Anordnung kann der Spulenaufbau als Absolutwertdetektor für die durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder betrieben werden.
7 b zeigt einen Aufbau, in dem ein Kern 9 mit einer darum gewickelten Messspule 5 und ein weiterer Kern 9' mit einer darum gewickelten weiteren Messspule 5' bereitgestellt sind, wobei diese Messpulen 5, 5' von einer Erregerspule 4 umwickelt sind. Dieser Aufbau kann als Differenzwertdetektor für die durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder in Bezug auf das Erregerfeld betrieben werden.
Es ist dabei ebenfalls möglich, dass die Spulen keinen Kern haben.
8 a und 8 b zeigen jeweils Tastdetektorspulenanordnungen.
In der 8 a sind die Erregerspule 4 und die Messspule 5 in den Grundkörper 2 des Bauteils 1 eingebettet. Die Erregerspule 4 und die Messspule 5 sind dabei als in einer Ebene ineinander liegende Spiralen ausgebildet. An ihren Enden können die Erregerspule 4 und die Messspule 5 mit den Leiterstrukturen 7 verbunden werden.
8 b zeigt eine Anordnung, bei der die Erregerspule 4 und die Messspule 5 voneinander beabstandet nebeneinander angeordnet sind, Die Spulen können dabei optional jeweils einen Kern in ihrem Inneren aufweisen, um das Magnetfeld gezielt zu beeinflussen bzw. zu bündeln. Die Spulen haben jeweils eine Schirmung 10. Die Anordnung eignet sich z.B. dann, wenn eine Messung eines Tertiärfeldes vorgesehen ist und/oder Signale aus Wirbelströmen tief liegender Sensorstrukturen erfasst werden sollen. Diese Anordnung kann als integrierte Spulenanordnung oder auch in einer externen Prüfvorrichtung vorgesehen sein.
Anhand der 9 a bis 9 d werden schematisch mögliche Spulenanordnungen illustriert. Dort sind Schnitte durch Bauteile 1 mit daran angeordneten Prüfvorrichtungen 6 gezeigt. Die Bauteile 1 sind Langeteile mit einem inneren Hohlraum, wie zum Beispiel Wellen oder Rohre. Die Bauteile 1 enthalten jeweils die integral gefertigte Sensorstruktur 3. Die Erregerspule 4 und die Messspule 5 sind jeweils in der externen Prüfvorrichtung 6 angeordnet. Für die in den 9 a bis 9 d gezeigten Anordnungen sind jeweils sowohl Absolutschaltung als auch Differenzschaltung möglich.
Bei den in 9 a und 9 c gezeigten Vorrichtungen handelt es sich dabei um umfassende Spulenanordnungen, die um das Bauteil 1, das die Sensorstruktur 3 enthält, herum gelegt sind. Die Prüfvorrichtung 6 mit den Spulen 4, 5 kann in dieser Ausführung für die Prüfung über das Bauteil geschoben werden. Diese Anordnung kann mit Vorteil eingesetzt werden, wenn ein als Welle ausgestaltetes Bauteil 1 zu überwachen ist, bei dem die Funktion durch die derart angeordnete Sensorstruktur gestört werden würde. In Abwandlungen solcher umfassenden Spulenanordnungen kann die externe Prüfvorrichtung 6 auch dauerhaft an dem Bauteil montiert sein, beispielsweise, wenn es sich um ein Rohr handelt, dessen Funktion durch die dauerhaft angeordnete Prüfvorrichtung 6 nicht beeinträchtigt wird. In weiteren Abwandlungen sind die umfassenden Spulen der umfassenden Spulenanordnung integral mit dem Bauteil 1 gefertigt.
Bei den Vorrichtungen aus 9 b und 9 d handelt es sich um innenliegende Anordnungen, wobei die Prüfvorrichtung 6 in einem Inneren des Bauteils 1, das die Sensorstruktur 3 enthält, angeordnet sind. Hier kann die Prüfvorrichtung zur Prüfung in das Bauteil geschoben werden. Diese Anordnung kann mit Vorteil eingesetzt werden, wenn beispielsweise ein als Rohr ausgebildetes Bauteil zu überwachen ist, bei dem eine dauerhaft im Inneren angeordnete Prüfvorrichtung 6 störend wäre. Für die innenliegenden Anordnungen sind ebenfalls Abwandlungen möglich, bei denen die externe Prüfvorrichtung 6 dauerhaft an dem Bauteil befestigt ist, oder bei denen die innenliegenden Spulen zusammen mit dem Bauteil 1 integral gefertigt sind, etwa, wenn es sich um eine Welle handelt, deren Funktion durch die innenliegende Prüfvorrichtung nicht beeinträchtigt ist.
In den Anordnungen aus 9 a bis 9 d sind jeweils die Achsen der Erregerspulen 4 und der Messspulen 5 parallel zu einer Längsrichtung des als Langteil ausgestalteten Bauteils 1 ausgerichtet. Es ist alternativ auch möglich, für innenliegende oder umfassende Spulenanordnungen eine von der Längsrichtung abweichende Achsenausrichtung der Erregerspulen 4 und/oder der Messspulen 5 zu wählen.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Grundkörper
3: Sensorstruktur
4: Erregerspule
5, 5': Messspule
6: Prüfvorrichtung
7: Leiterstruktur
8: Steuer- und Verarbeitungseinheit
9, 9': Kern
10: Schirmung
A: Referenzsignal
B: Messsignal

Claims

Bauteil (1), umfassend einen Grundkörper (2) und eine darin eingebettete Sensorstruktur (3), wobei die Sensorstruktur (3) aus einem Material gebildet ist, das eine auf spannungselastischer Martensitumwandlung basierte Pseudoelastizität und/oder ein auf thermoelastischer Martensitumwandlung basiertes Formgedächtnis aufweist, wobei in der Sensorstruktur (3) Wirbelströme induzierbar sind.
Bauteil (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Sensorstruktur (3) aus einer binären Legierung oder einer ternären Legierung gebildet ist, wobei die Legierung vorzugsweise Nickel und/oder Titan enthält oder ausgewählt ist aus: Nickel-Titan, Nickel-Tita n-Kupfer, Nickel-Titan-Eisen, Titan-Zirkonium-Niobium, Kobalt-Nickel-Gallium, Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium, Kupfer-Aluminium-Nickel, Eisen-Nickel-Alumiunium, Eisen-Mangan-Silizium und Nickel-Mangan-Gallium.
Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorstruktur (3) eine Gitterstruktur, insbesondere ein oder mehrere mäanderförmige Messgitter, aufweist und/oder eine kreisförmige Membranrosette aufweist und/oder eine Vater-Pacini-Struktur aufweist.
Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorstruktur (3) vollständig von dem Grundkörper (2) umschlossen ist.
Bauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensorstruktur (3) sich zumindest teilweise oder vollständig in einer Beschichtung des Grundkörpers (2) befindet oder zumindest einen Teil einer Oberflächenschicht des Bauteils (1) bildet.
Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorstruktur (3) in zumindest einem Bereich einen Abstand von weniger als 50 mm, bevorzugt weniger als 40 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm von einer Bauteiloberfläche aufweist.
Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um eine drehende Komponente, eine Welle, ein Rohr, eine Turbinenschaufel, ein medizinisches Implantat, eine Wälzlagerkomponente, ein Zahnrad, eine Passfeder, einen Stift oder eine Schraube handelt.
Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Grundkörper (2) eine oder mehrere integrierte Spulenstrukturen, insbesondere eine oder mehrere additiv gefertigte integrierte Spulenstrukturen, und/oder integrierte Leiterstrukturen (7), insbesondere additiv gefertigte integrierte Leiterstrukturen, angeordnet sind.
Bauteil (1) gemäß Anspruch 8, wobei die eine oder mehreren integrierten Spulenstrukturen mindestens eine Erregerspule (4) zur Erzeugung eines magnetischen Primärwechselfelds und mindestens eine Messspule (5, 5') umfassen, wobei durch das magnetische Primärwechselfeld der mindestens einen Erregerspule (4) die Wirbelströme induzierbar sind und dadurch erzeugte Magnetfelder mit der mindestens einen Messspule (5, 5') detektierbar sind.
Herstellungsverfahren für ein Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) und die Sensorstruktur (3) des Bauteils (1) gemeinsam additiv gefertigt werden, insbesondere schichtweise und/oder in einem pulverbettbasierten Verfahren.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Bauteil (1) hergestellt wird mittels - pulverbettbasiertem Multimaterial-Laserstrahlschmelzen oder - pulverbettbasiertem Multimaterial-Elektronenstrahlschmelzen oder - Auftragsschweißen, insbesondere Laserpulver-Multimaterial-Auftragsschweißen oder Elektronenstrahl-Multimaterial-Auftragsschweißen, oder - eines lichtbogen- oder drahtbasierten Multimaterialverfahrens oder - Multimaterial-Kaltgasspritzen oder - thermischem Spritzen oder - Chemical Vapor Depositioning oder - Sputtern.
System, umfassend ein Bauteil (1) gemäß einem der Ansprüche 1-7, insbesondere hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, sowie eine Prüfvorrichtung (6), wobei die Prüfvorrichtung (6) mindestens eine Erregerspule (4) zur Erzeugung eines magnetischen Primärwechselfelds und mindestens eine Messspule (5, 5') umfasst, wobei die Prüfvorrichtung (6) und das Bauteil (1) derart zueinander positionierbar sind, dass durch das magnetische Primärwechselfeld der mindestens einen Erregerspule (4) die Wirbelströme induziert werden und dadurch erzeugte Magnetfelder mit der mindestens einen Messspule (5, 5') detektierbar sind.
System, umfassend ein Bauteil (1) gemäß Anspruch 9, insbesondere hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, sowie eine Prüfvorrichtung (6), wobei die Prüfvorrichtung (6) eingerichtet ist zum Ankoppeln an die integrierten Spulenstrukturen des Bauteils (1), insbesondere über integrierte Leiterstrukturen (7), wobei mittels der Prüfvorrichtung (6) in der mindestens einen Erregerspule (4) ein magnetisches Primärwechselfeld anregbar ist und wobei durch das magnetische Primärwechselfeld der mindestens einen Erregerspule (4) Wirbelströme induziert werden und dadurch erzeugte Magnetfelder mit der mindestens einen Messspule (5, 5') detektierbar und an die angekoppelte Prüfvorrichtung (6) kommunizierbar sind.
System gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die mindestens eine Erregerspule (4) und die mindestens eine Messspule (5, 5') in einer Absolutwertdetektoranordnung oder in einer Differenzwertdetektoranordnung angeordnet sind.
Verfahren zur elektromagnetischen Überwachung eines Bauteilzustands, wobei ein Bauteil (1) bereitgestellt wird, insbesondere mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Bauteil (1) einen Grundkörper (2) und eine darin eingebettete Sensorstruktur (3) umfasst, die aus einem Material gebildet ist, das eine auf spannungselastischer Martensitumwandlung basierte Pseudoelastizität und/oder ein auf thermoelastischer Martensitumwandlung basiertes Formgedächtnis aufweist, wobei mindestens eine Erregerspule (4) zur Erzeugung eines magnetischen Primärwechselfelds und mindestens eine Messspule (5, 5') bereitgestellt werden, wobei durch die mindestens eine Erregerspule (4) ein magnetisches Primärwechselfeld erzeugt wird, das Wirbelströme in der Sensorstruktur (3) induziert und wobei durch die Wirbelströme erzeugte Magnetfelder, insbesondere Sekundärmagnetfelder und/oder Tertiärmagnetfelder, mit der mindestens einen Messspule (5, 5') detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei aus den detektierten Magnetfeldern eine auf das Bauteil (1) wirkende Kraft und/oder ein auf das Bauteil (1) wirkender Druck und/oder ein auf das Bauteil (1) wirkendes Drehmoment und/oder eine im Bauteil (1) herrschende Temperatur ermittelt wird, wobei insbesondere eine Kalibrierung in Bezug auf Kraft und/oder Druck und/oder Drehmoment und/oder Temperatur vor einer Inbetriebnahme oder zu Beginn der Inbetriebnahme des Bauteils (1) durchgeführt wird.